1、 瀟湘學院課程設計報告題目： 帶電流截止負反饋轉速單閉環直流調速系統建模與仿真專業： 電氣工程及其自動化 班級： 姓名： 學號： 指導教師： 陳敏 初始條件：1技術數據 輸出功率為:7.5Kw 電樞額定電壓220V電樞額定電流 36A 額定勵磁電流2A額定勵磁電壓110V 功率因數0.85電樞電阻0.2歐姆 電樞回路電感100mH電機機電時間常數2S 電樞允許過載系數1.5額定轉速 1430rpm2技術指標 穩態指標：無靜差（靜差率s2%, 調速范圍 D10 ） 動態指標：系統穩定要求完成的主要任務: 1技術要求： (1) 該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機不可逆運行，具有較寬的調速范圍

2、（D10），系統在工作范圍內能穩定工作 (2) 根據指標要求進行動態校正，選擇調節器的參數，并確定電流截止負反饋環節的相關參數， (3) 系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續 2設計內容：(1) 根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖 (2) 根據帶電流截止負反饋轉速單閉環直流調速系統原理圖, 分析轉速調節器和電流截止負反饋的作用, (3) 通過對調節器參數設計, 得到轉速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過MATLAB來進行調節器的參數調節。 (4) 繪制帶電流截止負反饋轉速單閉環直流調速系統的電氣原理總圖（要求計算機繪圖） (5)

3、 整理設計數據資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書 目錄摘要41.閉環調速控制系統構成51.1 主電路51.2 原理框圖62帶電流截止負反饋的轉速負反饋的分析62.1電流截止負反饋的提出62.2 電流截止負反饋環節72.3 帶電流截止負反饋調速系統結構框圖和靜特性83 參數設計103.1整體分析103.2穩定性參數計算和判斷113.3 轉速調節器校正123.3.1 PI調節器結構123.3.2 調節器的選擇133.4 電流截止負反饋參數設計164. 電流MATLAB仿真174.1 將設計的參數進行仿真174.2 調節器參數調整185.電氣總圖196.結束語20參考文獻21摘要為了提高直流調速

4、系統的動態、靜態性能，通常采用閉環控制系統（主要包括單閉環、雙閉環）。而在對調速指標要求不高的場合，采用單閉環即可。閉環系統較之開環系統能自動偵測把輸出信號的一部分拉回到輸入端，與輸入信號相比較，其差值作為實際的輸入信號；能自動調節輸入量，能提高系統穩定性。在對調速系統性能有較高要求的領域常利用直流電動機，但直流電動機開環系統穩定性不能夠滿足要求，可利用轉速單閉環提高穩態精度，而采用比例調節器的負反饋調速系統仍是有靜差的，為了消除系統靜差，可采用積分調節器代替比例調節器。關鍵詞：直流調速 單閉環 穩態精度 比例調節帶電流截止負反饋轉速單閉環直流調速系統建模與仿真1.閉環調速控制系統構成1.1

5、主電路本控制系統采用含電流截止負反饋的轉速負反饋主電路結構，其原理圖如圖1所示。圖1 含電流截止負反饋的轉速負反饋原理圖圖中的電動機的電樞回路由晶閘管組成的三相橋式整流電路供電，通過與電動機同軸剛性連接的測速發電機TG檢測電動機的轉速，并經轉速反饋環節分壓后取出合適的轉速反饋信號，此電壓與轉速給定信號經速度調節器ASR綜合調節，ASR的輸出作為移相觸發器的控制電壓，由此組成轉速負反饋單閉環直流調速系統。改變即可調節電動機的轉速。在本系統中ASR采用比例積分調節器，屬于無靜差調速系統。為了防止在起動和運行過程中出現過大的電流沖擊，系統引入了電流截止負反饋以限止電流不超過其允許的最大值。1.2 原

6、理框圖將開環系統改為單閉環轉速負反饋調速系統，并采用PI調節器，就既保證動態性能，又能作到轉速的無靜差，較好的解決開環系統的不足，此閉環系統的工作原理是：將直流電動機轉速變化信號反饋到觸發環節，來自動增大或減小觸發角來自動調節整流輸出電壓Uds，即可達到穩定,其系統結構框圖與系統原理圖如圖2所示轉速反饋Un給定IdRUcUnUnKpKs1/CeUd0n圖2 單閉環轉速負反饋系統框圖轉速單閉環實驗是將反映轉速變化的電壓信號作為反饋信號，經“速度變換”后接到“速度調節器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經放大后，得到移相控制電壓UCt，用作控制整流橋的“觸發電路”，觸發脈沖經功放后加到晶閘管的門極

7、和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構成了速度負反饋閉環系統。電機的轉速隨給定電壓變化，電機最高轉速由速度調節器的輸出限幅所決定，速度調節器采用P（比例）調節對階躍輸入有穩態誤差，要想消除上述誤差，則需將調節器換成PI(比例積分)調節。這時當“給定”恒定時，閉環系統對速度變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的轉速能穩定在一定的范圍內變化。2帶電流截止負反饋的轉速負反饋的分析2.1電流截止負反饋的提出（1）起動的沖擊電流-直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。（2）閉環調

8、速系統突加給定起動的沖擊電流-采用轉速負反饋的閉環調速系統突然加上給定電壓時，由于慣性，轉速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，差不多是其穩態工作值的 1+K 倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。（3）堵轉電流-有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環系統的靜特性很硬，若無限流環節，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環調速系統的起動和堵轉時

9、電流過大的問題，系統中必須有自動限制電樞電流的環節。根據反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。2.2 電流截止負反饋環節通過對電流負反饋和轉速負反饋的分析。考慮到，限流作用只需在起動和堵轉時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減，采用電流截止負反饋的方法，則當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉速負反饋起作用控制轉速。電流截止負反饋環節如圖3和圖4所示 . 圖3 利用獨立直流電源作比較電壓 圖4 利用穩壓管產生比較電壓 圖5 封鎖運算放大器的電流截止負反饋環節

10、圖6 電流截止負反饋環節的I/O特性 電流截止負反饋環節輸入輸出特性如圖6所示。 圖3中用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調節，相當于調節截止電流。圖4中利用穩壓管VS的擊穿電壓Ubr作比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑的調節截止電流值。圖5是反饋環節與運放的連接電路。2.3 帶電流截止負反饋調速系統結構框圖和靜特性帶電流截止負反饋的閉環直流調速系統結構框圖如圖7所示： 圖7 帶電流截止負反饋的閉環直流調速穩態系統結構框圖系統兩段靜特性的方程式：當時，電流負反饋被截止，靜特性與轉速負反饋相同 當時，引入電流負反饋，靜特性變為： 靜特性的幾個特點：（1）電流負反饋的作用相當于在主電

11、路中串入一個大電阻 KpKsRs ，因而穩態速降極大，使特性急劇下垂。（2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致， 好象把理想空載轉速提高到 （3）兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉電流，在式（1）中，令 n = 0，得 一般,因此（4）最大截止電流應小于電機允許的最大電流，一般取 ：Idbl =（1.52.0） IN從調速系統的穩態性能上看，希望穩態運行范圍足夠大，截止電流大于電機的額定電流，一般取： Idcr （1.11.2）IN（5）調速系統的起動過程如圖8圖9所示 圖8帶電流截止負反饋單閉環調速系統 圖9理

12、想的快速啟動過程3 參數設計3.1整體分析本題目要求設計帶電流截止負反饋轉速單閉環直流調速系統，為滿足以上技術要求和性能指標的要求，選擇以下方案設計系統：1) 系統要求平滑調速，可采用調壓調速方式。因為調壓調速系統是在保持他勵直流電動機的磁通為額定值的情況下，將電樞兩端的電壓（電源電壓）降低為不同的值時，可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速方向是基速以下，屬于恒轉矩調速方法。只要輸出的電壓是連續可調的，即可實現電動機的無級調速，調速范圍可以達到很寬。2) 系統靜特性良好，無靜差。在參數設置合理的情況下，帶電流截止負反饋轉速單閉環直流調速系統本身可以做到系統的穩定運行。3)

13、本設計中的電力電子變換裝置采用三相橋式控制的晶閘管整流裝置，應用題目要求中給定的參數進行設計，其Rrec=0.5，Ks=40。4) 在帶電流截止負反饋環中，截止電流的上限選擇需要根據電機的品牌和參數論證，以保證電機不至于因電流過大而燒毀。3.2穩定性參數計算和判斷為了滿足D=10，s2%，額定負載時調速系統的穩態速降為： 根據，求出系統的開環放大系數： 計算測速反饋環節的放大系數和參數： 設在額定轉速下穩態時的給定電壓為，則須有 故轉速反饋環節的放大系數計算運算放大器的放大系數和參數：驗證系統在此控制器下的穩定性：電樞回路電磁時間常數 電力拖動機電時間常數 三項橋式整流電路的失控時間常數 為保

14、證系統穩定，開環放大系數應滿足按動態性能指標，得,而按穩態性能指標有，說明比例控制閉環系統的動態穩定性和穩態性能要求是矛盾的，此系統不穩定。3.3 轉速調節器校正3.3.1 PI調節器結構 如圖10所示是PI調節器即比例積分調節器既結構圖，用于實現系統的無靜差調速系統圖10 PI調節器的結構圖 比例積分調節器的控制傳遞函數為：=/ ，為PI調節器的比例放大系數，= /，為PI調節器超前時間常數。比例調節器的輸出只取決于輸入偏差量的現狀，而積分調節器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調節器到穩態時Un =0，只要歷史上有過Un ，其積分就有一定數值，足以產生穩態運行所需要的控制電壓。如圖1

15、1為采用PI調節器單閉環調速系統動態校正特性 圖11 采用PI調節器單閉環調速系統3.3.2 調節器的選擇在設計閉環調速系統時，常常會遇到動態穩定性與穩態性能指標發生矛盾的情況，這時，必須設計一個合適的動態校正裝置，用它來改造系統，使它同時滿足動態穩定性和穩態性能指標兩方面要求。動態校正的方法很多，而且對于一個系統來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統中，最常用的是串聯校正和反饋校正。串聯校正比較簡單，也容易實現。對于帶電力電子變換器的直流閉環調速系統，由于其傳遞函數的階次較低，一般采用PID調節器的串聯校正方案就能完成動態校正的任務。PID調節器中有PD、PI和PI

16、D三種類型。由于PD調節器構成的超前校正，可提高系統的穩定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩定精度可能受到影響；由PI調節器構成的滯后校正，可以保證穩定精度，卻是以對快速性的限制來換取系統穩定的。一般調速系統的要求以動態穩定性和穩態精度為主，對快速性要求差一些，所以采用PI調節器。現在我們利用PI調節器來校正，原系統的傳遞函數如下其中， ，由于因此分母中的二次項可以分解成兩個一次項之積， 編寫Matlab程序如下k=109.46/(0.00167*0.161*0.07);z= ; p=-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161; num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num

17、,den);margin(num,den);grid 校正前伯德圖如圖12所示： 圖12 校正前伯德圖由于原始系統不穩定，表現為放大系數K過大，截止頻率過高，應該設法把他們壓下來。因此，把校正環節的轉折頻率設置在遠低于原始系統截止頻率處,令,使校正裝置的比例微分項與原始系統中時間常數最大慣性環節對消,從而選定。其次，為了使校正后的系統具有足夠的穩定裕度，它的對數幅頻特性應以的斜率穿越線，將原始的對數幅頻和相頻特性壓低，使校正以后系統的對數幅頻和相頻特性的截止頻率。這樣，在處，應有根據以上兩點，校正環節添加部分的對數特性就可以確定下來了：取，為了使，取，在伯德圖上查得相應的，因而因為 ，所以 ，

18、于是PI調節器的傳遞函數為： 最后選擇PI調節器的阻容參數，選取，則，取，取校正后系統開環傳遞函數為編寫Matlab程序如下：k=372.3/(0.00167*0.54*0.07);z= ;p=-1/0.00167 -1/0.07 0;num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德圖如圖13所示：圖13 校正后伯德圖由圖13可以看出，校正后系統的幅值裕度和穩定裕度都滿足穩定的條件，但截至頻率變低，快速性被壓低，顯然這是一個偏于穩定的方案，最終能使系統穩定。綜上所述，轉速調節器的類型和參數選擇是正確的，即選為PI調節器，參數

19、為，。3.4 電流截止負反饋參數設計其工作原理如圖3，是利用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調節，相當于可調截至（保護）電流值。當 時，二極管導通，電流截止負反饋信號加到放大器上去，從而使晶閘管系統輸出電壓減小，機械特性呈下垂特性；當時，二極管截止，消失。由所給的技術參數值可知，。為了減小所產生的功耗，選擇為，可得。4. 電流MATLAB仿真4.1 將設計的參數進行仿真仿真原理框圖如圖14所示：圖14 仿真原理圖電流仿真波形如圖15所示，擾動加在2秒時：圖15 電流仿真波形轉速波形如圖16所示：圖16 轉速仿真波形在圖15中可以看到電流經2秒時的給定擾動后后先波動了一下，然后迅速又

20、回到穩態，電流初始輸出值未超過在26.25A，即1.5In滿足電流截止要求，系統轉速最終穩定于1500r/min。4.2 調節器參數調整 在控制系統中設置調節器是為了改變系統的靜、動態性能。在采用了PI調節器后，構成的是無靜差調速系統，改變比例系數和積分系數，可得到振蕩、有靜差、無靜差、超調大、啟動快等不同轉速曲線。如圖15,16的調節其參數是Kp=0.294, =0.54，系統轉速響應無超調，但調節時間較長。若改為Kp=0.8, =0.06,則波形如圖17所示，可見系統響應的超調較大，有擾動，但是啟動快速性好。圖17 調節參數后轉速波形5.電氣總圖帶電流截止負反饋轉速單閉環調速系統電氣原理總圖如圖18所示：圖18 電氣總圖6.結束語通過本次課程設計,我學到了很多東西。我鞏固了軟件MATLAB的運用,對一些理論知識的實際運用有了更深的理解，特別是晶閘管、變壓器等元件的綜合運用。我鍛煉了獨立思考的能力,對電拖的基礎知識和綜合運用有了深