1、電氣工程及其自動化專業綜合設計(論文)中文題目黑體二號，居中電氣工程及其自動化專業綜合設計(論文)英文題目Arial二號，大寫，居中小功率直流調速系統設計DESIGN OF SMALL POWER DC SPEED CONTROL SYSTEM學生姓名嚴昊學生學號20120501145學院名稱信電工程學院專業名稱電氣工程及其自動化指導教師曹言敬、張旭隆2015年12月25日摘要本文對小功率直流調速系統進行了研究與設計。首先對單閉環直流調速系統進行了實驗建模與實驗測試，構建了調速系統的系統框圖；然后采用頻率法為系統設計超前校正裝置, 并使用Matlab計算機仿真軟件對系統進行了仿真；最后對校正裝

2、置進行了電路設計與制作，對系統進行校正，使系統滿足了性能指標要求。其建模、仿真以及校正網絡設計方法簡單易行,對研究其他種類的控制系統校正網絡具有一定的借鑒作用。關鍵詞：單閉環調速系統；建模；超前校正；MATLAB仿真小二號黑體字居中頂格書寫，小四號宋體，“關鍵詞”三字加粗，各關鍵詞之間加分號；最后一詞之后不加標點符號。目 錄1 緒論11.1 設計背景11.1.1 直流調速系統概述11.2 自動控制原發展歷程11.3 自動控制校正系統11.3.1 校正的概念11.3.2 校正的方式22 設計任務32.1 設計的詳細任務32.2 設計要求33 調速系統設計43.1 單閉環調速系統原理43.1.1

3、調速系統原理43.1.2 控制結構圖43.2 各部件相關參數選擇43.2.1 V-M系統介紹43.2.2 比例放大器53.2.3 整流電路：采用三相橋式全控整流64 調速系統的調速指標74.1 參數計算74.1.1 轉速控制閉環調速系統的調速指標74.1.2 閉環調速系統的靜特性84.2比例放大器84.3 額定勵磁下直流電動機參數94.4 誤差分析105系統部件特性測試135.1主要設備儀器135.2功率放大器特性測定135.3電動機的傳遞函數135.4 電動機死區電壓Ui測定145.5 電動機時間常數Tm測定145.6 電動機傳遞系數Km測定146 matlab軟件仿真156.1原系統的閉環

4、階躍響應156.2 系統校正設計156.3 校正后的系統框圖16結論18致謝19參考文獻20I大綱級別4級，小四號黑體，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行大綱級別1級，小二號黑體，居中，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行大綱級別2級，小三號黑體，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行1 緒論大綱級別3級，四號黑體，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行1.1 設計背景1.1.1 直流調速系統概述從生產機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統有調速系統、位置隨動系統、張力控制系統等多種類型，而各種系統往往都是通過控制轉速來實現的，因此調速系統是最基本的拖動控制系統。相比于交流調速系統，直流

5、調速系統在理論上和實踐上都比較成熟。直流調速是現代電力拖動自動控制系統中發展較早的技術。在20世紀60年代發展起來的電力電子技術，使電能可以變換和控制，產生了現代各種高效、節能的新型電源和交直流調速裝置，為工業生產、交通運輸、樓宇、辦公、家庭自動化提供了現代化的高新技術，提高了生產效率和人們的生活質量，使人類社會生產、生活發生了巨大的變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發以及先進控制技術的發展，電力電子和電力拖動控制裝置的性能也不斷優化和提高，這種變化的影響將越來越大。1.2 自動控制原發展歷程隨著科學技術的進一步發展，自動控制已廣泛地用于工業、農業、商業、軍事等各領域，成為現代技術的重要組成

6、部分。自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。它的發展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節原理，主要用于工業控制。二戰期間為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達跟蹤系統以及其他基于反饋原理的軍用設備，進一步促進并完善了自動控制理論的發展。到戰后，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數為基礎的經典控制理論，它主要研究單輸入單輸出的線形定常數系統的分析和設計問題。20世紀60年代初期，隨著現代應用數學新成果的推出和電子計算機的應用，為適應宇航技術的發展，自動控制理論跨入了一個新的階段現代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數的最優控制問題，主要采用的方法是

7、以狀態為基礎的狀態空間法。目前，自動控制理論還在繼續發展，正向以控制論、信息論、仿生學為基礎的智能控制理論深入。1.3 自動控制校正系統1.3.1 校正的概念 當控制系統的穩態、靜態性能不能滿足實際工程中所要求的性能指標時，首先可以考慮調整系統中可以調整的參數；若通過調整參數仍無法滿足要求時，則可以在原有系統中增添一些裝置和元件，人為改變系統的結構和性能，使之滿足要求的性能指標，我們把這種方法稱為校正。增添的裝置和元件稱為校正裝置和校正元件。系統中除校正裝置以外的部分，組成了系統的不可變部分，我們稱為固有部分。1.3.2 校正的方式根據校正裝置在系統中的不同位置，一般可分為串聯校正、反饋校正和

8、順饋補償校正。1.串聯校正校正裝置串聯在系統固有部分的前向通路中，稱為串聯校正，如圖1-1所示。為減小校正裝置的功率等級，降低校正裝置的復雜程度，串聯校正裝置通常安排在前向通道中功率等級最低的點上。圖1-1串聯校正2.反饋校正校正裝置與系統固有部分按反饋聯接，形成局部反饋回路，稱為反饋校正，如圖1-2所示。圖1-2反饋校正3.順饋補償校正順饋補償校正是在反饋控制的基礎上，引入輸入補償構成的校正方式，可以分為以下兩種：一種是引入給定輸入信號補償，另一種是引入擾動輸入信號補償。校正裝置將直接或間接測出給定輸入信號R(s)和擾動輸入信號D(s)，經過適當變換以后，作為附加校正信號輸入系統，使可測擾動

9、對系統的影響得到補償。從而控制和抵消擾動對輸出的影響，提高系統的控制精度。為滿足控制系統的靜態性能要求，最直接的方法是增大控制系統的開環增益，但當增益增大到一定數值時，系統有可能變為不穩定，或即使能穩定，其動態性能一般也不會理想。為此，需在系統的前向通道中加一超前串聯校正裝置，以實現在開環增益不變的前提下，系統的動態性能亦能滿足設計的要求。 循環礦漿壓力與柱體背壓的關系2 設計任務2.1 設計的詳細任務建立小功率直流調速系統的數學模型，確立自動控制元部件參數的測試方法，記錄未校正控制系統的階躍響應曲線，確定原系統的動態性能指標；用自動控制原理設計系統校正網絡并自動控制系統校正裝置參數的調整方法

10、。2.2 設計要求（1）控制性能：控制范圍0最大轉速、Ts在開環的基礎上減少70%、<5% 。 （2）使用儀器：直流穩壓電源、示波器 直流電動機、直流發電機（測量轉速）、直流穩壓電源、示波器、萬用表。 （3）設計自動控制系統校正網絡。 （4）根據設計好的校正網絡，采用有源網絡設計校正網絡電路板（可用LM324，LM358運放器）；確定校正網絡電模擬參數。 （5）用PROTEL軟件設計校正網絡電路板。 （6）校正環節的調試及參數測試。 （7）設計報告書需參照徐州工程學院畢業論文（設計）模板規定的格式撰寫。 要求內容翔實連貫，數據準確可靠，突出技術細節。3 調速系統設計3.1 單閉環調速系統

11、原理3.1.1 調速系統原理該系統以直流電機轉速為反饋信號，構成轉速單閉環直流電機調速系統。在本實驗系統中，用以測量電機轉速的裝置為測速發電機，該裝置可將電動機實際轉速轉換位于電機轉速成正比的電壓信號，反饋到系統輸入端。反映轉速變化的電壓信號在與期望轉速相關的給定電壓比較后，其偏差信號送入速度調節器。速度調節器對偏差進行控制運算后得到的便是控制晶閘管的移相控制電壓Uct，整流橋的觸發電路產生的觸發脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間以改變“三相全控整流”的輸出電壓，進而改變直流電機的轉速，從而構成了速度負反饋閉環系統。其原理圖如圖3-1所示。圖3-1調速系統原理圖3.1.2 控制結構圖有了原

12、理圖之后，把各環節的靜態參數用自控原理中的結構圖表示，就得到了系統的穩態結構框圖，如圖3-2。圖3-2環直流調速系統穩態結構框圖3.2 各部件相關參數選擇3.2.1 V-M系統介紹晶閘管電動機調速系統（簡稱VM系統），其簡單原理圖如圖3-3。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型。優點：通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現平滑調速。缺點：由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難；元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短時間

13、內損壞元件。此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足夠的余量。圖3-3 V-M系統原理圖3.2.2 比例放大器 運算放大器用作比例放大器（也稱比例調節器、P調節器），如圖3-4，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調電流的影響。 放大系數為 式（3.1）比例放大器的原理如圖3-4所示。圖3-4 比例放大器的原理圖3.2.3 整流電路：采用三相橋式全控整流三相橋式整流電路如圖3-6。圖3-6三相橋式整流電路三相橋式全控整流電路原理圖如圖所示。三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來的，它由三相半波共陰極接法(VT1，VT3，V

14、T5)和三相半波共陽極接法(VT1，VT6，VT2)的串聯組合。其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內6個管子的組合導通順序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。4 調速系統的調速指標4.1 參數計算4.1.1 轉速控制閉環調速系統的調速指標1. 調速范圍 生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即 式（4.1）2.靜差率 當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率s，即 式（4.2）靜差率用來衡量調速系統在負載變化下轉速的穩定

15、度。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度越高。調速范圍和靜差率兩項指標并不是彼此孤立的必須同時提才有意義。脫離了對靜差率的要求，任何調速系統都可以得到極高的調速范圍；反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。3調速范圍、靜差率和額定速降的關系以電動機的額定轉速為最高轉速，若帶額定負載時的轉速降落為，則該系統的靜差率應該是最低速時的靜差，即 式（4.3）于是，而調速范圍為 式（4.4）將上面的式代入，得 式（4.5）上式即為調速范圍、靜差和額定速降之間所應滿足的關系。對于一個調速系統，它的特性硬度或值是一定的，如果對靜差率的要求越嚴，也就是s越小，系統能夠允

16、許的調速范圍也越小。4.1.2 閉環調速系統的靜特性根據轉速反饋控制的閉環調速系的原理圖3-1得電壓比較環節：放大器：晶閘管整流與觸發裝置：VM系統開環機械特性：測速發電機：放大器的電壓放大系數；晶閘管整流器與觸發裝置的電壓放大系數；測速反饋系數，單位為Vmin/r；因此轉速負反饋閉環調速系統的靜特性方程式 式（4.6）式中為閉環系統的開環放大系數，這里是以作為電動機環節的放大系數的。靜特性：閉環調速系統的電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩態關系。根據各環節的穩態關系畫出閉環系統的穩態結構圖，如圖3-2所示。從上面分析可以看出，閉環系統的開環放大系數K值對系統的穩定性影響很大，K越大，靜特性就

17、越硬，穩態速降越小，在一定靜差率要求下的調速范圍越廣。總之K越大，穩態性能就越好。然而，只要所設置的放大器僅僅是一個比例放大器，穩態速差只能減小，但不能消除，因為閉環系統的穩態速降為 式（4.7）只有K=才能使，而這是不可能的。4.2比例放大器 運算放大器用作比例放大器（也稱比例調節器、P調節器），如圖4-1，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調電流的影響。 放大系數為: 式（4.8）4.3 額定勵磁下直流電動機參數（主電路，假定電流連續）（額定勵磁下的感應電動勢）（牛頓動力學定律，忽略粘性摩擦）（額定勵磁下的電磁轉矩）式中 包括電機空載轉矩在內的負載轉矩，單位

18、為Nm；電力拖動系統運動部分折算到電機軸上的飛輪力矩，單位為；電動機額定勵磁下的轉矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時間常數：電樞回路電磁時間常數，單位為s；電力拖動系統機電時間常數，單位為；得電壓與電流間的傳遞函數 式（4.12）電流與電動勢間的傳遞函數為 式（4.13）額定勵磁下直流電動機的動態結構圖如圖4-1。圖4-1 額定勵磁下直流電動機的動態結構圖由以上分析得穩定條件時反饋控制閉環調速系統的特征方程為穩定條件為整理后得穩態抗擾上式右邊稱作系統的臨界放大系統，K值超出此值，系統就不穩定。根據上面的分析可知，可能出現系統的臨界放大系數都比系統穩態時的比放大系數小，不能同時滿足穩態性能指標

19、，又保證穩定和穩定裕度。為此必須再設計合適的校正裝置，以改造系統，才能達到要求。4.4 誤差分析1.比例控制時的穩態抗擾誤差采用比例調節器的閉環控制有靜差調速系統的動態結構圖如圖4-2。當時，只擾動輸入量，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差n，可將動態結構圖改畫的形式如圖4-3。圖4-2 采用比例調節器的閉環有靜差速系統結構圖的一般情況圖4-3 給定為0時采用比例調節器的閉環有靜差調速系統結構圖 負載擾動引起的穩態速差如下。這和靜特性分析的結果是完全一致的。2.積分控制時的穩態抗擾誤差將圖4-9比例調節器換成積分調節器如圖4-10。突加負載時，于是負載擾動引起的穩態速差為可見，積分控制的調

20、速系統是無靜差的。3.比例積分控制時的穩態抗擾誤差用比例積分調節器控制的閉環調速系統的動態結構如圖4-4-1,4-4-2。圖4-4-1 給定為0時采用積分調節器圖的閉環調速系統結構圖圖4-4-2 給定為0時采用積分調節器圖的閉環調速系統結構圖則穩態速差為因此，比例積分控制的系統也是無靜差調速系統。4.穩態抗擾誤差與系統結構的關系上述分析表明，就穩態抗擾性能來說，比例控制系統有靜差，而積分控制和比例積分控制系統都沒有靜差。顯然，只要調節器中有積分成份，系統就是無靜差的。只要在控制系統的前向通道上在擾動作用點以前含有積分環節，則外擾動便不會引起穩態誤差。5結論綜上所述，我選擇比例積分控制。5系統部

21、件特性測試5.1主要設備儀器1. 直流穩壓電源2. 模擬示波器3. 數字存儲示波器4. 數字萬用表5. 毫伏表6. 直流電機及測速機7. XSJ-2實驗平臺5.2功率放大器特性測定將信號發生器接到功放輸入端，并用毫伏表測量輸入信號幅值，功放輸出端接R，用示波器測量輸出端波形，用毫伏表測量輸出端電壓幅值。Vin=2Vpp=0.85V,R=26.7ohm表5-1輸出電壓幅值f/°581623323744/v2.22.22.221.881.81.55據此可畫出功率放大器的幅頻特性如圖5-1:圖5-1 功率放大器的幅頻特性則5.3電動機的傳遞函數因控制電機電樞繞組電感電動機轉子慣量影響很小，

22、在建立電動機的數學模型時，常將電樞繞組的電感忽略不計。這樣，電動機的傳遞函數可近似用下式表示： 式（5.1）式中-電機的輸入電壓 -電動機輸入的角速度。因此，確定了電動機的時間常數m和傳遞函數m，電動機的傳遞函數即被確定。5.4 電動機死區電壓Ui測定將穩壓電源置于最小檔，合上開關，慢慢增大到電機剛剛轉動，讀下這時的Ui，將電機的起始位置防在及格不同角度，重復實驗。將輸入電壓反極性重復上述實驗，可得到兩個轉動方向的死區電壓平均值和最大值。表5-2正反向電壓正向反向 電壓/v0.60.60.60.6電壓/v0.50.50.40.55.5 電動機時間常數Tm測定在開環系統中，由于放大器都可以認為是

23、無慣性環節，直接操縱開關對電動機施加階躍輸入作用，將測速發電機的輸出電壓接到存貯示波器保存，記錄電動機轉速變化的階躍響應曲線。根據這條曲線從0上升到穩態值的0.632倍的時間即是Tm。記錄階躍響應曲線時，間斷操作時間開關，輸入不同幅值的階躍信號，記錄不同輸入對應的Tm值。表5-3不同階躍信號對應的Tm帶大慣性輪負載Vin/v51015Ts/ms120117120Tm/ms403940Tm平均值/ms405.6 電動機傳遞系數Km測定直接利用直流測速發電機來測量轉速,該測速發電機的傳遞函數系數t。因此，電動機的傳遞系數： 式（5.2）表5-4對應的/v51015/v9.620.231.3得出:

24、Km=2所以原系統的開環傳遞函數為：G(s)=k1*ke*km/s*(Tm*s+1)=31.2/s*(0.04s+1)6 matlab軟件仿真6.1 原系統的閉環階躍響應1. 原系統閉環階躍響應的matlab仿真系統框圖如圖6-1。圖6-1 校正前的系統框圖2.運行系統得到階躍響應圖如圖6-2。圖6-2 原系統的閉環階躍響應由圖可得：% =(7.4-5)/5*100%=48 %、s= 450-100=350ms，所以原系統無法滿足指標要求，需要進行校正。6.2 系統校正設計通過引入比例環節，能迅速反應誤差，減少穩態誤差，減少調節時間。引入微分環節能抑制誤差，防止過沖而導致振蕩。所以選擇超前校正

25、環節對系統進行校正，利用PD的相角超前特性，改善系統的動態性能。PD校正器的傳遞函數為: ，式中 a>1。可以采用頻率法求解傳遞函數：對于原系統有:得出w0=28 rad/sr0=180°-90°-arctan(0.04w0)= 42°系統的最大超前角:=r-r0+15°=60°所以又L(wc)=0 得:Wc=54 rad/sWm=Wc=54 rad/s所以得出校正器的傳遞函數為: 6.3 校正后的系統框圖1.校正后的系統框圖如圖6-3。圖6-3校正后的系統框圖2.通過運行系統可得到它的階躍響應如圖6-4。由圖可以看出Ts=50ms,(3

26、50-50)/350*100%=85%>70%,滿足要求；%=(5.2-5)/5*100%=4%<5%，滿足要求。所以此系統符合系統指標要求。如圖6-5為校正器原理圖，圖中Kp=(Rf+Ri)/Ri=1.2，aT=(Rf/R1+R2)*c=0.04，T=R2*c=0.003。求得:Ri=43k，Rf=10k，R1=6k R2=300ohm，C=10uf。運行后的階躍響應圖如圖6-4。圖6-4校正后系統的階躍響應3.用protel畫的校正器原理圖如下圖6-5。圖8-3校正器原理圖標題黑體小二，居中，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行；內容宋體小四，行距固定值20磅。結論在實驗過程中不免遇到各種問題，需要認真觀察與分析，排除各種問