湖南工程学院课程设计
课程名称运动控制系统
课题名称直流电机不可逆单闭环调速控制系统设计
专业自动化
班级
学号
姓名
指导教师
2013年12 月21 日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称：运动控制系统
题目：直流电机不可逆单闭环调速控制系统设计
专业
学生姓名：学号：
指导老师：
审批：
任务书下达日期2013年12月10 日
设计完成日期2013年12月21日
目录
第一章.概述 (1)
第二章调速控制系统的性能指标 (2)
2.1 直流电动机工作原理 (2)
2.2 电动机调速指标 (2)
2.3 直流电动机的调速 (3)
2.4 直流电机的机械特性 (3)
第三章单闭环直流电动机系统 (5)
3.1 V-M系统简介 (5)
3.2 闭环调速系统的组成及静特性 (5)
3.3反馈控制规律 (6)
3.4 主要部件 (7)
3.5 稳定条件 (9)
3.6 稳态抗扰误差分析 (11)
第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真 (12)
4.1 参数设计 (12)
4.2 参数计算及MATLAB仿真 (13)
第五章总结 (22)
（电路总设计图、评分表附后）
第一章概述
电动机是用来是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。
单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们可以通过改变晶闸管的控制角来调节转速，本文就单闭环直流调速系统的设计及仿真做以下介绍。
第二章调速控制系统的性能指标
2.1直流电动机工作原理
一、直流电机的构成
(1)定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； (2)转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴； (3)气隙
二、直流电机的励磁方式
按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。直流电动机中，在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的生产方向旋转时，电机向负载输出机械功率。
2.2 电动机调速指标
稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而且在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。
动态性能指标:主要是平稳性和抗干扰能力。
（1）调速范围：生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax 与最低转速Nmin 之比称为调速范围，用D 表示。即 D=
m in
m ax
N N （2）静差率：调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落n 与理想转速n 0 之比，用s 表示，即
s=
n n ??100%=
?-0
0n n
n 100% （3）调速方向:指调速后转速比原来的高还是低，有上调和下调之分。
（4）调速的平滑性：它由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。调速可
分为有级调速和无级调速。
2.3 直流电动机的调速
本文以他励直流电动机为例来说明直流电机的调速，他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，在励磁电压f U 的作用下，励磁绕组中通过励磁电流f I ，从而产生磁通φ。在电枢电压a U 的作用下，电枢绕组中通过电枢电流a I 。他励直流电动机的转速公式：
n=
φE C E =φ
E C IR U - 式中U 为他励电动机的电枢电压；I 为电枢电流；E 为电枢电动势；R 为电枢回路的总电阻；n 为电机的转速；φ为励磁磁通；E C 为由电机结构决定的电动势系数。
他励电机的调速方式有三种：电枢回路串电阻的变电阻调速、改变电枢电压的变电压调速、减小气隙磁通量的弱磁调速。在实际应用中，我们通常采用变电压调速.
2.4 直流电机的机械特性
他励直流电动机中转速和转矩之间的关系为
n=
T n n n T C C R C U T E a
E a γφφ-=?-=-002
式中0n 为电动机的理想空载转速，其值为φE a
C U n =
0,
γ是机械特性的斜率，n ?是转速差。他励直流电机的固有特性曲线如图所示：
第三章单闭环直流电动机系统
3.1 Ｖ－Ｍ系统简介
晶闸管－电动机调速系统（简称V-M 系统），其简单原理图如下：
图中ＶＴ是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或者更多相，半波、全波、半控、全控等类型。
优点:通过调节触发装置ＧＴ的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。
缺点：１、由于晶闸管的单相导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
2、元件对过电压、过电流以及过高的
dt du 和dt
di
都十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能使元件在短时间内损坏，因此必须有保护装置和散热条件。
3.2 闭环调速系统的组成及静特性
转速反馈控制的闭环调速系统，其原理图如下：
a 、忽略各种非线性因素，假定各环节的输入输出都是 线性的。
b 、假定只工作在系统开环机械特性的连续段。
c 、忽略直流电机和电位器的内阻。
电压比较环节：n n
n U U U -=?*
放大器：n p c U K U ?=（p K --放大器的电压放大系数） 晶闸管整流与触发装置：c s d U K U =0（s K -晶闸管整流与触发装 置的电压放大系数） V-M 系统开环机械特性：e
d d C R
I U n -=
0 测速发电机：n U tg α=（α-测速反馈系数，单位为r V min/） 因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式为
)
1()
1()
/1(K C R
I K C U K K C K K C R
I U K K n e d e n
s p e s p e d n s p +-
+=
+-=
*
*
α
式中e s p C K K K /α=为闭环系统的开环放大系数，这里是以
U n C e
=1作为电动机
环节的放大系数的。
静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结 构图如图所示:
3.3 反馈控制规律
从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数k 对系统的稳定性影响很大，k 值越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广，即k 越大，稳态性能就越好，然而，设计的放大器为比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为)
1(K C RI n e d
d +=?，只有∞
=K 时其值为0，而这是不可能的。
3.4 主要部件
1、比例放大器：运算放大器用做比例放大器，图为调节器的原理图及输出特
性：
in U 和ex U 为放大器的输入和输出电压，cef R 为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响，放大系数为:
1
R R U U K in ex p ==
2、比例积分放大器
在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高，中，底三个频段，频段的界限是大致的，一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI 调节器，采用运算放大器的PI 调节器如图所示.
s s K s K s U s U s W pi pi in cs pi τττ1
1)()()(+=+==
1
R R K pi =
--PI 调节器比例放大部分的放大系数；
C R 0=τ--PI 调节器的积分时间常数； 此传递函数也可以写成如下形式：
s
s K s s s W pi pi 11
11
1)(ττττ+=+=
式中111C R K pi +=ττ--PI 调节器的超前时间常数。
在零初始状态和阶跃输入下，PI 调节器输出电压的时间特性如图所示
将P 调节器换成PI 调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为
s
K s K s W K p pi pi p ττ1)(1
+=
由图可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用，但是小于稳定性能指标所要求的比例放大系数。因为快速性被压低了。换来稳定性的保证。
作为控制器，比利积分调节器兼顾了快速影响和消除静差两方面的要求：作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。
2、额定励磁下直流电动机
E dt
dI L
RI U d
d d ++=0（主电路、假定电流连续） n C E
e =（额定励磁下的感应电动势）
dt
dn
GD T T L e ?
=-3752（牛顿力学定律，忽略粘性摩擦） d m e I C T =（额定励磁下的电磁转矩）
式中L T 包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm ；
2GD 为电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转
矩，单位为2Nm ；
e m C C π
30
=
为电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为A Nm /
定义下列时间常数：
R
L
T f =
--电枢回路电磁时间常数，单位为s; m e m C C GD T 3752
=
--电力拖动机电时间常数，单位为s; 得电压与电流间的传递函数：
1/)()()(0+=-s I R
I s E s U s I f d d
电流与电动势间的传递函数：
s
T R
s I s I s E m df d =-)()()(
额定励磁下直流电动机的动态结构图如图所示：
3.5 稳定条件
反馈控制闭环调速系统的特征方程为
0111)(13
=++++++++s K
T T K T T T s K T T T s m s f m s
f m 稳定条件为
0111)(>+-++?++K
T T T K T T K T T T s
f m s m s f m
整理后的
s
f s s f m T T T T T T K 2
)(++<
上式右边称作系统的临界放大系数，K 值超出此值，系统就不稳定，根据上面的分析可知，可能出现的系统的临界放大系数都比系统稳态时的放大系数要小，不能同时满足稳态性能指标，又保证稳定和稳态裕度，为此必须设置合适的校正装置，才能达到要求。
3.6 稳态抗扰误差分析
1、比例控制时的稳态抗扰误差
采用比例调节的闭环控制有静差调速系统的动态结构图为
当0=*
n U 时，
之扰动输入量dl I ，这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差n ?，其计算公式为：)1()1)(1()1)(1()
()(20
lim
lim K C R
I K s T s T T s T s T s T C R
s I s n s n e dl m f m s l s e df s s +=++++++-=?=?→→
这和静特性分析的结果完全一致。
2、积分控制时的稳态抗扰误差
采用积分调节的闭环控制的动态结构图为：
突加负载时s I s I dl
dl =
)(，于是e
s
m l m s l s e
dl C K s T s T T s T s s T s T C R
I s n αττ++++++?-
=?)1)(1()1)(1()(2
负载扰动引起的稳态速差为：
lim
lim 0
)()(→→=?=?s s s n s s n e
s
m l m s l s e
dl C K s T s T T s T s s T s T C R
I α
ττ++++++?-
)1)(1()1)(1(2
=0
可见积分控制的调速系统是无静差的。 3、比例积分控制时的稳态抗扰误差
比例积分控制的闭环系统的动态结构图为
则稳态速差为：
lim
lim 0
)()(→→=?=?s s s n s s n )
1()1)(1()1)(1(2
+++++++?-
s K C K s T s T T s T s s T s T s C R
I pi e
s m f m s f s e
dl ταττ 4、稳态抗扰误差与系统结构的关系
就其性能来说，比例控制是有静差的，而积分控制和比例积分控制都没有静差，所以只要调节器中有积分成分，系统就是无静差的。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前有积分环节，则外扰动不会引起稳态误差。
第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真
4.1 参数设计
一、设计任务
对某直流拖动系统进行参数计算、建立其Matlab 模型，并进行稳定性分析，根据系统要求用Matlab 软件工具对系统进行动态校正即作调节器设计。
已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M 系统）的动态结构如图所示：
图中直流电机的参数：nom P =2.2KW ，nom n =1500r/min ，nom I =12.5A ，nom U =220V ，电枢电阻a R =1Ω，V-M 系统主回路总电阻R=2.9Ω，V-M 系统电枢回路总电感L=40mH ，拖动系统运动部分飞轮力矩2GD =1.52m N ?，测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi 型，整流触发装置的放大系数s K =44，三相桥平均失控时间
s T =0.00167s 。
二、设计要求
生产机械要求调速范围D=15，静差率s ≤5%，若U*n=10V 时，
n=nnom=1500r/min ，校正后相角稳定裕度γ=45o ，剪切频率ωc ≥35.0rad/s ，超调量σ≤30%，调节时间ts ≤0.1s 。
4.2 参数计算及MATLAB 仿真
一、稳态参数计算
1、计算满足系统调速范围与静差率要求的闭环系统开
环放大系数K 。
（1）、额定磁通下的电机电动势转速比e C
1383
.015001
5.12220=?-=-=
nom a nom nom e n R I U C
（2）、满足系统调速范围与静差率要求的闭环系统稳态速降
min /2632.5)
05.01(1505
.01500)1(r s D s n n nom cl =-?=-=
?
（3）、开环系统稳态速降op n ?
min /1114.2621383
.09
.25.12r C R I n e nom op =?==
? （4）、根据自动控制理论有
1-??=
cl
op n n K =
8008.482632
.51114
.262=
即满足系统调速范围与静差率要求的闭环系统开
环放大系数 K=48.8008
2、计算系统测速反馈系数α，nom
n
n U =
α 对单闭环调速系统有静差结构图如图所示:
根据自动控制理论有如下方程组。
n n U K U ??=式中:e
s p C K K K α
=
n n n U U U ?=-*
代入已知条件，得
n n U U ??=8008.48 n n U U ?=-10
解次方程组得t K r V =?=min/0065.0α
3、计算比例调节器的放大系数p K
根据自动控制理论，闭环系统的开环放大系数K 、测速反馈系数α、电机电动势转速比e C 与放大系数p K 之间满足关系式：e
s p C K K K α
=代入计算得
5984
.23=p K
4、计算参数a T 与m T 。
（1）、电枢回路电磁时间常数R
L T a =
mH L 40=Ω=9.2R 代入计算的s T a 0138.0=
（2）、系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数m e m C C R
GD T 3752=
代入数据计算得s T m 0635.0=
5、绘制带参数单闭环调速系统的Simulink 动态结构图。 下图即为模型mx1501.mdl,图中
=
0.0065V.min/r .
6、计算闭环系统临界开环放大系数。
根据自动控制理论的代数稳定判据，系统稳定的充要条件为s a s s a m T T T T T T K 2
)(++<，
其临界开环放大系数s
a s s a m cr T T T T T T K 2
)(++<
00167.0;0138.0;0635.0===s a m T T T 代入计算得闭环系统临界开环放大系数为7464.42=cr K 。
二、稳定性分析
双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验 魏小景张晓娇刘姣 （自动化0602班） 摘要：采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计，选择调节器结构，进行参数的计算和校验;给出系统动态结构图，建立起动、抗负载扰动的Matlab Simulink 仿真模型.分析系统起动的转速和电流的仿真波形 ,并进行调试 ,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善。 关键词:双闭环调速系统;调节器;Matlab Simulink建模仿真 1.引言 双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器。调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab/Sim-ulink进行仿真。 2.基本原理和系统建模 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环,这样就形了转速、 图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图
郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日
电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要
目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 -
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个
课程设计(综合实验)报告 ( 2011-- 2012 年度第二学期) 名称：过程计算机控制系统 题目：DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控制与计算机工程学院 班级： 学号： 学生： 指导教师：朱耀春 设计周数：一周 成绩：
日期：2012 年 6 月20 日
一、 课程设计的目的与要求 1.设计目的 在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC 直接数字闭环控制的仿真加深对课程容的理解。 2.设计要求 本次课程设计通过多人合作完成DDC 直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D 、D/A 转换模块的使用。通过手动编写PID 运算式掌握数字PID 控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握DDC 单回路控制程序编制及调试方法。 二、 设计正文 1.设计思想 本课程设计利用Turboc2.1开发环境，通过手动编写C 语言程序完成PID 控制器的设计，A/D 、D/A 转换，绘出PID 阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了PID 配置模块，PLCD-780定时采样、定时输出模块，PID 手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。 设计中，通过设定合理的PID 参数，控制PLCD-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。 2. 设计步骤 （1）前期准备工作 (1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不使用无直接I/O 能力的NT 或XP 系统), 装Turbo C 2.0/3.0集成开发环境软件； (1.2)配备模拟计算机一台(XMN-1型), 通用数据采集控制板一块（PLCD-780型）； (1.3)复习Turboc2.0并参照说明书学习PLCD-780的使用 （2） PID 的设计 (2.1)PID 的离散化 理想微分PID 算法的传递函数形式为：??? ? ??++=s T s T K s G d i p 11)( 采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0]; 其中各项系数为： q0=kp*(1+T/Ti+Td/T); q1=-kp*(1+2*Td/T);
第十七单元 晶闸管直流调速系统 第二节 单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。 转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。 ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。 1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。 n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ?+=+-=+-=0)(φ φφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降， 而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。 转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为： T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U ↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。 图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。
图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。 假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。 当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。 但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落，转速反馈电压Ufn就相应减小，使偏差电压△U增加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器的输出电压Ud0由Ud01变为Ud02，使系统工作在随线②机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线②机械特性的B点上。 同理随着负载电流增加为Id3，Id4，经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作在曲线③④机械特性上，稳定在曲线③④机械特性的C，D点上。 将A，B，C，D点连接起来的ABCD直线就是闭环系统的静特性。 由图可见，静特性的硬度比开环机械特性硬，转速降Δn要小。闭环系统静特性和开环机械特性虽然都表示电动机的转速-电流(或转矩)关系，但两者是不同的，闭环静特性是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)的静态关系，它只是闭环系统调节作用的结果，是在每条机械特性上取一个相应的工作点，只能表示静态关系，不能反映动态过程。 当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降，然后随着Ud01升高为Ud02，转速n再回升到B点稳定运行，整个动态过程不是沿着静特性AB直线变化的。 2．转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说，转速给定电压不变时，除了上面分析负载变化所引起的电动机转速变化外，还有其他许多扰动会引起电动机转速的变化，例如交流电源电压的变化、电动机励磁电流的变化等，所有这些扰动和负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速的影响。也就是说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中的各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流的变化等)对被调量(如转速)的影响都有强烈的抑制作用。但是对于转速负反馈调速系统来说，转速给定电压Ugn的波动和测速发电机的励磁变化引起的转速反馈电压Ufn变化，闭环系统对这种给定量和检测装置的扰动将无能为力。为了使系统有较高的调速精度，必须提高转速给定电源和转速检测装置的精度。
《闭环控制系统》教案分析 一.开环和闭环控制系统的定义分析 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 三.闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系 四.闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结 五.开闭环,自动和手动控制系统的总结 问题研讨1: .人开电灯的控制方式 问提研讨:人打开电灯开关后,不看电灯是否亮不亮,这是一种什么控制? 人打开电灯开关后,要看电灯是否亮不亮,如不亮,要多次开关电灯,甚至检修开关,直到开亮为止,这是一种什么控制? 2.人开汽车 人手握方向盘开汽车是什么控制方式? 人两手离开方向盘去发手机短信,有拐弯时,或有情况时手再扶方向盘,这种开汽车方式是什么控制方式? 问提研讨2: 自动控制系统是否一定是闭环控制? 举例说明之 按照控制的总定义,是否有人参加的控制 系统一定是闭环控制系统?
开环控制系统一定没有检测,反馈回路吗? 水箱水位自动控制系统中,被控对像是水箱吗? 现在有些教材中出现“输出量”的概念,它是什么?它等于被控量吗? 一.开环和闭环控制系统的定义分析 例1. 飞镖（图4-7）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里确定一个希望射中的目标，然后再根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投掷动作，将飞镖掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，取决于飞镖在投掷时的初始状态，即投掷者的投掷水平。 实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 开、闭环控制的定义 能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制的系统，称为闭环控制系统。而不是将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统。系统中将控制的结果反馈回来的部分，称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节，所以有时又称闭环控制系统为
题目(中)直流电机双闭环控制调速 姓名与学号 指导教师 年级与专业
所在学院
目录： 一、电机控制实验目的和要求 (4) 二、双闭环调速控制内容 (4) 三、主要仪器设备和仿真平台 (5) 四、仿真建模步骤及分析 (5) 1．直流电机双闭环调速各模块功能分析 (5) 2.仿真结果分析（转速、转矩改变） (18) 3.转速PI调节器参数对电机运行性能的影响 (24) 4.电流调节器改用PI调节器后的仿真 (27) 5.加入位置闭环后的仿真 (28) 6.速度无超调仿真 (30) 七、实验心得 (32)
一、电机控制实验目的和要求 1、加深对直流电机双闭环PWM调速模型的理解。 2、学会利用MATLAB中的SIMULINK工具进行建模仿真。 3、掌握PI调节器的使用，分析其参数对电机运行性能的影响。 二、双闭环调速控制内容 必做： 1、描述Chopper-Fed DC Motor Drive中每个模块的功能。 2、仿真结果分析：包括转速改变、转矩改变下电机运行性能，并解释相应现象。 3、转速PI调节器参数对电机运行性能的影响。 4、电流调节器改用PI调节器后，对电机运行调速结果的影响。 选做： 5、加入位置闭环 6、速度无超调
三、主要仪器设备和仿真平台 1、MATLAB R2014b 2、Microsoft Officials Word 2016 四、仿真建模步骤及分析 1．直流电机双闭环调速各模块功能分析 参考Matlab自带的直流电机双闭环调速的SIMULINK仿真模型： demo/simulink/simpowersystem/Power Electronics Models/Chopper-Fed DC Motor Drive
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 小调节时间。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
数字化直流电机双闭调速系统 摘要本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性，并且根据直流电动机的基本方程建立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。最后用MATLAB 软件搭建了仿真模型，对调速系统进行了仿真研究。通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态特性，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。 关键词：直流调速；双闭环调速；转速环；电流环；MATLAB 仿真 目录 第1 章绪论 (1) 第2 章课程设计的方案 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 方案选择 (2) 2.3 系统组成总体结构 (4) 第3 章硬件设计 (5) 3.1 单片机控制器 (5) 3.2 接口电路 (5)
3.3 D/A 转换电路 (6) 3.4 触发电路 (6) 3.5 三相整流电路 (7) 3.6 电流检测电路 (7) 3.7 A/D 转换电路 (8) 3.8 转速检测电路 (8) 3.9 键盘显示电路 (9) 第4 章软件设计 (11) 4.1 设计要求 (11) 4.2 电流环的设计 (11) 4.3 转速环的设计 (12) 4.4 闭环动态结构框图设计 (12) 4.5 程序设计 (13) 第5 章系统测试与分析/实验数据及分析 (15) 第6 章课程设计总结 (17) 参考文献 (18) 第1章绪论 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足生产要求，但是因为元件容易老化，在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及标准性得不到保证，甚至出现事故。而如今首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域应用历史悠久。近年来，
双闭环控制系统设计 课程设计报告 电力拖动自动控制系统课程设计 题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级： Z070303 学号： Z07030330 指导教师：姬宣德 日期：2010年03月10日 随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得 到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的 这一缺陷。 双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得 良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以 及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有 必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是 旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic
process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一．课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10
《控制系统设计》课程设计报告 学院：信息工程学院 姓名： 班级：11自动化 学号： 题目：三相异步电动机闭环调速系统设计与实践指导老师： 完成时间：2014年6月20日
目录 摘要............................................................... I 1概述.. (1) 1.1三相异步电动机的调速方法 (2) 1.2调压调速的简介 (3) 1.3课程设计的要求 (5) 2三相异步电动机调压调速系统的组成 (5) 3三相异步电动机调压调速系统的设计和实现 (8) 3.1三相异步电动机调压调速系统的电路 (8) 3.2闭环调速结构图 (10) 3.3 系统各部分参数的计算 (10) 4三相异步电动机调压调速系统的仿真 (13) 4.1MATLAB仿真的介绍 (13) 4.2电路的建模和参数设置........................ 错误！未定义书签。 4.3异步电机调压调速系统仿真模型................ 错误！未定义书签。 4.4仿真效果图 (17) 总结 (22) 参考文献 (23)
摘要 异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点，早期多用于不可拖动。随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可拖动中逐渐得到广泛的应用。实现电机调速有不少方法。研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。 本课程设计介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，并着重讲述了三相异步电动机(M)、测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的简单的工作原理。在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上，设计了异步电动机单闭环调压调速系统的结构原理图。还将调压调速与其他的调速方法相比，所具有的优点以及不足之处。 以转速单闭环调压调速系统为例，电机调速开环控制系统调速范围较小，采用速度作为负反馈的闭环控制系统解决了这个问题,使调速性能得到改善。 最后，经过理论分析建立模型后，基于Matlab语言开发仿真软件，并进行仿真实验，并且对仿真结果进行了一定的分析及改进。 关键词: 调压调速MATLAB三相异步电动机转速调节器
如图所示是JN6201集成电路鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理图完成1~3题。 1.该电路图作为控制系统的控制（处理）部分是IC JN6201，当JN6201集成输出9脚长时间处于高电平，三极管V2处于截止状态，继电器释放，电热丝通电加热。 2.安装好调试时，先将温度传感器Rt1放入37℃水中，调整电位器Rp1，使继电器触点J-2吸合，再将温度传感器Rt2放入39℃水中，调整Rp2，使继电器触点J-2释放。 3.调试时发现，不管电位器Rp1和Rp2怎么调，继电器J 始终吸合，检查电路元器件安装和接线都正确，用万用表测三极管V2集电极电位，在不同的调试状态分别为2.8V 和0V ，可知电路发生故障的原因是（ B ） A.二极管V6内部断路 B.三极管V3内部击穿（短路） C.电阻R4与三极管V3基极虚焊 D.继电器线圈内部短路 如图所示是运算放大器鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理完成4~6题。 4.该电路作为控制系统的输出部分是继电器J 、电热丝等，当电路中集成运放2脚的电位低于3脚的电位，三极管V3处于饱和状态，继电器J 吸合，电热丝通电加热。 上限 V2饱和导通时候Uce 电压降0.2V ，所以留下来给集电极2.8V ，截止时候0V
5.安装好后调试时，将温度传感器Rt 放入39℃水中，调R4，使电压U2=U3，集成运放输出端6脚的电压为0V ，电路实现39℃单点温度控制。 6.调试时发现，将温度传感器Rt 放入高于39℃水中，继电器吸合；将温度传感器Rt 放入低于39℃水中，继电器释放，出现该故障现象的原因可能是（ A ） A.集成运放2脚与3脚接反 B.二极管V4接反 C.电阻R2断路 D.三极管V3损坏 如图所示是晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路，根据该原理图完成7~9题。 7.该电路作为控制系统被控对象的是水箱内的水，水箱的水位从a 点降到b 点的过程中，三极管V1处于饱和状态，三极管V2处于截止状态，继电器触点J-1处于吸合状态。 8.安装调试时，将三个水位探头按图中的高低放入空玻璃杯中，如果电路正常，电路通电后，继电器J 吸合；向玻璃杯中加水，到达a 点时，继电器J 释放；接着将玻璃杯中的水排出，水位降到b 点以上时，继电器J 释放；水位降到b 点以下时，继电器J 吸合。 9.调试时发现，玻璃杯中的水位在b 点以下时，继电器J 就吸合；水位加到b 点，继电器J 就释放。出现该故障现象的原因是（ D ） A.继电器J 没用 B.三极管V1损坏 C.二极管V3接反 D.电路没接J-1触点，b 点直接接到了电阻R1 如图所示是555集成电路组成的水箱水位闭环电子控制系统电路图， (第4~6题) (第7~9题) R4 10k ?R5 4.7k R3 4.7k
实验课题：直流电机调速控制 实验内容： 本实验完成的是一个实现对直流电机转速调节的应用。 编写实验程序，用ADC0809完成模拟信号到数字信号的转换。输入模拟信号有A/D转换单元可调电位器提供的0~5V，将其转换后的数字信号读入累加器，做为控制电机的给定转速。用8255的B口作为直流电机的控制信号输出口，通过对电机转速反馈量的运算，调节控制信号，达到控制电机匀速转动的的作用。并将累加器中给定的转速和当前测量转速显示在屏幕上。再通过LED灯显示出转速的大小变化。 实验目的： （1）学习掌握模/数信号转换的基本原理。 （2）掌握的ADC0809、8255芯片的使用方法。 （3）学习PC系统中扩展简单I/O接口的方法。 （4）了解实现直流电机转速调节的基本方法。 实验要求： 利用微机接口实验系统的硬件资源，运用汇编语言设计实现直流电机的调速控制功能。 基本功能要求：1、利用A/D转换方式实现模拟量给定信号的采样；2、实现PWM方式直流电机速度调节；3、LED灯显示当前直流电机速度状态。 实验设备： （1）硬件要求： PC微机一台、TD-PIT实验系统一套 （2）软件要求：唐都编程软件，tdpit编程软件，“轻松编程”软件 实验原理： 各芯片的功能简介： （1）8255的基本输出接口电路： 并行接口是以数据的字节为单位与I/O设备或被控制对象之间传递信息，CPU 和接口之间的数据传递总是并行的，即可以同时进行传递8位，16位，32位等。8255可编程外围接口芯片是具有A、B、C三个并行接口，+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作：方式0—基本输入/出方式、方式1—选通输入/出方式、方式2—双向选通工作方式。
双闭环直流电机调速系统 摘要： 关键词： 引言：速度和电流双臂环直流调速系统，是由单闭环调速系统发展而来的，调速系统采用比例积分调节器，实现了转速的无静差调速。又采用直流截止负反馈环节，限制了启（制）动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统，基本已能满足要求。但是由于电流截止反馈限制了最大电流，再加上电动机反电动势随着电机转速的上升而增加，使电流达最大值后便迅速将下来。此时，电机的转矩也减小，使启动过程变慢，启动时间较长。 一、双闭环直流调速系统的组成 转速、电流双闭环直流调速系统原理如图 1 所示。系统的组成框图如图2所示。
图1 转速-电流双闭环直流调速系统 图2 转速-电流双闭环直流电机调速系统组成框图 由图可见，该系统由两个反馈构成两个闭环回路，其中一个是由电流调节器ACR和电流检测——反馈环节构成的电流环，另一个是由速度调节器ASR和转速检测——反馈环节构成的速度环。由于速度环包围电流环，因此称电流环为内环，称速度环为外环。在电路中，ASR和ACR实行串级联接，即由ASR去“驱动”ACR，再由ACR去控制“触发电路”。图中ASR和ACR均为PI调节器。ASR、ACR的输入、输出量的极性主要视触发电路对控制电压的要求而定。 （一）直流电机各物理量间的关系 直流电动机的电路图如图3所示。由图可知，直流电动机有两个独立回路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路。
1．电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡关系： 2．电枢回路电压平衡关系 结合以上公式可推出即e e T a e a T K K R K U n ?Φ -Φ= 2 其中，Φ ?= e a K U n 0，称为电机理想空载转速，e e T a T K K R n ?Φ=?2为电机转速降，故 直流电机的调速方法 改变电压调速，采用此方法的特性曲线如下图6所示： 图6 改变U 时的机械曲线特性 3．直流电动机的系统框图 （二）转速调节器与速度调节器—比例积分电路（PI 调节器） PI 调节器的电路原理图如图7所示：
直流电机双闭环系统设计 院系：机电工程学院 班级：电气自动化一班 姓名： 学号： 1 1 0 2 0 3 0 1 4 2 指导教师： 目录
1引言 2调速系统的性能指标 2.1调速系统的稳态指标 2.2调速系统的动态性能指标 2.3系统结构选择 3数字直流电机调速系统的数字PID控制3.1基于单片机控制的直流电机双闭环调速系统3.2 PID调节器的基本原理 4总结与展望 4.1工作总结 4.2研究展 参考文献 直流电机双闭环系统设计摘要
近年来，自动化控制系统在各行业中得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统作为电力拖动系统的主要方式之一，在现代化生产中起着十分重要的作用。随着微电子技术的不断发展，计算机在调速系统中的应用使控制系统得到简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法也都分别在调速系统中得到了灵活。 以单片机为控制核心的数字直流调速系统有着许多优点：由于速度给定和测速采用了数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速的范围，提高了测速控制系统的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件数量大大减少；由于很多功能都是由软件实现的，使硬件得以简化，因此故障率小；单片机以数字信号工作，控制方法灵活便捷，抗干扰能力较强。 关键词：直流电动机；调速；双闭环 1引言 按照拖动的电动机的类型来划分，自动调速系统可以分为直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通的耦合较弱，使直流电动机具有良好的运行性能和控制特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，其在20世纪70年代以来一直在高精度，大调速范围的传动领域内占据主导地位。在要求高起、制动转矩，快速响应和较宽速度调节范围的电气传动领域中，采用直流电动机作为调速系统的执行电机。由于直流电动机具有良好的机械特性和调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内进行平滑调速，过载能力较大，能够承受频繁的冲击负载，可
目录 摘要 0 双闭环流量比值控制系统设计 (1) 1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (1) 2、课程设计使用的设备 (1) 3、比值系数的计算 (2) 4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (2) 5、总结 (6) 6、参考文献 (6)
摘要 在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。 这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克服了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。当然与之成比例的从物料Q2变化也将比较平稳。根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比较频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以及工艺上不允许负荷有较大波动的场合。本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进行双闭环流量比值控制系统设计（包括仪表选型）以及进行比值系数的计算，最后基于WinCC进行监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。
第十七单元晶闸管直流调速系统 第二节单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统得原理如图ｌ7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASＲ、触发器ＣＦ、晶闸管变流器U、测速发电机TG等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n成正比得转速反馈电压Uｆn。 转速给定电压Uｇn与Uｆn比较,其偏差电压ΔＵ=Uｇｎ—Ufｎ送转速调节器ＡSR输入端。 AＳR输出电压作为触发器移相控制电压Uc,从而控制晶闸管变流器输出电压Ud。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环,故称为单闭环调速系统、 1.转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载ＴL时,电动机以给定转速n1稳定运行,此时电枢电流为Id１,对应转速反馈电压为Uｆn1,晶闸管变流器输出电压为Ｕdl。 当电动机负载ＴＬ增加时,电枢电流Ｉd也增加,电枢回路压降增加,电动机转速下降,则Uｆn也相应下降, 而转速给定电压Ugｎ不变,ΔU=Uｇｎ—Ufn增加。 转速调节器ASR输出电压Uc增加,使控制角α减小,晶闸管整流装置输出电压Ud增加,于就是电动机转速便相应自动回升,其调节过程可简述为: T L↑→Id↑→Id(Ｒ∑+Rd)↑→n↓→Ｕfn↓→△U↑→Uc↑→α↓→Ｕd↑→n↑。 图17-41所示为闭环系统静特性与开环机械特性得关系。
图中①②③④曲线就是不同Uｄ之下得开环机械特性。 假设当负载电流为Iｄ1时,电动机运行在曲线①机械特性得Ａ点上、 当负载电流增加为Iｄ2时,在开环系统中由于Ugn不变,晶闸管变流器输出电压Ｕd也不会变,但由于电枢电流Iｄ增加,电枢回路压降增加,电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点,转速只能相应下降、 但在闭环系统中有转速反馈装置,转速稍有降落,转速反馈电压Uｆn就相应减小,使偏差电压△U增加,通过转速调节器ASＲ自动调节,提高晶闸管变流器得输出电压Ud０由Ud01变为Ud02,使系统工作在随线②机械特性上,使电动机转速有所回升,最后稳定在曲线②机械特性得B点上。 同理随着负载电流增加为Iｄ3,Iｄ4,经过转速负反馈闭环系统自动调节作用,相应工作在曲线③④机械特性上,稳定在曲线③④机械特性得C,D点上。 将Ａ,Ｂ,C,Ｄ点连接起来得ＡＢCD直线就就是闭环系统得静特性、 由图可见,静特性得硬度比开环机械特性硬,转速降Δn要小。闭环系统静特性与开环机械特性虽然都表示电动机得转速-电流(或转矩)关系,但两者就是不同得, 闭环静特性就是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)得静态关系,它只就是闭环系统调节作用得结果,就是在每条机械特性上取一个相应得工作点,只能表示静态关系,不能反映动态过程。 当负载突然增加时,如图所示由Idｌ突增到Id2时,转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降,然后随着Ｕd01升高为Ud02,转速n再回升到B点稳定运行,整个动态过程不就是沿着静特性AB直线变化得。 ２.转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说,转速给定电压不变时,除了上面分析负载变化所引起得电动机转速变化外,还有其她许多扰动会引起电动机转速得变化,例如交流电源电压得变化、电动机励磁电流得变化等,所有这些扰动与负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说,可以被转速检测装置检测出来,再通过闭环反馈控制减小它们对转速得影响。也就就是说在闭环系统中,对包围在系统前向通道中得各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流得变化等)对被调量(如转速)得影响都有强烈得抑制作用、但就是对于转速负反馈调速系统来说,转速给定电压Uｇn得波动与测速发电机得励磁变化引起得转速反馈电压Ｕfｎ变化,闭环系统对这种给定量与检测装置得扰动将无能为力。为了使系统有较高得调速精度,必须提高转速给定电源与转速检测装置得精度。