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双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真
双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

目录

1、引言 (2)

二、初始条件: (2)

三、设计要求: (2)

四、设计基本思路 (3)

五、系统原理框图 (3)

六、双闭环调速系统的动态结构图 (3)

七、参数计算 (4)

1. 有关参数的计算 (4)

2. 电流环的设计 (5)

3. 转速环的设计 (6)

七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (8)

1.系统主电路图 (8)

2.触发电路 (9)

3.控制电路 (13)

4. 转速调节器ASR设计 (13)

5. 电流调节器ACR设计 (14)

6. 限幅电路的设计 (14)

八、系统仿真 (15)

1. 使用普通限幅器进行仿真 (15)

2. 积分输出加限幅环节仿真 (16)

3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (17)

九、总结 (20)

一、设计目的

1.联系实际,对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计,加深对所学

《自动控制系统》课程的认识和理解,并掌握分析系统的方法。

2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。

3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题

的能力。

4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统,并通过设计正确掌

握工程设计的方法。

5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。

二、初始条件:

1.技术数据

(1)直流电机铭牌参数:P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min,电枢电阻Ra=0.088Ω,允许过载倍数λ=1.5;

(2)晶闸管整流触发装置:Rrec=0.032Ω,Ks=45-48。

(3)系统主电路总电阻:R=0.12Ω

(4)电磁时间常数:T1=0.012s

(5)机电时间常数:Tm =0.1s

(6)电流反馈滤波时间常数:Toi=0.0025s,转速率波时间常数:Ton=0.014s.

(7)额定转速时的给定电压:Unm =10V

(8)调节器饱和输出电压:10V

2.技术指标

(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错误!未指定书签。;

(2)系统静特性良好,无静差(静差率s≤2);

(3)动态性能指标:转速超调量δn<8%,电流超调量δi<5%,动态速降Δn≤8-10%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts≤1s;

(4)调速系统中设置有过电压、过电流等保护,并且有制动措施。三、设计要求:

(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)调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

(3)动态设计计算:根据技术要求,用Mrmin准则设计转速环,确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算,使调速系统工作稳

定,并满足动态性能指标的要求;

(4)绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图(主电路、触发电路、控

制电路);

(5)对所设计出的双闭环直流电动机调速系统仿真实验,并给出仿真结果图;

(6)整理设计数据资料,课程设计总结,对本课程设计提出新设想和新建议。

四、设计基本思路

转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。目前都采用由内向外,一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调节器,构成一个完整的闭环系统。设计多环系统的一般方法是,由内环向外环一环一环地进行设计。对双闭环调速系统而言,先从内环(电流环)开始,根据电流控制要求,确定把电流环校正为哪种典型系统,按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环后,就把电流环等效成一个小惯性环节,作为转速环的一个组成部分,然后用同样的方法进行转速环的设计。然后通过MATLAB进行动态分析,根据分析情况更改实现方案,对参数进行调整等。

五、系统原理框图

在转速、电流双闭环调速系统中,既要控制转速,实现转速无静差调节,又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程,其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系,就是将二者分开,用转速调节器ASR调节转速,用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接,即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号,再用ACR的输出电压Uc 作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看,转速环在外面为外环,电流环在里面为内环。为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器,且转速与电流都采用负反馈闭环。系统原理图如下:

六、双闭环调速系统的动态结构图

目前,V-M 调速系统多为带电流内环的转速控制系统。设计时需增加电流、转速反馈滤波五节,以抑制反馈信号中的交流分量,同时在转速、电流给定信号通道中加入两个给定滤波器,其时间常数与相应反馈滤波环节的时间常数相等以平衡反馈滤波环节给定转速、电流反馈信号带来的延滞。相应的动态结构图如下所示,图中,ASR 和ACR 为结构和参数待定的转速和电流调节器。

七、参数计算

1. 有关参数的计算

a. 电动机的机电常数

14402200.0880.2804min 1500

N N a N U I R Ce V r n ---?===?? b. 三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间

s mf T S 0017.05062121=??==

c. 电流反馈系数为β

因为允许过载倍数λ=1.5,故最大允许电流 1.5dm I Id =

100.0303/1.5220

im dm U V A I β=

==? d. 转速反馈系数α

1100.0067min 1500nm N U V r n α-===???

e. 电流给定和反馈滤波时间常数

0.0025oi T s =

f. 转速给定和反馈滤波时间常数

0.014on T s =

2. 电流环的设计

a. 电流环小时间常数

s T T T s oi i 0042.00017.00025.0=+=+=∑

b. 电流调节器结构的选择,根据设计要求,5%i δ≤,且

109.20042

.0012.01<≈=∑i T T 因此可按典I 系统设计,且选用PI 调节器,其传递函数为

s

s K s W i i i

ACR ττ1)(+= c. 确定电流调节器参数

ACR 超前时间常数:

电流环开环放大系数I K :要求5%i δ≤时,应按二阶“最佳”系统设计,取

105.1190042

.02121-∑=?==s T K i I 从而,ACR 的比例系数为

0.0120.12119.050.1260.030345

i i I S R K K K τβ?==?=? d. 校验近似条件 电流环截止频率:105.119-==s K I ci ω

10.012i T s

τ==

晶闸管装置传递函数近似条件

S

ci T 31≤ω ci S s T ω>=?=-11.1960017

.03131 满足近似条件。

小时间常数近似条件

oi

s ci T T 1

31≤ωci oi s s T T ω>=??=-169.1610025

.00017.0131131 满足近似条件。

忽略反电势对电流环影响的条件

113

T T m ci ≥ω 11113

386.60.10.012ci m s T T ω-=?=

e. 计算调节器电阻和电容 按所用运算放大器Ω=k R 200,则

00.12620 2.52i i R K R k ==?=Ω

由i i i C R =τ有

630.01210 4.762.5210

i i i C F R τμ=

=?=? 由014oi oi T R C =得 F R T C oi oi μ5.010200025.04430=??==

3. 转速环的设计

a. 转速环小时间常数

s T T T on i n 0224.0014.00042.022=+?=+=∑∑

b. 选择转速调节器结构

根据稳态、动态性能指标的要求,应按典II 系统设计转速环,为此应选用PI 调节器,其传递函数为

1()n n ASR n s W s K s ττ+= c. 选择转速调节器参数

为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好,应采用min Mr 准则选择参数,取h=5,因此ASR 的超前时间常数为

50.02240.112n n hT s τ∑==?=

转速环开环放大系数为

2222151239.162250.0224N n

h K h T ∑++=

==?? 从而,转速调节器比例系数为 (1)(51)0.03030.28040.128.32250.02240.00670.12

n e m e m n N n C T h C T K K R hT R τββαα∑++???====???? d. 检验近似条件

转速环截止频率

11239.160.11226.79N

cn N n K K s ωτω-===?=

电流环传递函数简化条件

i cn T ∑≤

51ω 而 cn i s T ω>=?=-∑162.470042

.05151 满足近似条件。

小时间常数近似处理条件

on

i cn T T ∑≤2131ω cn on i s T T ω>=???=-∑174.30014

.00042.021312131 满足近似条件。

e. 计算转速调节器电阻和电容 取输入电阻Ω=k R 200,则

028.320566n n R K R k ==?=Ω

630.112100.19756610

n

n n C F R τμ==?=? F R T C on on μ8.2101020014.044630=???==

f. 校核转速超调量

因为当h=5时

max %81.2%b C C ?= 而0.1222094.15/min 0.2804

N N e R n I r C ?==?= 所以m

n s N N L dm b T T n n I I I C C ∑???-??=2%)(%max δ

1.5220094.150.022481.2%2 3.42%8%22015000.1?-=????=< 可见,所设计的系统能满足设计要求。 必须注意:因为)9.27(06.7913111

--=>=s s T T cn cn m ωω,对转速环来说,忽略反电势的条件并不成立,所以转速超调量将比上面的计算值更小,更能满足设计要求。

七、双闭环直流不可逆调速系统线路图

1.系统主电路图

主电路采用三相桥式整流电路,如下图所示:

说明:三相桥式全控整流电路有如下特点:

(1)三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路,其中一只在共阴组,另外一只在共阳组,而且这两只导通的管子不在同一相内。因此,负载电压是两相电压之差,即线电压,一个周期内有六次脉动,它为线电压的包络线。

(2)晶闸管在一个周期内导通120°,关断240°,管子换流只在本组内进行,每隔120°换流一次。

(3)出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲,共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°,接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通,相邻顺序管子脉冲相位差为60°,即每隔60°换流一次。

(4)晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。

2.触发电路

说明:三相桥式全控整流电路有如下特点:

(1)三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路,其中一只在共阴组,另外一只在共阳组,而且这两只导通的管子不在同一相内。因此,负载电压是两相电压之差,即线电压,一个周期内有六次脉动,它为线电压的包络线。

(2)晶闸管在一个周期内导通120°,关断240°,管子换流只在本组内进行,每隔120°换流一次。

(3)出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲,共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为

120°,接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通,相邻顺序管子脉冲相位差为60°,即每隔60°换流一次。

(4)晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。

说明:

(1)脉冲形成及放大环节

在上图中,晶闸管V4、V5形成脉冲,V7、V8起放大作用。uk 为直流控制信号,当uk =0时,V4截止,V5导通,使V7、V8截止,无脉冲输出。此时,电容C3充电(+E →R9→C3→V5→V6→VD10→-E ),uc3≈2E 。

当uk 升高,使V4导通,V5截止,V7、V8导通,经变压器TP 输出脉冲电压。此期间C3先放电后反向充电,使B 点电位升高,直到uB >-E ,V5又导通,V7、V8变为截止,脉冲消失。脉冲宽度由C3反向充电时间常数R11×C3决定。

(2)锯齿波形成和脉冲移相环节

锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。在上图中由V1、RP2和R3、R4等组成恒流源电路。电容C2的冲放电形成锯齿波,锯齿波通过V3组成的设计跟随器输出。锯齿波电压ue3、直流控制电压uk 、直流便宜电压up 经电阻R6、R7、R8与V4基极b4连接,着三个电压叠加决定V4的基极电位ub4的大小,即控制V4的工作状态。

Up 的作用是为了确定uk =0时脉冲的初始相位。如感性伏在电流连续,三相全控桥(可逆系统)的脉冲初始相位应定在90=α°,可通过调节up 与ue3叠加来实现,锯齿波过零变正点,即为脉冲产生的时刻,对应于90=α°,此时变流器输出Ud =0。

Uk 与ue3叠加控制脉冲相位移动(up 固定在某值),当uk>0时,过零点N 点向左移动,90<α°,电路工作整流状态:当uk<0时,N 点向右移动, 90>α°电路工作于逆变状态。该电路要求锯齿波宽度大于180°,如选240°。

(3) 同步环节

触发脉冲uG 必须与主电路的电源同步。上图电路中,同步环节又由同步变压器TS 和晶体管V2等组成。同步电压us 经TS 降压产生二次电压uTS 来控制V2的导通与关断,从而控制C2的冲放电过程,V2截止时C2充电,V2导通是C2放电,这样就形成了锯齿波。

正弦波uTS 的一个周期内V2截止与导通各一次,对应锯齿波是一个周期,与主回路电源频率一样,达到同步的目的。锯齿波的宽度由C1的充电时间常数R1C1决定。

(4)强触发环节

晶闸管采用强触发可缩短开通时间,有利于改善串并联器件的动态均压和均

流,增加触发的可靠性,强触发电路如图所示。

强触发的电源,由单相桥式整流电路获得50V电压。在V8截止时,C6充电,D点电位上升到50V。当V8导通时,C6迅速放电,D点电位迅速下降,uD<15V 时,VD15导通,由15V电源供电,V8截止后,C6由充电到uD=50V,为下一次触发做准备。

(5)双窄脉冲形成环节

第一个脉冲由本相触发电路的V4由截止变为导通时使V5截止而V7、V8导通所产生;第二个脉冲由滞后60°相位的后一个相触发电路产生其一个脉冲时将信号引至本想触发电路V6的基极,使其截止,V7、V8又导通而产生。这样每一个触发电路一个周期能输出两个相隔60°的窄脉冲。为防止脉冲互相干扰,加入VD4和R17。

三相桥式全控整流电路,晶闸管的导通顺序为:VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1,彼此相隔60°。为能准确产生双窄脉冲,图中的X和Y断应按图所示的顺序连接,即前相的触发电路的Y端接后相的X端

3.控制电路

说明:转速调节器ASR调节转速,用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR 之间实现串级连接,即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号,再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看,转速环在外面为外环,电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能,转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器,且转速与电流都采用负反馈闭环。

4. 转速调节器ASR设计

由参数计算过程可知,ASR采用PI调节。比例调节器响应快,但它使系统有静差;而积分调节器可以实现系统无检察,但响应慢。若把比例、积分控制结合起来构成比例积分(PI)调节器,则可以取长补短:作为控制器,它可以兼顾快速响应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。故所设计的转速调节器采用PI调节,如下图所示。其中Un为转速给定电压,Ufn 为转速反馈电压。

-+

OA1Un

Ufn

Uout R0

Rn

Cn R0

R' 5. 电流调节器ACR 设计

与转速调节器的设计类似,电流调节器也采用PI 调节,充分利用了电动机的过载能力获得最快的动态响应,即最佳过渡过程。其电路图如图四所示,其中Ui 为电流给定电压(即ASR 的输出电压),Ufi 为电流反馈值。 -+OA2Ui

Ufi

Uout R0

Ri

Ci

R0

R'

6. 限幅电路的设计

通常,调节器输出的限幅方法有三种,一种是采用二极管钳位的外限幅电路,一种是采用二极管钳位的负反馈内限幅电路,第三种是采用晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里,我们采用第一种限幅方式,即二极管钳位的外限幅电路。电路图如图五所示,其中 端接至调节器ASR (或ACR )的输出端。 Uin +15V

-15V R1Rp1

Rp2

VD1

VD2

Uout

八、系统仿真

1. 使用普通限幅器进行仿真

使用MATLAB的SIMULINK对双闭环调速系统进行动态函数分析,其分析原理图如下:

图中ASR限幅值为:上限10 下限-130

ACR限幅值为:上限100 下限-100

图中直流电动机的参数、晶闸管整流装置的参数、转速反馈以及电流反馈系数都是从设计要求中所得,而转速调节器ASR和电流调节器ACR是根据参数按工程设计法设计出来的。具体计算方法见本报告的参数计算。

在双闭环直流调速系统的MATLAB仿真中,电流调节器限幅相对来说比较简单。只要给出合适的限幅值,采用任何一种限幅方式均不影响仿真结果,因为电机在整个起动过程中,电流调节器一直处于不饱和状态。而转速调节器在电机起动过程中,会经历不饱和、饱和及退饱和三个状态;转速调节器采用不同限幅方式,电机在突加阶跃给定空载起动时会得到不同的转速和电流波形。

由以上原理图可得出仅在PI调节器的输出端简单加一限幅环节时的起动转速波形和电流波形。

图转速波形

图电流波形

从上图可以看出,起动时转速超调量较大,振荡次数多,起动时间较长。这是因为速度调节器输出达到限幅值时,转速并未达到给定值,偏差均大于零,积分部分的输出一直在增加,这就可能使积分部分的输出达到很大的值。当转速达到期望值后,积分调节器的输出不能立即变小,而是需要经过一段时间使积分调节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值。在这段时间内调节器暂时调节功能。

此仿真并不能达到题设要求,为此必须对ASR和ACR进行改正。

2. 积分输出加限幅环节仿真

下图给出在积分输出和调节器输出后均加一限幅环节的Simulink仿真模型。在这一模型中,积分输出后,再加限幅环节,即积分环节和限幅环节分开。

图中ASR限幅值为:上限10 下限-130

ASR积分限幅值为:上限10 下限-10

ACR限幅值为:上限100 下限-100

ACR积分限幅值为:上限10 下限-10

从以上的原理图可得出转速和电流波形如下:

从以上图可以看出,采用这种限幅方式时,电机受到扰动后,转速回不到原来的转速。这是由于电机起动时积分调节器的输出很快达到限幅值,由于输出的超调很小,所以在整个起动过程中,积分调节器也没能退出饱和,使得PI的输出一直保持在限幅值上。而当增加负载,速度降低,偏差增加,PI调节器仍维持在限幅值上,转速调节器不起作用。所以受到扰动后,电机的转速回落不到原来的值。如果增加限幅值,又会使仿真结果如之前一样。

为此须对积分环节再加以改变。

3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真

下图给出了积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型。图中不仅把PI调节器的比例部分和积分部分分开,对PI调节器的输出设置上、下限幅,还要对积分设置上、下限幅。而且这种积分是积分环节本身所带的。在Simulink环境下,这种积分限幅的实现需要双击积分模块,在对话框中选中Limit output项,然后设置上、下限幅。

上图中ASR限幅值为:上限10 下限-130

ASR积分限幅值为:上限10 下限-10

ACR限幅值为:上限100 下限-100

ACR积分限幅值为:上限10 下限-10

由上图可知,转速超调量较少符合要求,但发现电流上升过快,且相应的调节时间较长,而通过多次试验发现调节ASR的限幅值可以改变调节时间,但这样将会使到最后电流过大。如下图:

上图中ASR限幅值为:上限40 下限-130 ASR积分限幅值为:上限10 下限-10

ACR限幅值为:上限100 下限-100 ACR积分限幅值为:上限10 下限-10 加入负载后,转速,电流波形如下:

上图中ASR限幅值为:上限10 下限-130 ASR积分限幅值为:上限10 下限-10

ACR限幅值为:上限100 下限-100 ACR积分限幅值为:上限10 下限-10

使用积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型的工作过程分三种情况:当积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时,调节器表现为线性的PI调节器;当积分输出未饱和而比例加积分的和大于限幅值时,调节器的输出等于限幅值,积分器继续积分;当积分的输出达到本身的限幅值时,其输出便停止增长,调节器的输出等于其限幅值。此时,如果输入信号改变极性,比例积分调节器是从积分本身的限幅值开始退去饱和的。

综上,使用积分带限幅的PI调节器能够获得最好的转速,电流波形。

九、总结

一开始接触这个课程设计时,觉得并不会很困难,无论是参数计算还是动态仿真都能在教材中找到相关的资料,再加上以前师兄、师姐的报告,觉得完成课设并不会需要太多时间。但在真正的设计过程中发现,参数的计算并不会太过复杂,只需要花一定时间,以认真细致的态度对待就可以。而动态仿真过程中却出现了一系列问题。由于教材中是介绍使用原理图进行仿真,于是我也利用Matlab 的Simulink功能将相关模块一样的画下来,参数也一样地设置,却无法进行仿真,这个问题一直无法解决,直到后面发现可以利用动态函数进行仿真。于是我放弃原本想法,改用动态函数进行仿真。相对于原理图仿真,动态函数比较简单些,只需要在Matlab中画下相关传递函数模块,并进行连线即可。仿真也能够实现,只是发现转速超调量达到60%。面对这个问题,初步觉得是ASR限幅值设置不对,于是进行实验却没有得到很好结果。之后再对参数重新计算,甚至将教材例题中的数据代入进行仿真,但问题依然无法解决。直到在华工图书馆电子网页上找到一篇关于双闭环调整系统饱和限幅值设置的论文后问题才得以解决。即使用本设计最后提到的使用积分带限幅的PI调节器。

在调速系统中,双闭环直流调速系统具有较广泛的应用。作为自动控制专业的专业课,学好电机学及电机调速系统等相关知识,并熟练掌握其控制规律及设计方法,将使我们受益匪浅。而本次课设在这方面起到极大作用。

通过本次课设,学会使用Matlab进行动态函数的分析使用,使用WORD中的Mathtype进行公式编辑,学会对双闭环调整系统限幅值采用三种不同方法得到不同结果,最重要的是学会遇到问题时寻找方法解决,从而得到最好的结果。

而本次课设的最终结果虽然大部分都符合题目要求,但会发现,当电流需要为200A左右时,调节时间会变得很长,而此问题可通过改变ASR限幅值,其值越大,最终电流将会变得越大,且调节时间会变短。对于这个问题,暂未发现很好解决方案能达到最佳效果。希望今后能解决此问题。

参考文献

1、《电力拖动与运动控制系统》(第二版),罗飞等编著,化学工业出版社

2、《电力电子技术基础》,苏开才等编著,华南理工大学出版社

3、《电机学与拖动基础》(第二版),麦崇裔编著,华南理工大学出版社

4、《双闭环直流调整系统的饱和限幅问题》赵志诚等,电气电子教学学报

双闭环直流调速系统设计及仿真

双闭环直流调速系统设计及仿真 一转速、电流双闭环控制系统 一般来说,我们总希望在最大电流受限制的情况下,尽量发挥直流电动机的过载能力,使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动,达到稳态转速后,电流应快速下降,保证输出转矩与负载转矩平衡,进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。 n n t 图1 转速调节系统理想起动过程 为实现在约束条件快速起动,关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律,要控制某个量,就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。起动过程中,电动机转速快速上升,而要保持电流恒定,只需电流负反馈;稳定运行过程中,要求转矩保持平衡,需使转速保持恒定,应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢?答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图2所示。 图2 双闭环直流调速控制系统原理图 参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识,采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图 在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分,须加低通滤波,其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量,但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节,使给定信号与反馈信号同步,并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波,因此也需要滤波,其时间常数用表示[2]。 二双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时,转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段,整个过渡过程也就分为三个阶段,在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。 第Ⅰ阶段:0~t1是电流上升阶段。突加给定电压后,通过两个调节器的控制作用,使、、都上升,当后,电动机开始转动。由于机电惯性的作用,转速的增长不会太快,因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值,强迫电流迅速上升。当时,,电流调节器ACR的作用使不再迅速增加,标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR一般应该不饱和,

无刷直流电机的建模与仿真

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/478766314.html, 无刷直流电机的建模与仿真 作者:秦超龙 来源:《电脑知识与技术》2013年第05期 摘要:该文在分析无刷直流电机(BLDCM)数学模型和工作原理的基础上,利用Matlab 软件的Simulink和PSB模块,搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。该BLDCM控制系统的构建采用双闭环控制方法,其中的电流环采用滞环电流跟踪PWM,速度环采用PI控制。仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性,同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性,为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 关键词:BLDCM控制系统;无刷直流电机;数学模型;MATLAB;电流滞环 中图分类号: TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2013)05-1172-03 随着现代科技的不断发展,无刷直流电动机应用技术越发成熟,应用领域也越发广泛,用户对无刷直流电动机使用增多的同时,对其控制系统的设计要求也变得越来越高。包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立,对控制系统的直观分析、具体设计,快速检验控制算法,降低直流电机控制系统的设计成本,拥有十分重要的意义。 直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料,取代了传统的机械换相器和机械电刷,解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点,使得直流电动机的良好控制性能得到维持,直流电动机得到更好的应用。伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展,控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片,解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学,无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。 通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法,优化整个控制系统的方法,可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上,可以利用Simulink中所提供的各种模块,构建出BLDCM控制系统的仿真模型,从而实现只利用Simulink中的模块建立BLDCM控制系统仿真模型。通过对实例电机的仿真,可以得到各类仿真波形,从而验证了仿真模型的有效性和正确性,数学模型的有效性及控制系统的合理性也得到了验证。 1 无刷直流电机的数学模型 本文采用两相导通三相六状态的无刷直流电动机来分析无刷直流电动机的数学模型[2-3]。 无刷直流电动机的感应电动势为梯形波,电流为方波。考虑到分析的方便、无刷直流电动机的特点,该文直接利用电动机本身的相变量建立物理模型,假定:

电流转速双闭环直流调速系统matlab仿真实验Word版

仿真设计报告 内容 学院 专业 班级 学号 学生姓名 指导教师 完成日期年月日 转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计

一、系统设计目的 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,所以在电气传动中获得了广泛应用。根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数学模型,并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。按照自动控制原理,对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算,利用Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真,通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上,设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试,表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠,具有较好的静态和动态性能,达到了设计要求。采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK 进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 二、系统理论分析 2.1 双闭环直流调速系统工作原理 电动机在启动阶段,电动机的实际转速低于给定值,速度调节器的输入端偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节,可在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度稳定于某一转速。 2.2 双闭环直流调速系统组成 为实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流。两者实行嵌套连接,如图1所示。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。这就形成转速、电流双闭环调速系统。 图1 转速、电流双闭环直流调速系统 其中:ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子 变换器 *Un -转速给定电压 Un-转速反馈电压 * Ui -电流给定电压 Ui -电流反馈电压

时域有限差分法的Matlab仿真

时域有限差分法的Matlab仿真 关键词: Matlab 矩形波导时域有限差分法 摘要:介绍了时域有限差分法的基本原理,并利用Matlab仿真,对矩形波导谐振腔中的电磁场作了模拟和分析。 关键词:时域有限差分法;Matlab;矩形波导;谐振腔 目前,电磁场的时域计算方法越来越引人注目。时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)法[1]作为一种主要的电磁场时域计算方法,最早是在1966年由K. S. Yee提出的。这种方法通过将Maxwell旋度方程转化为有限差分式而直接在时域求解,通过建立时间离散的递进序列,在相互交织的网格空间中交替计算电场和磁场。经过三十多年的发展,这种方法已经广泛应用到各种电磁问题的分析之中。 Matlab作为一种工程仿真工具得到了广泛应用[2]。用于时域有限差分法,可以简化编程,使研究者的研究重心放在FDTD法本身上,而不必在编程上花费过多的时间。 下面将采用FDTD法,利用Matlab仿真来分析矩形波导谐振腔的电磁场,说明了将二者结合起来的优越性。 1FDTD法基本原理 时域有限差分法的主要思想是把Maxwell方程在空间、时间上离散化,用差分方程代替一阶偏微分方程,求解差分方程组,从而得出各网格单元的场值。FDTD 空间网格单元上电场和磁场各分量的分布如图1所示。 电场和磁场被交叉放置,电场分量位于网格单元每条棱的中心,磁场分量位于网格单元每个面的中心,每个磁场(电场)分量都有4个电场(磁场)分量环绕。这样不仅保证了介质分界面上切向场分量的连续性条件得到自然满足,而且

还允许旋度方程在空间上进行中心差分运算,同时也满足了法拉第电磁感应定律和安培环路积分定律,也可以很恰当地模拟电磁波的实际传播过程。 1.1Maxwell方程的差分形式 旋度方程为: 将其标量化,并将问题空间沿3个轴向分成若干网格单元,用Δx,Δy和Δz 分别表示每个网格单元沿3个轴向的长度,用Δt表示时间步长。网格单元顶点的坐标(x,y,z)可记为: 其中:i,j,k和n为整数。 同时利用二阶精度的中心有限差分式来表示函数对空间和时间的偏导数,即可得到如下FDTD基本差分式: 由于方程式里出现了半个网格和半个时间步,为了便于编程,将上面的差分式改写成如下形式:

双闭环调速系统课程设计

目录页 第一章绪论 (2) 1-1课题背景,实验目的与实验设备 (2) 1-2国内外研究情况 (3) 第二章双闭环调速系统设计理论 (3) 2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3) 2-2系统的静,动态性能指标 (4) 2-3非典型系统的典型化 (6) 2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7) 第三章模型参数测定和模型建立 (9) 3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9) 3-2模型测定实验的计算分析 (11) 3-3系统模型仿真和误差分析 (18) 第四章工程设计方法设计和整定转速,电流反馈调速系统 (22) 4-1 设计整定的思路 (22) 4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正,简化 (23) 4-3转速调节器的整定和转速环的校正,简化 (25) 4-4系统的实际运行整定 (27) 4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨…………………………………… 33 第五章设计分析和心得总结 (34)

5-1实验中出现的问题 (34) 5-2实验心得体会 (35) 第六章实验原始数据 (38) 6-1建模测定数据 (38) 6-2 系统调试实验数据 (39) 第一章绪论 1-1课题背景,实验目的与实验设备 转速,电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统,它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的,用传递函数建立动态数学模型,并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律,用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速,电流反馈控制的调速系统是一种串级系统,所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别,但又有不同于一般串级系统的。 本次实验的主要目的是针对一套调速系统(包括电源,电机,励磁回路等)建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数,投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周,我们将用两周的时间来完成参数测定实验,系统建模,调节器整定和系统投入运行。 本次实验的实验设备包括:

无刷直流电机仿真教程

基于MATLAB/SIMULINK的无刷直流电动机系统仿真 0引言 无刷直流电机(Brushless DC Motor,以下简称BLDCM),是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间,验算各种控制算法,优化整个控制系统,有必要建立BLDCM 控制系统仿真模型。本文在BLDCM数学模型的基础上,利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型,并通过仿真结果验证其有效性。 1无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下,利用其丰富的模块库,在分析BLDCM数学模型的基础上,建立BLDCM控制系统仿真模型,系统结构框图如图1所示。

图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础,按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1电动机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中,BLDCM本体模块是最重要的部分,该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流,而要获得三相相电流信号i a,i b,

i c必须首先求得三相反电动势信号e a,e b,e c,整个电动机本体模块的结果如下图3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块,中性点求取模块,转矩计算模块和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1.反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块,运用分段线性化的思想,直观的实现了梯形波反电动势的模拟,具体实现如图4所示。

自动控制原理MATLAB仿真实验报告

实验一 MATLAB 及仿真实验(控制系统的时域分析) 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析,包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性; 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些? 2、 如何判断系统稳定性? 3、 系统的动态性能指标有哪些? 三、实验方法 (一) 四种典型响应 1、 阶跃响应: 阶跃响应常用格式: 1、)(sys step ;其中sys 可以为连续系统,也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ;表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ;表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =;可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应: 脉冲函数在数学上的精确定义:0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为:) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式: ① )(sys impulse ; ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = (二) 分析系统稳定性 有以下三种方法: 1、 利用pzmap 绘制连续系统的零极点图; 2、 利用tf2zp 求出系统零极点; 3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 (三) 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.

直流电机双闭环调速系统设计.

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊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

各种BP学习算法MATLAB仿真

3.3.2 各种BP学习算法MATLAB仿真 根据上面一节对BP神经网络的MATLAB设计,可以得出下面的通用的MATLAB程序段,由于各种BP学习算法采用了不同的学习函数,所以只需要更改学习函数即可。 MATLAB程序段如下: x=-4:0.01:4; y1=sin((1/2)*pi*x)+sin(pi*x); %trainlm函数可以选择替换 net=newff(minmax(x),[1,15,1],{'tansig','tansig','purelin'},'trainlm'); net.trainparam.epochs=2000; net.trainparam.goal=0.00001; net=train(net,x,y1); y2=sim(net,x); err=y2-y1; res=norm(err); %暂停,按任意键继续 Pause %绘图,原图(蓝色光滑线)和仿真效果图(红色+号点线) plot(x,y1); hold on plot(x,y2,'r+'); 注意:由于各种不确定因素,可能对网络训练有不同程度的影响,产生不同的效果。如图3-8。 标准BP算法(traingd)

图3-8 标准BP算法的训练过程以及结果(原图蓝色线,仿真图+号线)增加动量法(traingdm) 如图3-9。 图3-9 增加动量法的训练过程以及结果(原图蓝色线,仿真图+号线)弹性BP算法(trainrp)如图3-10 图3-10 弹性BP算法的训练过程以及结果(原图蓝色线,仿真图+号线)

动量及自适应学习速率法(traingdx)如图3-11。 图3-11 动量及自适应学习速率法的训练过程以及结果(原图蓝色线,仿真图+号线)共轭梯度法(traincgf)如图3-12。

双闭环控制系统设计

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

增量式PID控制算法的MATLAB仿真

增量式PID 控制算法的MATLAB 仿真 PID 控制的原理 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID 控制,又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID 控制技术。PID 控制,实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 一、 题目:用增量式PID 控制传递函数为G(s)的被控对象 G (s )=5/(s^2+2s+10), 用增量式PID 控制算法编写仿真程序(输入分别为单位阶跃、正弦信号,采样时间为1ms ,控制器输出限幅:[-5,5],仿真曲线包括系统输出及误差曲线,并加上注释、图例)。程序如下 二、 增量式PID 原理 { U(k)= ?u(k)+ U(k-1) 或 { U(k)= ?u(k)+ U(k-1) 注:U(k)才是PID 控制器的输出 三、 分析过程 1、对G(s)进行离散化即进行Z 变换得到Z 传递函数G(Z); 2、分子分母除以z 的最高次数即除以z 的最高次得到; )]}2()1(2)([)()]1()({[)(-+--++ --=?n n n T T n T T n n K n U D I P O εεεεεε)] 2()1(2)([)(i )]1()([)(-+--++--=?n n n Kd n K n n K n U P O εεεεεε

数字化直流电机双闭环调速系统

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,

MATLAB控制系统与仿真设计

MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院(系):电气与控制工程学院 专业班级:测控技术与仪器1301班 姓名:吴凯 学号:1306070127

指导教师:杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法,大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器(亦称调节器)及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器,若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中,参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展,对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件,例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法,线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法,设计一个温控系统的PID控制器,并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词:PID参数整定;PID控制器;MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid

内点法matlab仿真doc资料

编程方式实现: 1.惩罚函数 function f=fun(x,r) f=x(1,1)^2+x(2,1)^2-r*log(x(1,1)-1); 2.步长的函数 function f=fh(x0,h,s,r) %h为步长 %s为方向 %r为惩罚因子 x1=x0+h*s; f=fun(x1,r); 3. 步长寻优函数 function h=fsearchh(x0,r,s) %利用进退法确定高低高区间,利用黄金分割法进行求解h1=0;%步长的初始点 st=0.001; %步长的步长 h2=h1+st; f1=fh(x0,h1,s,r); f2=fh(x0,h2,s,r); if f1>f2 h3=h2+st; f3=fh(x0,h3,s,r); while f2>f3 h1=h2; h2=h3; h3=h3+st; f2=f3; f3=fh(x0,h3,s,r); end else st=-st; v=h1; h1=h2; h2=v; v=f1; f1=f2; f2=v; h3=h2+st; f3=fh(x0,h3,s,r); while f2>f3 h1=h2; h2=h3; h3=h3+st; f2=f3;

f3=fh(x0,h3,s,r); end end %得到高低高的区间 a=min(h1,h3); b=max(h1,h3); %利用黄金分割点法进行求解 h1=1+0.382*(b-a); h2=1+0.618*(b-a); f1=fh(x0,h1,s,r); f2=fh(x0,h2,s,r); while abs(a-b)>0.0001 if f1>f2 a=h1; h1=h2; f1=f2; h2=a+0.618*(b-a); f2=fh(x0,h2,s,r); else b=h2; h2=h1; f2=f1; h1=a+0.382*(b-a); f1=fh(x0,h1,s,r); end end h=0.5*(a+b); 4. 迭代点的寻优函数 function f=fsearchx(x0,r,epson) x00=x0; m=length(x0); s=zeros(m,1); for i=1:m s(i)=1; h=fsearchh(x0,r,s); x1=x0+h*s; s(i)=0; x0=x1; end while norm(x1-x00)>epson x00=x1; for i=1:m s(i)=1; h=fsearchh(x0,r,s);

某温度控制系统的MATLAB仿真

课程设计报告 题目某温度控制系统的MATLAB仿真(题目C)

过程控制课程设计任务书 题目C :某温度控制系统的MATLAB 仿真 一、 系统概况: 设某温度控制系统方块图如图: 图中G c (s)、G v (s)、G o (s)、G m (s)、分别为调节器、执行器、过程对象及温度变送器的传递函数;,且电动温度变送器测量范围(量程)为50~100O C 、输出信号为4~20mA 。G f (s)为干扰通道的传递函数。 二、系统参数 二、 要求: 1、分别建立仿真结构图,进行以下仿真,并求出主要性能指标: (1)控制器为比例控制,其比例度分别为δ=10%、20%、50%、100%、200%时,系统广义对象输出z(t)的过渡过程; (2)控制器为比例积分控制,其比例度δ=20%,积分时间分别为T I =1min 、3min 、5min 、10min 时,z(t)的过渡过程; 0m v o 0f o o =5min =2.5min =1.5(kg/min)/mA =5.4C/(kg/min) =0.8 C C T T K K K x(t)=80f(t)=10; ;;; ;给定值; 阶跃扰动

(3)控制器为比例积分微分控制,其比例度δ=10%,积分时间T I=5min,微分时间T D = 0.2min时,z(t)的过渡过程。 2、对以上仿真结果进行分析比对,得出结论。 3、撰写设计报告。 注:调节器比例带δ的说明 比例控制规律的输出p(t)与输入偏差信号e(t)之间的关系为 式中,K c叫作控制器的比例系数。 在过程控制仪表中,一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ定义为 式中,(z max-z min)为控制器输入信号的变化范围,即量程;(p max-p min)为控制器输出信号的变化范围。 = c p(t)K e(t) max min ( ) =100% ) max min e z z p(p-p δ - ?

PID控制算法的matlab仿真

PID 控制算法的matlab 仿真 PID 控制算法就是实际工业控制中应用最为广泛的控制算法,它具有控制器设计简单,控制效果好等优点。PID 控制器参数的设置就是否合适对其控制效果具有很大的影响,在本课程设计中一具有较大惯性时间常数与纯滞后的一阶惯性环节作为被控对象的模型对PID 控制算法进行研究。被控对象的传递函数如下: ()1d s f Ke G s T s τ-= + 其中各参数分别为30,630,60f d K T τ===。MATLAB 仿真框图如图1所示。 图1 2 具体内容及实现功能 2、1 PID 参数整定 PID 控制器的控制参数对其控制效果起着决定性的作用,合理设置控制参数就是取得较好的控制效果的先决条件。常用的PID 参数整定方法有理论整定法与实验整定法两类,其中常用的实验整定法由扩充临界比例度法、试凑法等。在此处选用扩充临界比例度法对PID 进行整定,其过程如下: 1) 选择采样周期 由于被控对象中含有纯滞后,且其滞后时间常数为 60d τ=,故可选择采样周期1s T =。 2) 令积分时间常数i T =∞,微分时间常数0d T =,从小到大调节比例系数K , 使得系统发生等幅震荡,记下此时的比例系数k K 与振荡周期k T 。 3) 选择控制度为 1.05Q =,按下面公式计算各参数:

0.630.490.140.014p k i k d k s k K K T T T T T T ==== 通过仿真可得在1s T =时,0.567,233k k K T ==,故可得: 0.357,114.17,32.62, 3.262p i d s K T T T ==== 0.0053.57 p s i i p d d s K T K T K T K T === = 按此组控制参数得到的系统阶跃响应曲线如图2所示。 01002003004005006007008009001000 0.20.40.60.811.21.41.6 1.8 图2 由响应曲线可知,此时系统虽然稳定,但就是暂态性能较差,超调量过大,且响应曲线不平滑。根据以下原则对控制器参数进行调整以改善系统的暂态过程: 1) 通过减小采样周期,使响应曲线平滑。 2) 减小采样周期后,通过增大积分时间常数来保证系统稳定。 3) 减小比例系数与微分时间常数,以减小系统的超调。 改变控制器参数后得到系统的阶跃响应曲线如图3所示,系统的暂态性能得到明显改善、

双闭环直流调速系统的设计及其仿真

双闭环直流调速系统 的设计及其仿真 班级:自动化 学号: 姓名:

目录 1 前言?????????????????????????3 1.1 课题研究的意义??????????????????????3 1.2 课题研究的背景??????????????????????3 2 总体设计方案?????????????????????? 3 2.1 MATLAB 仿真软件介绍???????????????????3 2.2 设计目标????????????????????????? 4 2.3 系统理论设计?????????????????????? 5 2.4 仿真实验????????????????????????9 2.5 仿真结果???????????????????????10 3 结论???????????????????????12 4 参考文献???????????????????????13 1 前言 1.1 课题研究的意义 现代运动控制技术以各类电动机为控制对象,以计算机和其他电子装置为控制手段,以电力

电子装置为弱电控制强电的纽带,以自动控制理论和信息处理理论为基础,以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。直调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,在许多工业部门,如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且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,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义[1]。 1.2 课题研究的背景 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器, 电力电机技术的迅猛发展

复杂过程控制系统设计与Simulink仿真

银河航空航天大学 课程设计 (论文) 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师

目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)

复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要:本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计,以此来深化对复杂过程控制系统的理解,体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型,学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法,为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字:串级;前馈;解耦;建模;Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题,在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展,对产品的产量、质量,对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求,这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻,从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此,需要在单回路的基础上,采取其它措施,组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统,如串级控制(双闭环控制)、前馈控制大滞后系统控制(补偿控制)、比值控制(特殊的多变量控制)、分程与选择控制(非线性切换控制)、多变量解耦控制(多输入多输出解耦控制)等等。从结构上看,这些控制系统由两个以上的回路构成,相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器,以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”,以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型,模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析,得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真,为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验,仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础,主要用数学模型代替实际控制系统,以计算机为工具,对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时,十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大,先进过程控制的出现,就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink,这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具,使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。

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