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单闭环不可逆直流调速系统设计1.方案分析与认证1.1转速控制调速指标与要求直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大X围内实现平滑调速，在许多需要调速的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。
为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速X围”和“静差率”。
这两个指标合成调速系统的稳态性能指标。
一个调速系统的调速X围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调X围。
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速，若额定负载下的转速降落为，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即，于是，最低转速为，而调速X围为，将上式的式代入，得，表示变压调速系统的调速X围、静差率和额定速降之间所满足的关系。
晶闸管-电动机系统是开环系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定X围内的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大校场有波动，但是，为了保证共建的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速X围D=20~30，静差率s≤5%。
又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速X围D=3~10时，保证静差率s≤0.2%~0.5%。
在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。
例如，最高转速与最低转速之间的X围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载使得允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。
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)(φφφ 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。
实验八带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试方法及电流截止负反馈的整定。
(3)通过实验，加深理解负反馈原理及转速负反馈电流截止负反馈的在调速系统中的作用。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U Ct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。
电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。
这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压U Ct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。
同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。
当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
1．设控制对象的传递函数为11234()(1)(1)(1)(1)obj K W s T s T s T s T s =++++，式中K 1=2；T 1=；T 2=；T 3=；T 4=。
要求阶跃输入时系统超调量σ%<5%。
用PI 调节器将系统设计成典型I 型系统，试设计调节器参数并计算调节时间t s 。
解：用PI 调节器校正时，调节器传递函数为1()i PI pi i W s K sττ+= 取10.4i T s τ==，并将2T 、3T 、4T 看成小时间常数，令2340.080.0150.0050.1T T T T s s s s =++=++=则按典型I 型系统校正时系统开环传递函数为1111()(1)(1)(1)pi i pi i i K s K K W s K s T s Ts s Ts τττ+==+++ 取112pi iK K K Tτ==，则 10.412220.1ipi K K Tτ===⨯⨯调节时间 660.10.6s t T s s ≈=⨯= 所以PI 调节器的参数0.4i s τ=，1pi K =；调节时间0.6s t s =。
2．画出直流电动机理想启动时的转速、电流与时间的关系曲线。
采用理想启动的目的是什么？如何实现？，（∞）(a)(b)di n ，dmI LI n （∞）图1-30 调速系统启动过程的电流和转速波形t理想启动是使启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间。
工程上常采用转速电流双闭环负反馈调速系统。
启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用。
3．在单闭环转速负反馈调速系统中引入“电流截止负反馈环节”的作用是什么？其中“截止”的含义是什么？转速、电流双闭环调速系统是否也需要引入电流截止负反馈？为什么？ 答：单闭环转速负反馈调速系统不能限制过电流，引入电流截止负反馈可以对电机过载起到保护作用。
电压负反馈单闭环系统05电车1班 20057955 徐剑飞许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。
直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
为了分析控制原理在直流调速系统中的应用，本文对电压负反馈单闭环系统进行了仿真实验。
单闭环调速系统有多种反馈方式，如电压负反馈、转速负反馈等。
电压负反馈在组成和实现上都比较简单实用，本次仿真实验即采用电压负反馈调速系统。
该系统由给定信号、电压调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、电压反馈环节等部分组成。
其仿真模型如图1所示。
电压调节器选用PI调节器，取自电力系统模块库下的附加离散控制模块组。
如图所示为电压负反馈单闭环系统仿真模型图，其中，输入电压为220V，50HZ；给定输入为30，负载给定为50；其它参数设置:PI调节器相关参数为K p=10,K i=400,上下限为[130 -130]，电压反馈系数为0.05。
仿真算法采用ode23t。
仿真结果如图6所示。
闭环调速系统由于增加了反馈环节，其机械特性较开环系统硬得多，负载扰动引起的稳态速降减小为开环系统的1/（1+K）。
图8即为电压负反馈调速系统在2.7 秒突加负载（给定信号加倍）时的转速降落曲线，从图上可以看出，电压负反馈调速系统的稳态速降较小，转速变化较小。
图1 电压负反馈单闭环系统仿真模型图图2 同步脉冲触发器和封装后的子系统模块电机参数设置如下图所示，系统的需要，选用30HP 240V 1750RPM Field:300V的电机进行模拟实验，起始转速设置为0。
图3 所用直流电动机参数设置图4 PI调节器参数设置图图5 平波电抗器参数设置图6 仿真实验输出n、If、Ia、Te波形图图7 整流器输出电压波形在2.75s时，人为的改变负载，将电机负载改为原负载的2倍，由下图，我们可以看到，在负载改变时，电机的转速n、电枢电流Ia、转矩Te均发生了改变。
目录摘要 (2)1主电路的设计 (2)1.1变压器参数的设计与计算 (2)1.2平波电抗器参数的设计与计算 (3)1.3晶闸管元件参数的计算 (4)1.4保护电路的设计 (4)2反馈调速及控制系统 (5)2.1闭环调速控制系统 (5)2.2带电流截止负反馈闭环控制系统 (5)2.3调节器设定 (9)2.4控制及驱动电路设计 (10)3参数计算 (11)3.1基本参数计算 (11)3.2电流截止负反馈环节参数计算与设计 (13)3.3调节器的参数设计与计算 (14)3.4调节器串联校正设计 (17)4总电气图 (18)5心得体会 (20)参考资料 (20)带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。
在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。
本次课设就带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统进行参数的设计。
1主电路的设计1.1变压器参数的设计与计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=N sh Td I I CU A nU U U 2min max cos αβVU C I I U A n V U V U Nsh T d 110)105.05.09848.0(9.034.2122205.0105.0109.034.221,220222min max =⨯⨯-⨯⨯+==========则取已知αβ因此变压器的变比近似为：45.311038021===U U K 一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算 I 1=1.05×287×0.861/3.45=75A I 2=0.861×287=247A 变压器容量的计算S 1=m 1U 1I 1=3×380×75=85.5kVA S 2=m 2U 2I 2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S 1+S 2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA1.2平波电抗器参数的设计与计算U d =2.34U 2cos αU d =U N =220V, 取α=0° U 2=V U d 0171.9434.22200cos 34.2==I dmin =(5%-10%)I N ,这里取10% 则 L=0.693mH I U d 2308.375.171.00171.94693.0min 2=⨯⨯=⨯0067.0150010*===N nm n U α1.3晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM和反向重复峰值电压U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。
单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真学院：姓名：学号：时间：目录一、课题要求.............................................................................................................................. - 1 -1．设计题目........................................................................................................................ - 1 - 2．设计内容........................................................................................................................ - 1 - 3．设计要求........................................................................................................................ - 1 -4 . 控制对象参数................................................................................................................ - 1 -二、设计方案.............................................................................................................................. - 2 -1、概述................................................................................................................................ - 2 -2、电压负反馈直流调速系统的原理................................................................................ - 2 -三、参数计算.............................................................................................................................. - 3 -四、单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型.......................................................................... - 4 -1. 单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型的建立......................................................... - 4 -2.开环带扰动无电压负反馈调速系统的仿真结果........................................................... - 5 -3. 单闭环不带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果..................................................... - 5 -4. 单闭环带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果......................................................... - 6 -五、实训心得：.......................................................................................................................... - 8 -一、课题要求1．设计题目5) 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真2．设计内容（1）设计系统各单元电路和主控电路；（2）分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数，调试各单元电路；（3）系统性能分析与程序设计；（4）系统校正，修正系统静、动态性能。
3．设计要求（1）初步掌握控制系统的分析和设计的基本方法。
包括设计任务，进行计题目的方案论证。
通过调查研究、设计计算，确定方案，写出总结报告。
（2）培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。
包括学会自己分析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找答案。
（3）通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生在实际工作中应具有的生产观点，经济观点和全局观点4 . 控制对象参数直流调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ=1.5;电枢回路总电阻:R=0.5Ω,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N〃m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s 。
二、设计方案1、概述直流调速系统中最基本的形式是目前广泛应用的晶闸管直流调速系统，采用直流测速发电机作为转速检测元件，实现转速的闭环控制，再加上一些积分与校正的方法，可以获得比较满意的静动态性能。
然而，在实际应用中，其安装与维护都比较麻烦，常常是系统安装中可靠性的薄弱环节。
此时，可用电动机端电压负反馈取代转速负反馈，构成电压负反馈调速系统。
但这种系统只能维持电动机端电压恒定，而对电动机电枢电压降引起的静态速降不能予以抑制，因此系统静特性较差，只适用于对精度要求不高的调速系统。
2、电压负反馈直流调速系统的原理电压负反馈直流调速系统的原理图如图2-1所示，图中作为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器。
电压反馈信号为d u U U γ=式中Uu —电压反馈信号（∨）；γ—电压反馈系数。
图2-1 电压负反馈直流调速系统的原理图这种系统对电动机电枢电阻Ra 引起静态速降，电压负反馈不能对它起抑制作用，故必须把主回路总电阻R 分成两部分R=Rr+Ra ，Rr 为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），因而有以下两个关系式：d r d U R I U =-0dE R I U a d d =-通过绘制结构图和利用叠加原理和结构图运算规则，导出电压负反馈直流调速系统的静特性方程如下：d e a d e r e n S P I C R I K C R K C U K K n -+-+=)1()1(*式中，K=γk P K S 。
从静特性方程可见，与开环系统相比较，电压负反馈作用使整流装置内阻Rr 引起的静态速降减小到开环时的1/（1+K ）,但由于电枢电阻引起的速降I d Ra/C e 和开环时相同，这一点从结构图上也可以明显看出，因为电压负反馈系统实际上只是一个自动调压系统，扰动量I d Ra 不被反馈环包围，电压负反馈系统对由它引起的速降也就无法克服了。
这是电压负反馈系统调速性能指标差的一个重要原因，在电压负反馈调速系统中引入电流正反馈可提高系统的稳态性能指标。
三、参数计算计算电力拖动系统机电时间常数m Ta N N e N R I n C U +=带入数据得r V C e min/132.0=;A Nm C C e m /26.130==π; 所以s C C R GD T me m 18.03752== 575.71=eC 调节器参数计算：如果将电压反馈环校正为典I 系统，调节器选用积分调节器s τ1，由)1(11)(+=+=TS S K S T K s s W S S τ 和%5≤σ得5.01==S S T K KT τ所以136.0=τ35.71=τ由于纯积分环节调节缓慢，所以考虑在此基础上采用比例积分调节器，且KP=1;电磁时间常数： 03.05.010153=⨯==-R l T l 电压反馈系数026.0)2.0136220(5≈⨯-÷=γ（U n *=5V ）四、单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型1. 单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型的建立图4-1单闭环电压负反馈调速系统的仿真模型2.开环带扰动无电压负反馈调速系统的仿真结果图4-2开环带扰动转速波形（扰动在2s后加上）由图可知，在电机启动2s后加入负载干扰，电机转速有原来的1460r/min 下降到1000r/min，电机抗扰能力较差。
3. 单闭环不带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果（1）转速仿真波形图4-3转速仿真波形4. 单闭环带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果（1）转速仿真波形图4-4转速仿真波形由单闭环不带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果和单闭环带扰动电压负反馈调速系统的仿真结果可以看出，在加入扰动后转速下降到1255r/min ，与开环控制的系统相比较，转速下降相对较小些，这是因为电压负反馈作用使整流装置内阻Rr 引起的静态速降减小到开环时的1/（1+K ），其中K=γk P K S 。
这与开环相比较，电压负反馈的抗扰性能相对较好。
（2）电枢电压Ud 的仿真波形由仿真波形可以看出，电机在启动过程中电压无超调，这样对设备保护有好处；电机在2s 加上额定负载扰动后，电枢电压迅速上升到额定电压220v 左右，增强带载能力。
图4-5 电枢电压Ud的仿真波形（3）电枢电流Id的仿真波形由仿真波形可以看出，电机在启动过程中，电枢电流Id从0迅速上升到246A，在电机启动结束进入稳态运行时，电流下降到很小，电流的超调，加快电机的启动；在2s加上额定负载扰动，电机为克服扰动，使电流上升到额定电流136A。
图4-6电枢电流Id的仿真波形五、实训心得：这次的实训是基于我们学习交、直流调速系统运用matlab软件进行系统仿真。
完成本次实训，我们大致分四步走，第一步，根据课题所给参数和各项指标计算并确定各项参数。
针对我的选题，这一步我需要理解电压负反馈的原理，需要掌握电压负反馈系统的设计方法，需要学习建立电动机和系统的动态模型。
