【关键字】设计东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真学生：张海松专业：自动化班级学号：指导教师：王立夫设计时间：2012年6月27日东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计任务书专业：自动化班级：509 学生姓名：设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真一、设计实验条件实验设备：PC机二、设计任务直流电机额定电压，额定电枢电流，额定转速，电枢回路总电阻，电感，励磁电阻，励磁电感，互感，，允许过载倍数。
晶闸管装置放大系数：，时间常数：，设计要求：对转速环进行设计，并用Matlab仿真分析其设计结果。
目录绪论--------------------------------------------------------------------------------11.转速单闭环调速系统设计意义-----------------------------12.原系统的动态结构图及稳定性的分析-----------------------22.1 转速负反应单闭环控制系统组成-----------------------22.2 转速负反应单闭环控制系统的工作原理-----------------33.调节器的选择及设计-------------------------------------33.1调节器的选择- --------------------------------------33.2 PI调节器的设计--- ---------------------------------44.Mat lab仿真及结果分析----------------------------------74.1 simulink实现上述直流电机模型-----------------------74.2 参数设置并进行仿真---------------------------------74.3结果分析--------------------------------- ---------155.课设中遇到的问题--------------------------------------166.结束语- ---------------------------------------------17参考文献- ---------------------------------------------17转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真绪论直流电动机由于调速性能好，启动、制动和过载转矩大，便于控制等特点，是许多高性能要求的生产机械的理想电动机。
尽管近年来，以变频器为核心的高性能交流调速技术不断普及，在许多调速要求指标不高的场合下广泛应用，大有取代直流电机调速的势头，然而，直流调速毕竟在理论和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它是交流调速的基础，交流调速的许多思想和方法都源自直流调速。
数字仿真是研究高性能电机控制系统的重要一环。
为了设计出品质优良的电机控制系统，首先要对电机控制系统进行分析和试验。
电机控制系统的数字仿真就是将电机控制系统的数学模型放到计算机上进行试验的技术，以获得研究系统所必须的信息．是一种既经济又安全的试验方法。
本文对单闭环直流电机调速系统的SIMULINK 仿真进行了探讨，着重于模型的搭建以及参数的调试。
1.转速单闭环调速系统设计意义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。
按反应的方式不同可分为转速反应，电流反应，电压反应等。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反应提高稳态精度,而采用比例调节器的负反应调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器.反应控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反应信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。
对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。
要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反应构成转速闭环调节系统。
2.原系统的动态结构图及稳定性的分析2.1 转速负反应单闭环控制系统组成转速反应闭环调速系统是一种基本的反应控制系统，它具有三个基本特征。
一，只用比例放大器的反应控制系统，其被调量仍是有静差的。
二，反应控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
三，系统的精度依赖于给定和反应检测精度。
图2.1是用集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反应闭环控制有静差直流调速系统。
图2.1转速负反应闭环控制有静差直流调速系统原理图ASR是调节器,当其选用P调节器时,就是一个有静差的单闭环调速系统;当其选用PI 调节时,就是一个无静差的调速系统;GT是触发器装置;V是由电力电子器件组成的变换器,其输入接三相(或单相)交流电,输出为可控的直流电压;TG是测速发电机,它与电动机同轴安装。
是给定电位器,通常由一个稳压电源供电,以保证给定信号的精度。
与TG 相串联的电位器是为获得调速负反应系数而设置的一个电位器。
已知测速发电机输出电压与电动机M的转速n成正比,即有,式中为直流永磁式发电机的电动势常数。
假设电位器的分压系数为,则反应电压,式中称为转速负反应系数。
2.2 转速负反应单闭环控制系统的工作原理引入转速负反应信号以后，放大器的输入信号是给定信号和反应信号之差，即得到转速偏差。
经过发达器ASR产生V所需要的控制电压,V的输出则为空空的直流电压,该电压即是直流电动机等效电路的主回路电压,用以控制直流电动机的转速,从而构成转速负反应控制的单闭环直流调速系统。
根据闭环控制规律,当电动机负载增加时，转速n 则降低,反应电压值将减小,偏差将增大,控制电压增大,V输出的直流电压增大,则电动机的转速上升,最终回到原来的运行速度,维持转速恒定。
上述调节过程如下:3.调节器的选择及设计3.1 调节器的选择在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。
动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。
在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反应校正。
串联校正比较简单，也容易实现。
对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID 调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。
PID 调节器中有PD 、PI 和PID 三种类型。
由于PD 调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI 调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，用PID 调节器实现的滞后和超前校正则有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI 调节器。
如图3.1所示。
图3.1比例积分（PI ）调节器线路图3.2 PI 调节器的设计已知系统为不稳定的。
设计PI 调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。
已知参数:直流电机额定电压220V N U =，额定电枢电流136A N I =，额定转速1460rpm N n =，电枢回路总电阻0.5Ωa R =，电感0.012H a L =，励磁电阻240f R =Ω，励磁电感120H f L =，互感 1.8H af L =，0.132Vmin r e C =，允许过载倍数 1.5λ=。
晶闸管装置放大系数：40s K =，时间常数：0.03s l T =，0.18s m T =设计过程:①已知晶闸管放大系数：40s K =②设计反馈系数按给定电位器12V n =*U 对应期望的输出转速1460rpmn =设计反馈系数,有 ③测速发电机反馈电位器的整定④运算放大器放大系数的确定⑤PI 调节器传递函数的确定为了使系统稳定设置PI 调节器，考虑到原始系统中包含了放大系数为P K 的比例调节器，现在换成PI 调节器，它的传递函数应为：式中,n 101p ,R R K C R ==τ为积分时间常数。
⑥系统开环传递函数的确定已知工频电源的平均延迟时间s T s 00167.0=,电磁时间常数,30.0l s T =机电时间常数s T m 18.0=,则系统固有部分的开环传递函数为⑦校正环节将固有特性按0.5=KT 校正成典型I 型系统,取校正环节的时间常数0.142=τ,则校正装置的零点与最大时间常数的极点对消,系统的开环传递函数为之后将看成小惯性群,简化后的小惯性环节时间常数简化后的系统为二阶系统,开环传递函数为二阶系统分别由时间参数和震荡参数表示时,有 参数满足n n 21,2ζωζω==T K 。
按二阶最佳工程参数设计系统时,阻尼比21=ζ,超调量为4.3%=σ,此时将0.03967,07.17p ==T K K 带入上式,得 由0.73801p ==R R K ,0.142n 1==C R τ,选定Ω=K R 400时,计算得 ⑧校正后系统的动态结构图校正后系统的动态结构图如图3.2所示。
图3.2(a) 转速负反馈闭环控制系统的动态结构图图3.2(b) 等效的动态结构图 4.Matlab 仿真及结果分析4.1 simulink 实现上述直流电机模型4.2 参数设置并进行仿真设置:阶跃信号 step1在0~4s 电机空载,即0dl =I ;在4~10s 电机满载,即A I 136dl =。
①取不同的p K 值时有静差系统(比例调节器)的仿真结果:通过仿真结果我们可以看出,4s 之前空载,4s 之后负载,加入负载后电机的转速有所下降,并随p K 增加到一定值之前空载转速和负载转速都在增加,根据电机静差率的公式00n n)-(n s =,得知随p K 增加到一定值之前静差率s 减小,即得出结论,在比例调节器控制的有静差调速系统中,在一定范围内,p K 越大,空载转速和负载转速越大,静差率越小,系统效率越高,系统越稳定,但始终存在静差。
②取不同的p K 和τ值时无静差系统(比例+积分调节器)的仿真结果:通过仿真结果我们可以看出,4s 之前空载,4s 之后负载,加入负载后电机的转速有所下降,但很快回到原速度,过渡时间极短,在τ和p K 保持一定的比例时，系统的性能都相对较好一点，但是当τ比p K 过大时，可能会导致系统不稳定，且调节时间也会相应的增加。
