電力拖動課程設計--轉速單閉環(huán)直流系統(tǒng)的仿真

1、<p>　　課程設計說明書(論文)</p><p>　　題 目 轉速單閉環(huán)直流系統(tǒng)的仿真</p><p>　　課 程 名 稱 電機控制設計 </p><p>　　院 系 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>

2、　　班 級 </p><p>　　學 生 姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　設 計 地 點 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>&

3、lt;b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程名稱 電機控制技術 </p><p>　　(院系.部中心) </p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班級 </p><p>　　起止日期

4、 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　一、摘 要</b></p><p>　　《運動控制系統(tǒng)》是自動化專業(yè)專業(yè)的一門主要專業(yè)課。課程的主線是控制系統(tǒng)的原理和設計，應該通過理論和實際相結合，應用自動控制系統(tǒng)理論解決電力拖動控制系統(tǒng)的分析和設計問題，在運用中注重控制規(guī)律。&

5、lt;/p><p>　　本文通過利用Matlab仿真平臺設計單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，，包括單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本構成和工作原理、對所設計系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標進行分析、根據(jù)動態(tài)性能指標設計調節(jié)器、根據(jù)設計任務書的具體要求設計出系統(tǒng)的Simulink仿真模型，驗證所設計系統(tǒng)的性能、根據(jù)設計任務書的具體要求給出所設計系統(tǒng)的性能指標：上升時間、超調量、調節(jié)時間、最大啟動電流、穩(wěn)態(tài)誤差。從而使學生更系統(tǒng)地掌握所學知識

6、并能夠應用運動控制系統(tǒng)設計規(guī)范、計算手冊和計算機輔助設計軟件進行運動控制系統(tǒng)的結構設計和參數(shù)計算。</p><p><b>　　二、總體方案設計</b></p><p><b>　　1、控制原理</b></p><p>　　根據(jù)設計要求，所設計的系統(tǒng)應為單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，選定轉速為反饋量，采用變電壓調節(jié)方式，實現(xiàn)對直流電

7、機的無極平滑調速。</p><p>　　所以，設計如下的原理圖：</p><p>　　圖1、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　轉速用與電動機同軸相連的測速電機產(chǎn)生的正比于轉速的電壓信號反饋到輸入端，再與給定值比較，經(jīng)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制電壓，再通過電力電子變換器來調節(jié)電機回路電流，達到控制電機轉速的目的。</p><p>　　這里，電

8、壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運算放大器實現(xiàn)，主電路用晶閘管可控整流器調節(jié)對電機的電源供給。</p><p>　　所以，更具體的原理圖如下：</p><p>　　圖2、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具體原理圖</p><p><b>　　2、控制結構圖</b></p><p>　　有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結構圖表示，

9、就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖。</p><p>　　圖3、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖</p><p>　　同理，用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結構圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。</p><p>　　由所學的相關課程知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)是一個時間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動

10、機是一個二階線性環(huán)節(jié)。</p><p>　　所以，可以得到如下的框圖：</p><p>　　圖4、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖</p><p><b>　　三、參數(shù)計算</b></p><p>　　設計完系統(tǒng)框圖，就可以用已知的傳遞函數(shù)結合設計要求中給定的參數(shù)進行對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)兩套參數(shù)的計算。以便于后續(xù)步驟利用經(jīng)典控

11、制論對系統(tǒng)的分析。</p><p>　　為了方便以下的計算，每個參數(shù)都采用統(tǒng)一的符號，這里先列出設計要求中給出的參數(shù)及大?。?lt;/p><p>　　電動機：PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5Ω</p><p>　　晶閘管整流裝置：二次線電壓E2l=230v Ks=44</p><

12、p>　　主回路總電阻：R=1Ω</p><p>　　測速發(fā)電機：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm</p><p>　　系統(tǒng)運動部分：飛輪矩GD2=10Nm2 </p><p>　　電樞回路總電感量：要求在主回路電流為額定值10﹪時，電流仍連續(xù)</p><p><b&g

13、t;　　1</b></p><p>　　2、動態(tài)參數(shù)設計計算</p><p>　　在經(jīng)典控制論中，動態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳函，所以要求出傳函并根據(jù)已知求的傳函中的未知參數(shù)，再用勞斯判據(jù)得出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、準、快指標平衡在要求范圍內的值上。</p><p>　　由圖4，得系統(tǒng)開環(huán)傳函</p><p&g

14、t;　　其中,Ts晶閘管裝置滯后時間常數(shù) </p><p><b>　　Tm機電時間常數(shù) </b></p><p><b>　　Tl：電磁時間常數(shù)</b></p><p><b>　　主電路電感值L</b></p><p>　　根據(jù)要求在主回路電流為額定值10﹪時，電流仍連續(xù)

15、。</p><p>　　結合抑制電流脈動的措施中關于L的討論，得：</p><p><b>　　公式：</b></p><p>　　其中，整流變壓器副邊額定相電壓（二次相電壓）</p><p>　　得：L=0.017H</p><p><b>　　其他未知參數(shù)計算</b>&l

16、t;/p><p>　　電磁時間常數(shù) </p><p><b>　　機電時間常數(shù)</b></p><p>　　對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為 Ts = 0.00167 s </p><p><b>　　系統(tǒng)傳函為：</b></p><p><

17、;b>　　四、穩(wěn)定性分析</b></p><p>　　穩(wěn)定是系統(tǒng)首要的條件，一切的分析只有建立在穩(wěn)定的基礎上才有意義。</p><p>　　1、基于經(jīng)典自控理論得分析</p><p><b>　　根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳函</b></p><p><b>　　特征方程</b></p&g

18、t;<p>　　應用三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 </p><p><b>　　代入整理得：</b></p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　　把所得參數(shù)代入

19、</b></p><p>　　就是說，k小于49.4系統(tǒng)才穩(wěn)定。</p><p>　　但是，按穩(wěn)態(tài)調速性能指標要求計算出的要K ≥53.3</p><p><b>　　它們是矛盾的。</b></p><p>　　所以，當前的系統(tǒng)是不滿足要求的。</p><p>　　在轉速負反饋單閉環(huán)有

20、靜差調速系統(tǒng)中實減負載后又進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud較之負載變化前是增加減少還是不變？</p><p><b>　　答：答：</b></p><p>　　（1）Ud減小。因負載減小，轉速上升，反饋電壓增加，給定電壓一定，偏差電壓減小，</p><p>　　控制電壓減小，故輸出電壓減小。</p><p&

21、gt;　　（2）n不變，Ud增加。轉速負反饋調速系統(tǒng)轉速僅取決于給定電壓，故不變</p><p>　　在轉速負反饋單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)中當下列參數(shù)變化時系統(tǒng)是否有調節(jié)作用？為什么？</p><p>　　（1）放大器的放大系數(shù)Kp。</p><p>　　（2）供電電網(wǎng)電壓Ud。</p><p>　　（5）轉速反饋系數(shù)α。</p>

22、<p>　　答：1）有。假設Kp減小，則控制電壓減小，則電力電子變換器輸出減小，則電動機轉速下</p><p>　　降；而電動機轉速下降，則反饋電壓減小，則偏差電壓增大，則控制電壓增大，則轉速上升。</p><p><b>　?。?）有。</b></p><p><b>　?。?）沒有。</b></p>

23、;<p>　　直流電動機有哪幾種調速方法？個有什么特點？</p><p>　　答 ：調壓調速，弱磁調速，轉子回路串電阻。</p><p><b>　　體會心得</b></p><p>　　通過這次單閉環(huán)負反饋直流調速系統(tǒng)設計與仿真，我學會了MATLAB及其其中的仿真工具Simulink，對所設計的單閉環(huán)負反饋直流調速系統(tǒng)的階躍信號