武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
目录
1设计任务及要求 ..................................................................................................................... 1
1.1技术数据 ...................................................................................................................... 1 1.2技术指标 ...................................................................................................................... 1 1.3技术要求 ...................................................................................................................... 1 1.4设计内容 ...................................................................................................................... 2 2转速反馈控制直流调速系统的数学模型 ............................................................................. 2
2.1系统的静特性 .............................................................................................................. 2 2.2系统的动态数学模型 .................................................................................................. 4 3带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统 ..................................................................... 5
3.1电流截止负反馈环节 .................................................................................................. 5 3.2静特性方程与特性曲线 .............................................................................................. 6 4主电路工作设备选择 ............................................................................................................. 7
4.1 闭环系统的开环放大系数的判断 ............................................................................. 7 4.2 调节器的选择与设计 ................................................................................................. 9 4.3 校正后系统的动态结构图 ....................................................................................... 13 5系统仿真 ............................................................................................................................... 14
5.1搭建仿真图 ................................................................................................................ 14 5.2仿真结果 .................................................................................................................... 15 6电气原理总图 ....................................................................................................................... 16 小结 .......................................................................................................................................... 17 参考文献 .................................................................................................................................. 18
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带电流截止负反馈转速单闭环直流
调速系统建模与仿真
1设计任务及要求
1.1技术数据
本次课程设计使用的是第四组数据：
直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1Ω 最大允许电流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=30 , 电枢回路总电阻 R=0.15Ω ， 系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s 滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s, 其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V
1.2技术指标
稳态指标：无静差（静差率s≤2, 调速范围 D≥10 ） 动态指标：系统稳定
1.3技术要求
(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 ；
(2) 根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相关参数；
(3) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
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1.4设计内容
(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 ；
(2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流截止负反馈的作用,；
(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节；
(4) 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） ；
(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。
2转速反馈控制直流调速系统的数学模型
根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。
2.1系统的静特性
在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。图1是具有转速反馈控制的直流调速系统，n为被调节量，Un*电压给定，Un*和Un比较后，得到转速偏差电压ΔUn，经过比例放大器A，产生电力电子变换器UPE所需要的控制电压ΔUc。
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图1 系统原理框图
它们的稳态关系为： 电压比较环节 比例调节器 测速反馈环节 电力电子变换器 直流电动机
静态特性方程为：
其中 K ? 为闭环系统的开环放大系数。 闭环系统的静态特性表示闭环系统电动机转速和负载电流之间的稳态关系，根据各个环节的稳态关系可以画出系统的稳态结构框图，如图2所示:
CeKpKs??Un?Un?UnUc?Kp?Un*Un??nUd0?KsUcn?Ud0?IdRCen?KpKsUn?IdRCe(1?KpKs?/Ce)*?KpKsUn*Ce(1?K)?RIdCe(1?K)
图2 闭环系统的稳态结构框图
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2.2系统的动态数学模型
比例放大器的传递函数
电力电子变换器的传递函数
测度反馈的传递函数
Wfn(s)?Un(s)n(s)??Ws(s)?KsTss?1Wa(s)?Uc(s)?Un(s)?Kp
图3 系统的动态结构框图
时间常数Tm表示机电惯性，时间常数Tl表示电磁惯性。由图可得出，转速反馈控制的开环传递函数为： 其中
W(s)?Un(s)?Un(s)?K(Tss?1)(TmTls?Tms?1)2K?KpKs?/Ce转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数为：
Wcl（s）= n ( s ) Un(s)*KpKs?Ce(1?K)TmTlTs1?Ks?3Tm(Tl?Ts)1?K
s?2Tm?Ts1?Ks?1将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。
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