摘要

反饋控制系統的規律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環內前向通道上的擾動作用，反饋閉環控制系統對于被負反饋環包圍的前向通道上的一切擾動(Kp變化、電網波動、電阻變化、勵磁變化)都能有效的加以抑制；另一方面，則緊緊的跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。反饋控制系統緊緊跟隨給定作用是對給定信號(給定穩壓電源Un、反饋量檢測元件精度a)的任何變化唯命是從。

速度調節及抗負載和電網擾動，采用電壓內環的三PI調節器，可獲得良好的動靜態效果。為保證快速性，電壓環采用比例調節器。電流環校正成典型Ⅰ型系統。為使系統在階躍擾動時無穩態誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環設計設計成典型Ⅱ型系統。根據轉速、電流雙閉環調速系統的設計方法，用Simulink做了帶電流補償的電壓負反饋直流調速系統進行仿真綜合，分析系統的動態性能，并進行校正，得出正確的仿真波形。

在直流調速系統中，轉速、電流雙閉環直流調速系統是應用最廣的直流調速系統，傳統的設計方法為工程設計方法，它對被控對象的模型做了理想化和近似處理，故工程設計方法是一種近似的設計，而對一些高性能系統要求起制動超調小、動態速降小、恢復時間短，則需采用更為先進的控制策略。本文對三閉環直流調速系統進行設計并仿真。仿真結果表明：電壓內環的三閉環調節器使能系統具有更好的調節品質，具有更強的魯棒性和抗干擾能力。

為了獲取良好的靜、動態性能，電壓、轉速和電流調節器一般都采用PI調節器，文中設計了兩個調節器輸入輸出電壓均標出實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。還有調節器的輸出都是帶限幅作用的，限制電壓決定了它們的輸出最大值。

本文通過對帶電壓內環的三閉環直流調速系統各參數的計算，設計出系統的MATLAB仿真模型，通過仿真可以看到，系統可以實現調速、擾動等功能。

目??錄

第一章 設計任務

一、 設計目的

二、 設計內容

三、 實驗(設計)儀器設備和材料清單

四、 設計要求

1． 技術參數

2． 設計要求

3． 電機拖動控制系統設計與仿真

第二章 理論設計

一、 方案論證

二、 系統設計

1． 電壓調節器設計

(1) 選擇電壓調節器結構

(2) 計算電壓調節器參數

2． 電流調節器設計

(1) 選擇電流調節器結構

(2) 計算電流調節器參數

3． 轉速調節器設計

(1) 選擇轉速調節器結構

(2) 計算轉速調節器參數

三、 近似校驗條件：

第三章 系統建模及仿真實驗

一、 MATLAB仿真軟件介紹

二、 仿真建模及實驗

1． 雙閉環仿真實驗

2． 三閉環仿真實驗

第四章 結論與心得體會

一、 結論

二、 心得體會

第五章 參考文獻

第1章??設計任務

自擬控制系統性能指標的要求，調速范圍、超調量、動態速降、調節時間、抗擾性能等。設計系統原理圖，電流環的設計，轉速環設計、電壓內環設計，完成元器件的選擇，計算選擇合理調節器參數，并進行仿真或實驗驗證系統合理性。1、設計目的

1．通過對一個實用的帶電壓內環的三環直流調速系統的設計、安裝、調試來綜合運用科學理論知識，提高學生工程意識和實踐技能，達到素質和創新能力進一步提升，使學生獲得控制技術工程的基本訓練。

2．通過系統建模和仿真，掌握用MATLAB / Simulink工具分析設計直流電動機速度控制系統的方法。

3．進一步掌握各種直流調速系統的性能，尤其是動態性能。2、設計內容理論設計：根據所學的理論知識和實踐技能，了解帶電壓內環的基本原理，解決積分調節器的飽和非線性問題；采用工程設計方法設計一個帶電壓內環的三環直流調速系統(含主電路和控制電路,選擇的元器件，系統的電氣原理圖)。

2．仿真實踐：根據所設計系統，利用MATLAB/Simulink建立各個組成部分相應的數學模型，并對系統仿真模型進行綜合調試，分析系統的動態性能，并進行校正，得出正確的仿真實驗波形和合適控制器參數，為搭建實際系統提供參考。3、實驗(設計)儀器設備和材料清單

微型計算機及MATLAB仿真軟件??1套4、設計要求1．技術參數

⑴ 直流電動機：額定功率3KW，額定電壓220V，額定電流17.5A，GD2=5.3Nm

額定轉速1980r/min，Ce=0.13Vmin/r，允許過載倍數λ=1.5；

⑵ 晶閘管裝置放大系數：KS=33；

⑶ 電樞回路總電阻：Ra=1.25Ω, Rrec=0.3Ω,RL=0.25Ω；L=180 mH

⑷ 時間常數：機電時間常數 Tm=0.162s，電磁時間常數：TL =0.1s

⑸ 電流反饋系數：β =0.36V/A(10V/Inom ～10V/1.5Inom)；

⑹ 轉速反饋系數：α=0.0067Vmin/r(10V/nnom ～10V/1.5nnom)；

⑺ 反饋濾波時間常數:Ton=0.02s，Toi=0.002s；

其它未盡參數可參閱教材中“工程設計方法舉例”的有關數據。2．設計要求

⑴　調速范圍D=10，靜差率S ≤ 5％；穩態無靜差，電流超調量 σi ≤ 5%,電流脈動系數Si ≤ 10％；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量 σn≤ 10％，空載起動到額定轉速時的過渡過程時間ts ≤ 0.5s。

⑵　系統具有過流、過壓、過載和缺相保護。

⑶　觸發脈沖有故障封鎖能力。

⑷　對拖動系統設置給定積分器。3．電機拖動控制系統設計與仿真

根據所提供電動機參數，畫出帶電壓內環的三環直流調速系統結構圖，根據電流超調量、轉速超調量、電流變化率等指標，用工程設計方法決定轉速調節器、電流調節器、電壓調節器結構和參數，并對該調速系統進行simulink仿真。

第2章??理論設計1、方案論證

系統設計理論

按照設計多環控制系統先內環后外環的一般原則，從內環開始，逐步向外擴展設計原則(本課題設計先設計電壓、電流內環，后設計轉速外環)。

在三閉環系統中應該首先設計電流調節器，然后把整個電壓、電流環看作轉速調節系統中的一個內環節，再設計轉速調節器。這樣的系統能夠實現良好的靜態和穩態性能，結構簡單，工作可靠，設計和調試方便，達到本課程設計的要求。2、系統設計1．電壓調節器設計

電壓調節器的作用：

將生產過程參數的測量值與給定值進行比較，得出偏差后根據一定的調節規律產生輸出信號推動執行器消除偏差量，使該參數保持在給定值附近或按預定規律變化的控制器。(1)選擇電壓調節器結構

圖 1 電壓調節器結構

多閉環調速系統工程“最佳”設計，是從內環到外環逐環進行處理與設計的。電壓內環的三閉環調速系統應首先從電壓內環開始設計。假設在電壓反饋回路中已用微分超前網絡抵消了濾波滯后作用的影響，即設計微分超前時間常數剛好等于濾波時間常數。這樣電壓反饋環節變成一個放大系數γ的比例環節，并假設在電壓調節器給定輸入回路中設置濾波環節，補償了動態結構圖中微分超前因子(

)。這兩種假定在工程上是常用的，也不難實現。

電壓內環為一個小慣性和一個大慣性環節相串聯的雙慣性型系統。從工程“最佳”設計原理出發，把電壓內環校正設計為典型Ⅰ系統，則應選用比例積分(PI)調節器。(2)計算電壓調節器參數

電壓調節器工程“最佳”參數計算如下：

1.55?

180*

/1.25=0.144 S

=0.116 S

電壓反饋系數γ=0.037

積分時間常數

0.1178

因為

故可得放大系數

=0.116*1.55/(2*0.0017*33*0.037*1.25)=35

這樣，AVR的傳遞函數為：

=35(0.016S+1)/0.116S

0.0017+0.002=0.0037 S

電壓內環傳遞函數為：

2．電流調節器設計

電流調節器作用：跟隨作用─作為內環的調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用使電流緊緊跟隨其給定電壓(即外環調節器的輸出量)變化。

抗擾作用─對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。

加快動態過程─在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。

過流自動保護作用─當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的。(1)選擇電流調節器結構

圖 2 電流調節器結構

ACR的作用：使轉速n跟隨給定電壓

變化，穩態無靜差。

對負載變化起抗擾作用。

其輸出限幅值

由最大電流

決定，

(2)計算電流調節器參數

電流調節器采用PI調節器，參數設置如下：

令

,將調節器設計為典型Ⅰ系統

=1.65

小慣性環節近似處理

由于

和

一般都比

小的多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環節，其時間常數為

3．轉速調節器設計

轉速調節器的作用：速度調節─它使轉速n很快的跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。

抗擾作用─對負載變化起抗擾作用。

限制電機最大電流─其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。(1)選擇轉速調節器結構

圖 3 轉速調節器結構

ACR的作用：對電網電壓波動起及時抗擾作用。

起動時保證獲得允許的最大電流

。

在轉速調節過程中，使電流跟隨其給定電壓

變化。(2)計算轉速調節器參數

轉速的超調與動態降速均可由抗擾指標衡量，而抗擾指標以典型Ⅱ系統為佳，因此轉速調節器采用PI調節器，按典型Ⅱ系統設計，取h=

轉速調節器為：

2*0.0037+0.02=0.0274

4*0.0274=0.1096

=16.653、近似校驗條件：

式中，

─轉速環開環頻率特性特的截止頻率

第3章系統建模及仿真實驗1、MATLAB仿真軟件介紹

Simulink是MATLAB軟件的擴展，它是實現動態系統建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區別在于，其與用戶交接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多精力投入到系統模型的構建，而非語言的編程上。

Simulink可以處理的系統包括線性、非線性系統；離散、連續及混合系統；單任務、多任務離散事件系統。它是MATLAB的進一步擴展，不但實現了可視化的動態仿真，也實現了C、FORTRAN，甚至和硬件之間的相互數據傳輸，大大擴展了它的功能。

在Simulink提供的圖形用戶界面(GUI)上，只要進行鼠標簡單拖拉操作，就可構造出復雜仿真模型。外表以方框圖形呈現，且采用分層結構。從建模角度講，這既適于自上而下的設計流程，又適于自下而上逆流程設計。從研究分析角度講，這種Simulink模型不僅能讓用戶知道具體環節的動態細節，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統、各系統間信息交換，掌握各部分之間的交互影響。2、仿真建模及實驗1．雙閉環仿真實驗

預置參數? ?選取轉速輸出限幅值為

Lower limit=0

Upper limit=10基于數學模型的雙閉環直流調速控制系統仿真

圖 4 雙閉環直流調速系統的仿真模型

圖 5 輸入模塊STEP的相關參數

圖 6雙閉環直流調速系統啟動過程的轉速和電流波形(從上到下依次是轉速和電流)2．三閉環仿真實驗

三閉環直流調速系統是在雙閉環直流調速系統的基礎上，于電流環后增加了一個電壓內環，這樣系統可獲得良好的動靜態性能及快速性，同時保證電流波動限制在一定范圍內。

仿真模型及其相應參數設置如下圖所示 :

圖 7 電壓內環的三環直流調速系統的仿真模型

圖 8 電壓內環的三環直流調速系統輸入波形圖

如上圖所示，前四個波形是四個輸入波各自的波形，依次滯后0s、20s、40s、60s，第五個是前四個波形合成后的系統初始輸入波形。電壓作如下變化：

Un→0.95 Un→Un →1.05Un

圖 9 電壓內環的三環直流調速系統輸入有階段性變化時轉速、電流、電壓波形圖

從上至下依次為轉速、電流、電壓的波形

如上圖所示，輸入在第20s、40s、60s時刻發生變化

圖 10 電壓環加擾動的三閉環直流調速控制系統仿真模型

從上至下依次為轉速、電流、電壓的波形

如上圖所示，輸入在第20s、40s、60s時刻發生變化

圖 11 電壓環加擾動的三閉環直流調速控制系統仿真結果

從左至右依次為Un→0.95 Un→Un →1.05Un變化時系統輸出變化

以上結果可以看出，加擾動后，轉速輸出只是在很小的范圍發生波動，總體與未加擾動時的波形相同。這樣，電壓內環的三環直流調速系統對外界一定范圍的擾動有一定的抗干擾能力。

第4章??結論與心得體會1、結論

通過上面的所有模擬過程，我們可以看出，本次帶電壓內環的三環直流調速系統設計符合要求，我學會了MATLAB的使用，并且對于Simulink更加了解。MATLAB自身所帶的所有工具箱都適用于Simulink環境，我們可以直接用來處理涉及眾多領域的特殊問題，這次課程設計，增強了我們的實踐動手能力，讓我們學會了怎樣運用自己所學的各科專業知識來完成一個綜合性的課程設計，使我們明白了組織知識的重要性。

這次課程設計的時間雖說是短暫的，但在這幾天中我學會了不少的東西，如：MATLAB中Simulink模塊的使用、示波器的使用、畫圖工具的使用、尤其重要的是對直流調速系統的更進一步了解與掌握。工具箱不僅僅是一些有用函數的集合，而且是世界頂級研究人員在各自領域做出的貢獻，非常值得學習。隨著MATLAB版本的升級，也在擴大Simulink的適用范圍、使用效率，使Simulink進入到更多的科學領域，成為計算機和工程系統分析中強有力的仿真工具。2、心得體會

本次課程設計分為兩個部分，一是老師給的練習題，而是我們要交報告的大作業。

老師給的練習題中，涉及到很多方面的知識，并且給出了大量的例子，我們可以先對例子進行學習與理解，再做后面的練習題，這樣有助于我們學習和鞏固知識，我用了兩節課的時間做完了老師給的練習題，并且把答案積累到了一起，接下來我們就要在做完練習題的基礎上，做出老師給的課程設計的具體題目，我們可以自己選題，結合之前練習題的基礎，做出自己的課程設計。

在本次課程設計中也遇到了不少的工程問題和理論問題，但在老師的指導和同學的幫助下，最后都得到了完滿的解決。在自己的不斷學習中，對于MATLAB軟件的應用更加熟練了，并且學會結合把理論變成實際。對于課程設計的要求，也都基本得到了實現。

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2019-3-2 20:16 上傳

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總結

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