综合课程设计报告正文及参考文献

控制系统综合课程设计报告

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目录

1 设计任务与要求·································2 2 双闭环直流调速系统的电路及原理图···············································2 3 电流调节器与转速调节器的设计···················································2 3.1 ACR的设计··································································4 3.1.1 确定时间常数····························································4 3.1.2 选择电流调节器结构······················································4 3.1.3 计算电流调节器参数······················································4 3.1.4 检验近似条件····························································4 3.1 ASR的设计··································································4 3.2.1 确定时间常数···························································5 3.2.2 选择转速调节器结构·····················································5 3.2.3 计算转速调节器参数·········································5 3.2.4 检验近似条件···············································5 3.2.5 校核转速超调量···················································6 4 双闭环直流调速系统仿真及其仿真··················································6 4.1 系统数学模型图······························································6 4.2 三相整流电路的双闭环直流调速系统仿真·······································7 4.3 双闭环PWM直流调速系统仿真·················································8 5 心得···········································································9 6 参考文献·······································································10

控制系统综合课程设计报告

转速、电流双闭环直流调速系统仿真

1 设计任务与要求

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在 MATLAB 的 Simulink 环境下建立转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型，并给出仿真结果。

系统设计要求：1）直流电动机选用 SimPowerSystems 工具箱中的典型模型 DC Machine；

2）主电路形式：a）三相桥式整流电路，b）PWM电路； 3）系统输入阶跃信号，幅值1500r/min；

4）合理选择调节器ASR和ACR的控制参数和限幅值，要求系统响应无静差，转速超调量σn≤10%。

2 双闭环直流调速系统的电路及原理图

图1为双闭环直流调速系统的稳态结构框图，其中α为转速反馈系数，β为电流反馈系数。

图1 双闭直流环调速系统的稳态结构框图

图２为双闭环直流调速系统的动态结构框图，WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显示出来。

图２ 双闭环直流调速系统的动态态结构框图

双闭环调速系统的实际动态结构框图如图３所示，它与前述的图2不同之处在于

增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需加低通滤波，这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定。然而，在抑制扰动量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

其中Toi为电流反馈滤波时间常数，Ton为转速反馈滤波时间常数。

图３ 双闭环直流调速系统的实际动态结构框图

3 电流调节器与转速调节器的设计

3.1 ACR的设计

3.1.1 确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数Ts。因整流装置采用三相桥式电路，所以电路的平均失控时间Ts=0.0017s。

2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波

头，应有（1~2）Toi=3.1ms,因此取Toi=2ms=0.002s。

3）电流环小时间常数之和T∑i。按小时间常数近似处理，取T∑i=TS+Toi=0.0037s。 4）电磁时间常数的确定。

5）机电时间常数的确定。

3.1.2 选择电流调节器结构

根据设计要求，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为

WACR(s)=

Ki(τis+1)

τis

3.1.3 计算电流调节器参数

1）电流调节器超前时间常数：==0.07s

2）电流环开环增益：

3）ACR的比例系数：

式中，为电流反馈系数≈ =0.38（λ=1.5），晶闸管装置放大系数为=40。

3.1.4 检验近似条件 电流环截止频率：

1） 检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件

2）检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

=28.23

满足近似条件

2） 检验电流环小时间常数近似处理条件

=180.8

满足近似条件

3.2 ASR的设计

3.2.1 确定时间常数

1）电流环等效时间常数1/KI。已取

，则

2）转速滤波时间常数Ton。根据所用发电机纹波情况，取Ton=0.01s

3）转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取T∑n=1/Ki+Ton=0.0174s。 3.2.2 选择转速调节器结构

根据设计要求，选用PI型调节器，其传递函数为

3.2.3 计算转速调节器参数 1）电流调节器超前时间常数：2）转速环开环增益：

3）ASR的比例系数：

式中，为转速反馈系数

3.2.4 检验近似条件 转速环截止频率：

。

1）电流环传递函数简化条件

满足简化条件

2）检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件

3.2.5 校核转速超调量

当h=5时，由表1知σn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表1是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

表1 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mmin准则确定参数关系）

设理想空载启动时，负载系数z=0，已知IN=17.5A，nN=1500r/min，λ=1.5，RΣ

=2.85，C

e=0.132V·min/r，Tm=0.161，T∑n=0.0174s

。当h=5时，由表2得ΔCmax/Cb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

小于6.6%，所有能满足设计要求.

表2 典型Ⅱ型动态抗扰性能指标与参数的关系

4 双闭环直流调速系统仿真及其仿真结果

4.1 系统的数学模型

4.2 主电路为三相整流电路的双闭环直流调速系统仿真

4.2双闭环PWM直流调速系统仿真

5 心得

通过这次课程设计，我对三相桥式整流和PWM的直流电机双闭环调速系统的原理及组成有了进一步的了解。在设计完成之后使用MATLAB进行仿真，尽管仿真过程中并不顺利，但是通过查阅资料，最后还是得以解决。

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参 考 文 献

[1] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M]. 北京：机械工

业出版社，2009.8

[2] 顾春雷，陈中. 电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M]. 北京：清华大学

出版社，2011.4

[3] 周渊深，陈涛，朱希荣，宋永英. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2013.2

[4] 陈霞. 电力拖动自动控制系统与设计方法[M]. 北京：中国电力出版社，2010