双闭环直流调速系统的设计与仿真开题报告

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1、南京工程学院自动化学院毕业设计开题报告课题名称：双闭环直流调速系统的设计与仿真研究姓 名： 吴杰 班 级： 10自动化1 指 导 教 师： 张贞艳 所 在 系 部： 自动化学院 专 业 名 称： 自动化 南京工程学院2014年 3 月毕业设计(论文)开题报告学生姓名吴杰学 号20100710132专 业自动化指导教师姓名张贞艳 职 称讲师所在系部自动化学院课题来源老师自拟课题类型工程设计课题名称 双闭环直流调速系统的设计与仿真研究毕业设计的内容（包括技术准备、技术内容以及设计要求等）：毕业设计的内容（包括技术准备、技术内容以及设计要求等）：毕业设计的内容（包括技术准备、技术内容以及设计要求等）

2、：毕业设计的内容和意义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。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。直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平

3、滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控

4、制特性。尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。1、 毕业设计的内容（包括技术要求、图标要求以及工作要求等）：1.简单闭环调速系统系统的性能分析，其中包括单闭环有、无静差转速负反馈调速系统以及带电流截止转速负反馈调速系统的性能分析。通过比较它们的性能分析结果，得出它们的不足之处，从而引出双闭环直流调速系统。2.双闭环直流调速系统的设计，其中包括建立双闭环调速系统的方框图以及仿真模型。并且通过仿真分析结果，与简单的闭环调速仿真分析进行比较，从而得出双闭环直流调速优越性。3.双闭环V-M系统的设计，其中

5、包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。4.双闭环PWM-M调速系统设计，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结构分析等。2、 毕业设计的意义1.根据MATLAB/Simulink仿真平台，研究双闭环直流调速系统的性能。双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用1。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2。2.通过比较单闭环有、无静差

6、转速负反馈调速系统和带电流截止负反馈调速系统的仿真结果，从而得到它们各自的不足之处，从而突出双闭环直流调速系统的优越性以及必要性。3.通过对双闭环V-M系统和双闭环PWM-M调速系统这两种典型双闭环调速系统的的仿真分析，帮助我们更好的了解和应用双闭环直流调速系统。4.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

7、各个生产领域。文献综述1.国内外现状及发展趋势 1国内现状及发展趋势从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果【3】。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的

8、市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流控制的基础【4】。在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。2国外现状及发展趋势 从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置直流调速已经发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、良好的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外受到广泛的应用【5】。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环

9、控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统的总的发展趋势也向着控制的数字化、智能化和网络化发展。2.MATLAB/Simulink仿真平台 1MATLAB/Simulink的介绍MATLAB是一种科学计算软件，MATLAB是“矩阵实验室”(Matrix Laboratory)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算机语言。由于它使用方便，输入便捷，运算高效，适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。Simu

10、link系统的仿真环境实在MATLAB原来的工具箱基础上拓展和开发的，它包括Simulink仿真平台和系统仿真模型库两部分，它是一个高级计算和仿真平台6 。 2仿真的数值算法Ode45为基于显式Rung-Kutta和Dormand-Prince组合的算法，它是一种一步解法，只要知道前一段时间点的解，就可以计算当前时间点的方程解。这种算法适用于仿真线性化程度比较高的系统。此算法是仿真默认算法。Ode15s是一种可变阶数的Numerical differentiation formulas (DNFS）算法，当遇到刚性（stiff）问题时或者使用ode45算法不行时，你可以试试这种算法7。Ode2

11、3tb（stiff/TR-BDF2)采用TR-BDF2算法，即在龙格-库塔法的第一阶段用用梯形法，第二阶段用二阶的backward differentiation formulas算法，在容差比较大时，ode23tb和ode23t都比ode15s好【8】。3.直流调速系统直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑无级调速，在轨钢机、铁路机车、造纸机、金属切割机床、高层电梯、矿井卷场机、挖掘机等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的运用。可控直流电源电动机调速系统，包括直流电动机启动、开环直流调速、单闭环直流调速、双闭环直流调速以及直流脉宽PWM-M等调速系统的仿真9。直流电动机

12、和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高，维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有较高的过载能力、较大的启动转矩和良好的启动、制动、平滑的调速性能，可以在很宽范围内平滑调速，能在很短的时间里改变转向，所以直流调速系统在现阶段仍然是自动调速系统的主要形式10。转速-电流双闭环直流调速系统具有结构简单，工作可靠，且设计较为方便的特点，是应用非常广泛的一种直流调速系统11。4.双闭环直流调速系统 1双闭环直流调速系统的必要性采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载等等，单闭环系统

13、就难以满足需要。这主要因为单闭环系统不能完全按照需求来控制动态过程的电流或转矩12。 同样，带电流截止负反馈调速系统虽然能够控制电流，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。因此，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接。如下图1所示。这就是说，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晶闸管整流器的触发装置13。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环;转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环直流调速系统14。图1 转速

14、、电流双闭环直流调速系统结构双闭环控制的直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两个调节器进行控制，并且转速调节器的输出是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流15。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使其输出增加，即电流给定值上升，从而通过电流环的调节作用，使电动机电流增加、电动机获得加速转矩、电动机转速上升；当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定值减小，并且通过电流环的调节，是电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速16。在转速调节器饱和、输出达到限幅值时，电流环即以最大电流Idm运行，实现电动机将以可能的最大加速度加速，使电动

15、机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速起、制动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。 2双闭环V-M系统 电源是静止装置，由电力电子AC/DC变换器供电，通过改变晶闸管的控制角来改变可控整流器输出电压的大小和极性，这种直流调速系统为“晶闸管-电机调速系统”，简称“V-M系统”。V是晶闸管整流器，通过调节触发器装置GTF的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器的输出电压Ud，从而实现直流电机M调速17。由于晶闸管可控整流器的输出电压Ud，从而实现直流电机的平滑调速。由于晶闸管可控整流器的输出电流是单方向的，因此由单组

16、可控整流器构成的V-M系统，其输出电流不允许反向。 3双闭环PWM-M调速系统脉宽调制（PWM）控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，最常用的PWM直流调压调速技术具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点，特别在中、小容量的系统中得到了广泛的应用18。随着电力电子技术的发展,70年代以来出现了有自关断能力的电力电子器件,如,电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场效管(P-MOSFET)等。由该类器件组成的直流脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)功率放大器已被成功地用于直流调速系统。它是利用器件

17、的开关作用将直流电源电压转换成频率为2kHz左右(或更高)的方波电压,加在直流电动机的电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制来改变电枢的平均电压,从而调节电动机的转速19。由于PWM调速系统中的功放元件工作在开关状态,且开关频率高,故与V-M系统相比具有下列优点:(1) 电枢电流易连续,系统低速性能好,调速范围宽;(2) 系统频带宽,快速性好,动态抗干扰能力强;(3) 主电路器件开关损耗小,装置效率高。参考文献1常万仓,杜翠静.双闭环直流调速系统工程设计与仿真A. 第十三届中国科协年会第10分会场-节能减排战略与测控技术发展学术研讨会论文集C. 20112 ZHAO Yao, DING Longha

18、n. Intelligent control of parallel double-loop DC motor speed control systemsJ. Proceedings of the 3thWorld Congress on Intelligent Control and Automation, 2000 (7): 416-4183洪乃刚电力电子技术基础 清华大学出版社2008.1 第1版P174洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 机械工业出版社2006.1 5王昌 翁国庆 张有兵 电力系统的MATLAB/Simulink仿真与应用西安科技大学出版社P1686黄忠

19、霖 黄京 电力电子技术的MATLAB实践 黄京 国防工业出版社 2009.1 P2847周天平 刘颖慧全数字直流调速系统在轧制工艺过程中的应用J机电产品开发与创新,2008，21（4）：156-1578邵雪卷 张井岗 赵志诚等. 双闭环直流调速系统的研究J。电气电子教学学报，2008，30（1）：75-779陈伯时 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社2000.6 P4910陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统 机械工业出版社 2011。6 11周晓宁 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的研究 第五届ABB杯全国自动化系统工程师论文大赛论文集12韦建德 基于PWM转速电流双闭环直流调速系统 海南

20、师范大学学报 第23卷第4期 2010.1213薛定宇 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用 清华大学出版社 2004年14翁剑枫 MATLAB LabVIEW SystemView仿真技术基础 机械工业出版社 2005年15潘晓晟 MATLAB电机仿真精华50例 电子工业出版社 2007年16逢海萍 PWM直流调速系统与V-M直流调速系统的动态品质比较山东建材学院学报 第9卷第4期 1995.1217王鑫 张丽铃转速、电流双闭环直流调速系统设计SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2010年第1期18王忠礼 段慧达 高玉峰MATLAB应用技术在电

21、气工程与自动化专业中的应用 清华大学出版社 2007.119王耀德交直流电力拖动控制系统 机械工业出版社 2000.6研究内容双闭环V-M系统的设计，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。 根据MATLAB/Simulink仿真平台，研究双闭环直流调速系统的性能。双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用1。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2。 通过对转速、电流双闭环

22、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生产领域。研究计划特色与创新第一周 搜集资料：阅读资料、文献第二周 设计方案论证第三周 撰写开题报告，完善开题报告；第四周 开题报告检查；第五周 简单闭环调速系统的设计与仿真 第六周 带电流截止负反馈的转速反洗系统设计与仿真第七周 双闭环V-M调速系统相关数据计算整理第八周 V-M系统

23、MATLAB建模仿真第九周 双闭环PWM-M调速系统相关数据计算整理第十周 PWM-M调速系统建模仿真第十一周 仿真分析与总结；撰写毕业设计论文第十二周 指导教师审阅论文；学生修改完善论文第十三周 准备答辩第十四周 毕业设计答辩 1、根据计算机仿真技术，了解双闭环直流调速系统2、通过MATLAB建立仿真模型，清晰的展现该系统的结构3、仿真平台相对于实际的产品设计减少了开发周期，为实际产品开发提供了保障4、与单闭环系统进行对比，突出双闭环的优越性本课题的目的意义（研究性课题应阐明国内外研究概况）三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。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

24、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。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。现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产

25、品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。当前控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为

26、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。由于该系统的结构较复杂，控制器可调参数较多，所以整个系统的设计和校正比较困难，需要有一个功能全面、分析方便的仿真设计平台。自从MATLAB的Simulink推出以后，动态系统的仿真就变得非常容易了。因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，具有强大的数学计算功能，且提供方便的图形绘制功能，只要在Simulink中画出系统的动态结构图模

27、型，编写极简单的程序，即可对该系统进行仿真，效率极高，环境友好，从而给系统的设计和校正带来很大的方便。Matlab在学术和许多实际领域都得到广泛应用，已成为国际控制界应用最广的语言和工具。本次设计是利用Matlab工具箱对直流电动机调速系统进行计算机辅助设计；对转速环进行时域和频域分析；对调速系统进行跟随性和抗扰性分析。并在给定系统各种参数的条件下，进行动态数字仿真，通过查看仿真波形和数据，既可获得参数整定的依据，又可验证本调速系统是否满足设计要求。 通过这次设计，可以使我对自动控制及其仿真进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。指导教师意 见 指

28、导教师签名： 年 月 日 教研室意见 主任签名： 年 月 日 院系意见 现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。当前控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综

29、合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。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。课题的来源、研究背景及意义 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，

30、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。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。直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后

31、，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流基组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。 在工业生产中V-M系统的应用十分广泛。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。 院系主管领导签名： 年 月 日