基于MATLAB直流电机调速系统

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1、中北大学2010届毕业论文目 录1绪论11.1 直流电机调速系统的介绍11.1.1 直流电机调速的应用11.1.2 常见的直流调速系统21.2 MATLAB与SIMULINK介绍101.2.1 MATLAB介绍102 总体方案设计162.1 设计原理163 参数设计183.1 静态参数计算193.2 动态参数计算204 稳定性分析214.1 基于经典控制理论的稳态分析214.2 利用MATLAB辅助分析215系统校正设计265.1 相关知识：265.2 调节器的设计275.3 校正后的系统仿真31结 论33参 考 文 献34致 谢36-第 I 页 共I页1 绪论1.1 直流电机调速系统的介绍1

2、.1.1 直流电机调速的应用电气传动主要分为直流电气传动和交流电气传动两大类，它们分别采用直流、交流电动机为动力的传动。直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜等，但是由于直流电动机具有良好的起动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速，因此在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等调速性能要求较高的电力拖动领域中得到了广泛应用。近年来，交流调速系统发展很快，而直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以掌握好直流调速系统是很重要的。 直流调速系统的调速方法直流他励电动机的转速公式

3、可用下式表示 （1.1）式中 n转速； Ud电枢电压； Id电枢电流； Rd电枢回路电阻； 励磁磁通； Ke由电动机结构决定的电动势系数。 由此可见，直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电压调压调速。（2）改变电枢回路电阻串电阻调速。（3）改变励磁磁通弱磁调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统采用的主要调速方式。 直流调速系统的供电方式调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。早在20世纪4年代，采用电动机发电机机组（又称放大机控制的发电机电动机组系统）向直流电动机供电。但它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等

4、。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为作为可控变流装置。其主要缺点是污染环境，危害人体健康。60年代初，大功率晶闸管投入使用，采用晶闸管可控整流器向直流电动机供电，随着晶闸管变流技术的日渐成熟，使直流调速系统更加完善。目前，用晶闸管变流器控制的他励直流电动机，是工业应用最广泛的电动机传动系统。 对直流调速系统的要求各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过程不同，对控制系统的性能要求也是不同的。但归纳起来有以下三个方面。（1） 调速 在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系统，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统。（2） 稳速 以一定的精

5、度在要求的转速上稳定运行，尽可能不受外部或内部扰动的影响，以确保产品质量。（3） 良好的起、制动性能 对于频繁起、制动的设备要求尽可能快地加、减速，以提高生产效率。不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽可能地平稳。1.1.2 常见的直流调速系统开环调速系统图1-1 开环直流调速系统图1-1为由晶闸管可控整流器向直流电动机供电的开环直流调速系统原理图。1系统的组成1）直流电动机 直流电动机有两个独立的电路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路。直流电动机各物理量间的基本关系式如下： 当电动机处于稳态运行时，did/dt=0，dn/dt=0，上式可写成 或 2）晶闸管整流电路作用：把不变的交流电变

6、换成可控的直流电。形式：单相整流电路和三相整流电路。晶闸管有很多优点，但使用不当也会出现故障，甚至损坏元件，应加适当的保护电路。3）晶闸管触发脉冲电路晶闸管触发脉冲控制是晶闸管变流器常用的控制方式，改变触发装置的控制电压Uc的大小，即可移动触发器的脉冲相位，实现对整流器输出电压的调节。晶闸管触发脉冲电路主要形式有单结晶体管触发电路、正弦波触发电路、锯齿波触发电路等。2 基本工作原理图1-1是最简单的晶闸管直流电动机开环调速系统。其中，UC是系统的给定输入信号，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使外界交流电源整流出直流电压Udo供给直流电动机，使电动机以一定的速度旋转。改变控制电压UC就可触发器的

7、脉冲控制角及整流电压Udo，相应改变电动机的转速，从而达到调速的目的。这时电动机的机械特性为： （1.2）其中 系统的开环稳态速降。 开环系统当给定输入信号一定时，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使交流电源整流出直流电压Udo也是恒定的，电动机就以恒定的速度旋转。但当外界有扰动（例如负载波动）时，转速就有较大的波动，而开环系统不能自动进行补偿。为了满足技术指标要求，这时应考虑采用闭环控制系统。转速负反馈有静差直流调速系统1、基本原理图1-2 具有转速负反馈的单闭环调速系统图1-2为转速负反馈有静差直流调速系统。它在开环调速系统图1-1的基础上增加了转速检测环节（测速发电机TG和反馈电位器RP2

8、）和放大环节。测速发电机TG和电动机同轴连接，TG检测到电动机转速，并变换成与之成正比的电压，再经电位器衰减为反馈电压Ufn，引至放大器的输入端与转速给定电压Usn比较，得到偏差电压U，经过放大器放大后得到输出电压Uk，用Uk控制晶闸管触发器的控制角，使晶闸管整流装置变换出不同的直流电压Udo，用以控制电动机的转速。因为只有转速反馈环，所以称为单闭环转速负反馈调速系统。1、 系统的自动调节过程当电动机的转速n由于某种原因（例如机械负载转矩TL增加）而下降时，转速负反馈环节将进行自动调节，其调节过程如下：TLn Ufn U=Usn-Ufn Uk 脉冲前移Ud n由此可见，转速负反馈环节是通过转速

9、负反馈电压Ufn的下降，使偏差电压U增加，经过放大后，提高晶闸管的输出电压Ud，使转速n回升，从而减小稳态速降。当放大器为比例调节器时，触发器的控制电压Uk整流平均电压Ud0由偏差量U决定，如果稳态误差为零，则U=0，因而Uk、Ud0均为零，电动机就不可能旋转。所以具有比例放大器的调速系统一定是有差的。2、 闭环系统的稳态数学模型（1） 稳态框图单闭环系统中的各种稳态关系如下： 放大器：U=Usn-Ufn Uk=KpU式中 Kp为放大器的放大倍数 触发器和晶闸管整流装置：Udo=KtrUk式中 Ktr为触发器和晶闸管整流装置的放大倍数 电动机：其中， 反馈环节：Ufn=nn式中 n为速度负反馈

10、系数。图1-3 转速负反馈调速系统稳态根据上述关系式，得到系统的稳态框图如图1-3所示。 （2） 静特性方程式根据图6-3所示转速负反馈有静差调速系统的稳态框图可得到系统的静特性方程式为 （1.3）式中的nc为闭环系统的稳态速降，Kn=KpKtrKmn为转速负反馈系统的开环放大倍数。3、 系统的静特性分析比较系统的开环和闭环静特性方程式，即式（1.2）和式（1.3）可以得出结论：图1-4 闭环系统静特性和开环机械特性关系加转速负反馈后，由IdR引起的转速降nc是开环系统转速降no的1/（1+Kn）倍，这是闭环系统的突出优点。适当提高系统的开环放大倍数Kn，可以把系统的稳态速降减小到允许范围内，

11、提高机械特性硬度。下面分析闭环后使机械特性变硬的物理实质。直流调速系统的稳态速降是由电枢回路中电枢电阻R压降引起的，构成闭环系统后这个压降并没有改变。在开环系统中，当负载电流增大后时，电动机的转速将随电枢回路电阻压降的增大而降低。而在闭环系统中，由于引入转速负反馈，转速稍有下降，反馈电压也随之减少，通过放大器的比较和放大，提高晶闸管整流装置的输出电压Udo，使系统工作在新的机械特性上，因而转速能有所回升，使得闭环系统的稳态速降比开环时小得多。由于这种自动调节作用，每增加一点负载，就相应提高一点整流电压，也就改变一条开环机械特性。闭环系统静特性就是在每条开环机械特性上取得一个相应的工作点，再由这

12、些点集合而成。如图1-4所示。 无静差直流调速系统上面讨论的是有静差直流调速系统，其自动调节作用只能尽量减少系统的静差（稳态误差），而不能完全消除静差。要实现无静差调速，则需要在控制电路中包含有积分环节，在调速系统中，通常采用包含积分环节的比例-积分调节器。一、比例-积分调节器1 比例（P）调节器电路如图1-5a所示。（1）输入与输出关系Kp=R1/R0图1-5 比例调节器输入与输出特性曲线如图1-5b所示。 （2） 特点 输出电压与输入电压成正比。 输出量立即响应输入量的变化。图1-6 比例系数可调的比例调节器 （3） 比例系数可调的比例调节器电路如图1-6所示。把A点看作虚地，根据模拟电子

13、技术知识可得由ifi0 得由分压电路知整理上面两式得 其中通过上式可见，调节电位器R2可使增益在K1(1+R2/R3)K1之间变化。2 积分（I）调节器电路如图1-7a所示。（1）输入与输出关系图1-7 积分调节器输入与输出特性曲线如图1-7b所示。 （2）特点 输出电压取决于输入量对时间的积累过程，而且还和初始值有关。 当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止。3比例积分（PI）调节器电路如图1-8a所示。（1）输入与输出关系 其中U01为初始值输入与输出特性曲线如图1-8b所示。 图1-8比例积分调节（2）特点 输出量立即响应输入量的变化响应快。当输入不等于零时，其

14、输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止消除偏差。1.2 MATLAB与SIMULINK介绍1.2.1 MATLAB介绍 MATLAB介绍 MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多. 当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可

15、以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。 开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。MATLAB产生的历史背景 在70年代中期,CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下 开 发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库,LINP

16、ACK是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。 到70年代后期,身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序.CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB,该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件

17、广为流传。 1983年春天,CleveMoler到Standford大学讲学,MATLAB深深地吸引了工程师JohnLittle.JohnLittle敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景.同年,他和CleveMoler,SteveBangert一起,用C语言开发了第二代专业版.这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。 1984年,CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司,正式把MATLAB推向市场,并继续进行MATLAB的研究和开发。 在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类.一类是数值计算型软件

18、,如MATLAB,Xmath,Gauss等,这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,Mathematica,Maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解,其缺点是处理大量数据时效率较低.MathWorks公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争,MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位。 在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开

19、发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。 MathWorks公司1993年推出了MATLAB4。0版，1995年推出4。2C版（forwin3。X）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。MATLAB5。X较MATLAB4。X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3。0或IE4。0及以上版本，Acroba

20、tReader中可以方便地浏览。 时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。MATLAB的特点

21、 一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。 1）。语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁

22、杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。 具有FORTRAN和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试动不容易。即使有部分源代码，用户也

23、会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。以下用MATLAB编写以上两个小程序的具体过程。 MATLAB求解下列方程，并求解矩阵A的特征值。 Ax=b,其中： A=32134567 23798512 43235465 98347135 b=1 2 3 4 解为：x=Ab;设A的特征值组成的向量e，e=eig（A）。 可见，MATLAB的程序极其简短。更为难能可贵的是，MATLAB甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB会根据矩阵的特性选择方程的求解方法，所以用户根本不用怀疑M

24、ATLAB的准确性。 2）运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。 3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。 4）程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。 5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。 6）MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB

25、还具有较强的编辑图形界面的能力。 7）MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。 8）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signlproceessingtool

26、box,commumnicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。 9）源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。1.2.2 SIMULINK介绍SIMULINK介绍Simulink工具箱是Matlab各种工具箱中比较特别的，他是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面。在这个环境中，用户可以利用鼠标或键盘，完成面向框图系统仿真的全部过程

27、，并且更加直观、快速和准确地达到仿真的目标。Simulink工具箱的另一个优点是他不给出任何新的函数。SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高

28、、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GU

29、I) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。Simulink作为面向框图的仿真软件，具有以下功能：(1)用方框图的绘制代替程序的编写。(2)仿真的建立和运行是智能化的。(3)输入输出信号来源形式的多样化。通常在通信系统仿真模型中使用的工具箱除了Simulink之外，还有一些以Sim

30、ulink为基础的模块工具箱。最常用的有电力系统(Powersys)模块工具箱，数字信号处理(DSP Blocks)模块工具箱，定点处理(Fix-PointBlocks)模块工具箱和通信系统(Comm)模块工具箱。电力系统(Powersys)模块工具箱提供了电力传输和拖动中用到的各种子系统模型，他包含电源、元件、电机、电力电子、测量、联接及其他。数字信号处理(DSP Blocks)模块工具箱，包括信号源库、信号漏(终端库)、通用DSP库、数学函数库、滤波器库、频谱分析库及演示库。定点处理(Fix-Point Blocks)模块工具箱主要是为分析计算机字长有限对处理信号造成的影响而提供的各种Si

31、mulink模块，包括定点的算术运算、定点的逻辑运算、定点的变换运算、定点数的传送和定点数的联接。通信系统(Comm)模块工具箱主要包括信号源和信号终端库、信源编码和信源解码库、纠错编码和纠错解码库、调制和解调库、多路存取库、发送滤波和接收滤波库以及信道库等。 通过使用Simulink工具箱以及以他为基础的其他工具箱可以很容易地建立起一个直观的通信系统模型。第一阶段是用图形方式来画结构图并进行编辑；第二阶段是进行运算仿真。在第一阶段中首先要进行环节库框图的建立，从各种库中查找到需要的图标后进行排列；然后把各环节的端口按框图连接起来；最后进行环节参数的设定。要注意在系统输入端加上信号源，在用户关

32、心的输出端加上信号终端(即观测或记录信号的设备，如示波器、电压表或文件等)。这样一个通信系统就确定了，接下来可以进行仿真、确定系统的性能指标及方案比较。Simulink特点 丰富的可扩充的预定义模块库、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(No

33、rmal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。2 总体方案设计 根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为负反馈，采用变电压调节方式，实现对直流顶尖级的无级平滑调速。 所以，设计步骤流程图如下：2.1 设计原理 带比例放大的闭环直流调速系统的原理图与稳态结构图由图可知：转速负反馈直流调速系统中

34、各环节的稳态关系如下：电压比较环节： 放大器：电力电子变换器：调速系统的开环机械特性：测速反馈环节：整理后可得系统的静特性方程式： (2.1) 其中如果断开反馈回路，当电流连续时，系统的机械特性方程式为：开环系统和闭环系统的转速降落分别为：它们之间的关系为：将各个环节的传递函数带入稳态结构图中，即可得其动态结构图：3 参数设计设计完系统框图后，就可以用已知的传递函数结合设计中要求给定的进行对系统静态和稳态参数的计算。以便后面的系统仿真分析所用。例出设计要求给出的参数大小：用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统，主电路是V-M系统。数据如下：电动机：额定数据

35、为10KW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻Ra=0.5:晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y连接，二次线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44，平均失控时间TS=0.00167s；V-M系统主电路R=1,电枢回路总电感L=16.73Mh,系统运动部分飞轮力矩GD2=10Nm2，设测速发电机的参数：永磁式，23.1w，110v,0.21A，1900r/min；生产机械要求调速范围D=10，S5%。3.1 静态参数计算A 额定负载时的稳态速降为了满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为： B 闭环系统应有的开环放大系数先计算电动机的电动系数

36、则开环系统额定速降为： 闭环系统的开环放大系数应为： C 计算转速负反馈环节的反馈系数和参数转速负反馈B包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器RP2的分压系数a2，即根据测速发电机的额定数据，有取a2=0.2由此可得转速反馈系数：B=0.01158v.min/rD 电位器RP的选择 为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流为额定值的20%，则 此时其所消耗的功率为：为了不致电位器温度很高，实选的功率应为其所消耗的一倍以上，故选为10w，。E 运算放大器的放大系数和参数 运算放大器的放大系数：，取Kp=21取R0=40，则R1=R

37、0=2140=8403.2 动态参数计算在经典控制理论中，动态分析基于传递函数的确定，所以要求出传递函数，需根据已知求出动态参数，后再判定系统的稳定性。由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传函是：其中 其中为机电时间常数为电磁时间常数由已知L=16.73mH取L=0.017H电磁时间常数机电常数：如果Kp取21，则闭环系统的开环放大系数取为：于是，原始闭环系统的开环传递函数为：4 稳定性分析稳定是系统的必要条件，一切的分析只有在稳定的基础上才有意义。4.1 基于经典控制理论的稳态分析设绕动Idl=0，则闭环直流调速的闭环传函是由此可知，其特征方程为可根据三阶系统的劳斯赫尔维茨判据，系统的充

38、分必要条件为 (4.1)将所得数据带入上式中，可得：K53.3,因此闭环系统是不稳定的。由此可见，为了提高稳态精度而增加开环放大系数时，就有可能导致系统不稳定。在该调速系统中系统的稳态精度和动态稳定性是一对矛盾。而对一个自动控制系统来说，系统的稳定性是正常工作的首要条件，是必须要保证的。所以，该闭环调速系统的稳态精度不会太高，这是系统存在的第一个问题。系统所面临的第二个问题是：直流电动机起动或发生堵转时，由于反馈电压Un=0，直流电动机处于全压起动状态，会导致电动机电流太大，电动机不能安全运行。这也是我们必须要解决的问题，因此，我们有必要对该系统进行改进。4.2 利用MATLAB辅助分析1 利

39、用根轨迹分析原始闭环系统的开环传递函数是： 根据开环传递函数求其零极点并画出其根轨迹图：求其零极点：程序如下： num=55.58; den=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); z p k=tf2zp(num,den)z = Empty matrix: 0-by-1p = -598.8024 -38.4615 -20.4082k = 2.6124e+007画出其根轨迹图：程序如下： num=55.58; den=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); s1=tf(num,den); rlocus(s1) 根轨迹图由

40、图可知系统的s平面有极点位于右半平面，系统不稳定。利用伯德图分析根据其开环传递函数画出其伯德图：程序如下： num=55.58; den=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); s1=tf(num,den); bode(s1); margin(s1); grid利用奈奎斯特图分析根据其开环传递函数画出奈奎斯特图：程序如下： num=55.58; den=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); s1=tf(num,den); nyquist(s1) 伯德图由以上分析可知，从伯德图可知相角裕度和增益裕度都是负值，所以原始闭

41、环系统不稳定。 奈奎斯特图由奈奎斯特图可知，开环频率特性的轨迹在平面内包围（-1，j0）的圈数为2，而开环频率特特征方程式在s右半平面的根的个数为3，根据奈奎斯特判据可知，系统不稳定。 用SIMULINK仿真给定其阶跃信号后，得其仿真图形如下： Simulink仿真模型图 输出示波器图形从图形可以看出，输出的转速不稳定，不能满足要求物理实体模型仿真：5系统校正设计5.1 相关知识：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，必须设计合适的动态校正装置，来改造系统，是它满足动态稳定性与稳态稳定性指标两方面的要求。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统来说，由于传

42、函阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成校正任务。PID调节器中有比例微分，比例积分和比例积分微分三种类型。由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，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，快速性却受限制。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，所以主要采用PI调节器。在随动系统中，快速性是主要要求，须采用PD或PID，本系统要求以动态稳定性和稳态精度为主，所以采用PI调节器。在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图，在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要有一定的裕度，以防参数变化和一些未计入因素的影响。用来

43、衡量最小相位系统稳定裕度的指标是：相角裕度r和增益裕度GM。一般要求 ，GM6dB伯德图与系统性能的关系： 中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。 截止频率Wc越高，则系统的快速性越好。 低频带的斜率越陡，增益越高，说明系统的稳态精度高。 高频带衰减越快，说明系统抗高频噪声的能力越强实际设计时，一般先根据系统的动态性能和稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始特性相减，即得校正特性环节，具体方法较灵活，有时需要反复试做，才能获得满意的结果。观察未校正系统的伯德图可知：相应的三个转折频率分别为：而 其相角裕度r=-1.33，增益裕

44、度GM=-1.02dB，其截至频率wc=201，为使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而原系统此斜率的频率范围为：，取校正后系统的截止频率Wc=30，采用串联迟后校正方法设计PI调节器。5.2 调节器的设计串联迟后校正设计步骤： 根据稳态误差要求，确定开环增益k； 利用已确定的开环增益，画出未校正系统的对数频率特性，确定未校正系统的Wc，r和h（dB）。 根据相角裕度要求，选择已校正系统的截止频率。考虑到迟后网络在新的截止频率处会产生一定的相角迟后，因此下式成立：式中，是指标要求值，在确定前可取为-6，于是，根据式可以求出相应的值 根据下

45、述关系式确定迟后网络参数b和T 根据以上串联迟后校正设计步骤，写出以下程序，求出校正器的传递函数。 程序如下： wc=30; k0=55.58; d1=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); na=polyval(k0,j*wc); da=polyval(d1,j*wc); g=na/da; g1=abs(g); h=20*log10(g1); beta=10(h/20); T=1/(0.1*wc); bt=beta*T; Gc=tf(T 1,bt 1)Transfer function:0.3333 s + 1-8.206 s + 1取PI调节器的传递函

46、数为： 根据其画出伯德图进行分析可得：程序如下： k1=55.58; d1=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); s1=tf(k1,d1); k2=0.3333 1; d2=8.206 1; s2=tf(k2,d2); sope=s1*s2; bode(sope) margin(sope) grid伯德图由伯德图可知，稳定性满足要求。但快速性有影响太大，以致快速性不能满足要求用simulink仿真：Simulink仿真模型图输出示波器图形从图中可知：转速启动较慢，快速性达不到要求，于是减小调节器的积分作用，将调节器的传递函数改设为：。此时调节器的比例强度

47、不变，微分作用减小。画出改动后的伯德图程序如下： k1=55.58; d1=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); s1=tf(k1,d1); k2=0.03333 1; d2=0.8206 0; s2=tf(k2,d2); sope=s1*s2; bode(sope) margin(sope) grid由伯德图可知：，校正后系统的稳定指标r和GM都已变为较大的正值，有足够的稳定裕度而截止频率从降到。快速性被降低了很多，显然这是一个偏于稳定的方案。5.3 校正后的系统仿真用simulink仿真：Simulink仿真模型图 输出示波器图形从其阶跃响应可以看出

48、，快速性和稳定性都满足要求。查看其零极点图：系统的右半平面没有极点，故系统是稳定的，符合以上分析。查看系统的阶跃响应程序如下： k1=55.58; d1=conv(conv(0.049 1,0.026 1),0.00167 1); s1=tf(k1,d1); k2=0.03333 1; d2=0.8206 0; s2=tf(k2,d2); sope=s1*s2; sisotool(sope)查看其阶跃响应： 单位阶跃响应由图可知：系统的最大转速为：1390rpm。调节时间为：0.345S。超调量为：计算PI调节器的阻容参数。设R0=40。由 可得： 而，取=2 ，取20物理实体模型仿真：结 论

49、本文通过计算和MATLAB仿真比较了开环直流电机调速，带比例放大器的闭环直流调速以及带PI调节器的闭环直流调速系统的不同。通过计算和仿真得出：闭环系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器与反馈装置。而只带比例放大器的闭环系统是有静差的调速系统，其稳态精度指标往往不能满足要求。在此系统中，调节器的输出是电力电子变换器的控制电压。只要电动机在运行，就必须有控制电压Uc，因而也必须有转速偏差电压。带PI调节器的闭环直流系统是在比例放大器的闭环系统的基础上，串联一个滞后环节，PI调节器中的积分控制可以使系统在无静

50、差的情况下恒速运行，实现无静差调速。虽然其快速性受到了影响，但是系统的稳态精度达到了要求。参 考 文 献1ong Hwa Kim，Jin III ParkIntelligent PID Control by Imnlune Algorithms Based.FuzzyRule AutoTuninghcture Notes in Computer Science，2003(271 5)：474482.2王福来，徐平.6RA24全数字调速系统的分析电气传动，2002(3)：2326.3姚洪江.基于全数字化直流调速系统的研究.西安理工大学优秀硕士论,20033.4吴戈.综合性最优控制及其在直流调速系

51、统中的应用.科技情报开发与经济，2003(7)：110112.5陈飞，王振臣，郭艳兵.补偿PID控制在直流调速系统中的应用.自动化与仪表，2003(1)：2426.6潘策，杨培林，陈晓楠.基于最优化控制的直流调速系统.包装与食品机械，200321(4)：2123.7吴延华，孟姣茹.基于最优化PID控制算法的直流调速系统.工矿自动化，2002(4)：4548.8 孙立功，刘珊中，田葳.直流电机驱动控制器的技术改进.起重运输机械，2002(9)：2830.9陈白宁，段智敏，刘文波.机电传动控制.沈阳：东北大学出版社，20024：1620.10李玮，赵江，刘建业.一种实用的单片机控制的数字式调速系统

52、.吉林化工学院报，2002，6(2)：1214.11乔忠良.全数字直流调速装置及工程应用太原理工大学学报，2003，(2)121512谢卓辉.直流调速系统的全数字控制.湖南大学优秀硕士论文，2001.3.13陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1997.14铁才.电机控制技术.啥尔滨：哈尔滨工业大学出版社2000，89.15 TKara，IEker。Nonlinerclosedloop direct identification of a DC motor with load.for low speed twodirectional operationElectrical En

53、gineering，2004：8789.16罗飞.运动控制系统.北京： 化学工业出版社20053 3743.17 Kara T，Eker I Idenificafion of nonlinear systems for feedbackcontr01In：Proceeding of the 4th GAP Engineering CongressLiteramrPress，2002(1)：520526.18Paul melaby,Nicholas Weber,Alfred HublcrRobustness ofadaptation in controlled self-adjusting ch

54、aotic systems2002(4)I：285292.19陈州.晶闸管变流技术北京：冶金工业出版社1988，5658.20李仁定.电机的微机控制北京：机械工业出版社，1999.10，9295. 致 谢在毕业设计即将完成之际，在此，向我可敬的师长、答辩组的各位老师、热心的同学以及朋友致以最诚挚的谢意！本人由衷地向我的指导老师王忠庆，我的师兄李石旦致谢，他们在我做毕设时，提供了许多相关的资料，并且提出许多宝贵的意见，都对我提出的问题做细心的解答，使我在完成毕设的同时，还学到了许多知识，受益匪浅。在此，我得感谢郝骞和杨风老师，他们为我提供了一个学习气氛很浓厚的实验室，使我的毕设能迅速的完成。我还

55、得感谢给予我帮助的热心的同学以及朋友。在我做毕设期间，他们都给予我很大的帮助。在大学生活的四年中，我得到了许多老师，同学，师兄师姐的帮助，是老师们辛勤教诲，同学们的热心帮助，师兄师姐的金玉良言，才让我顺利的毕业。当然，毕设能顺利完成，少不了那些书籍，论文的作者与编者，是他们的感慨无私的精神，为了科学与教育事业奋斗的精神，才有社会的进步，科学的进步。是他们默默的奋斗在科学教育的一线，为我们提供了不少的知识。对此，我们得向他们作出最真挚的谢意与敬意。09/20 11:46 102机体齿飞面孔双卧多轴组合机床及CAD设计09/08 20:02 3kN微型装载机设计09/20 15:09 45T旋挖钻

56、机变幅机构液压缸设计08/30 15:32 5吨卷扬机设计10/30 17:12 C620轴拨杆的工艺规程及钻2-16孔的钻床夹具设计09/21 13:39 CA6140车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计83100308/30 15:37 CPU风扇后盖的注塑模具设计09/20 16:19 GDC956160工业对辊成型机设计08/30 15:45 LS型螺旋输送机的设计10/07 23:43 LS型螺旋输送机设计09/20 16:23 P-90B型耙斗式装载机设计09/08 20:17 PE10自行车无级变速器设计10/07 09:23 话机机座下壳模具的设计与制造09/08 20:2

57、0 T108吨自卸车拐轴的断裂原因分析及优化设计09/21 13:39 X-Y型数控铣床工作台的设计09/08 20:25 YD5141SYZ后压缩式垃圾车的上装箱体设计10/07 09:20 ZH1115W柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及左主轴箱设计09/21 15:34 ZXT-06型多臂机凸轮轴加工工艺及工装设计10/30 16:04 三孔连杆零件的工艺规程及钻35H6孔的夹具设计08/30 17:57 三层货运电梯曳引机及传动系统设计10/29 14:08 上盖的工工艺规程及钻6-4.5孔的夹具设计10/04 13:45 五吨单头液压放料机的设计10/04 13:44 五吨单头液压放料机设计09/09 23:40 仪表外壳塑料模设计09/08 20:57 传动盖冲压工艺制定及冲孔模具设计09/08 21:00 传动系统测绘与分析设计10/07 23:46 保护罩模具结构设计09/20 15:30 保鲜膜机设计10/04 14:35 减速箱体数控加工工艺设计10/04 13:20 凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索设计09/08 21:33 分离爪工艺规程和工艺装备设计10/30 15:26 制定左摆动杠杆的工工艺规程及钻12孔的夹具设计10/29 14:03 前盖板零件的工艺规程及钻8-M16深29孔的工装夹具设计10/07 08:44 加油机油枪手柄护套模具设