双闭环自动控制系统课程设计报告

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1、-自动控制系统2010年7月16日目录1课程设计目的.12系统介绍.22.1双闭环构造简介.22.2MATLAB简介.23直流调速系统的理论设计.33.1系统要求.33.2电流调节器设计.33.3速度调节器设计.54.仿真.65.心得体会.106.参考文献.10程设计说明书NO.1基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计1设计目的融会贯穿所学自动控制系统的理论知识，完成直流调速系统较完整的设计过程，加深对所学理论的理解与应用，培养运用根底理论知识和专业知识去解决实际工程问题的能力。 阳 大 学程设计说明书NO.22系统介绍2.1双闭环简介转速、电流双闭环调速系统是当前应用最广的直流调速系统，

2、利用电流调节器和转速调节器实现了串级控制，从而可以无限逼近理想起动过程。采用工程设计方法，建立了系统的动态数学模型，并基于自动控制系统快、准、稳的准则完成了系统设计。同时，利用Simulink进展了系统仿真，给出了仿真框图和仿真结果，通过对结果的分析进一步验证了双闭环调速系统的优越性。为了实现转速和电流2种负反应分别起作用，在系统中设置了2个调节器，分别是电流调节器ACR(Current Regulator)和转速调节器ASR(Speed Regulator)，两者之间实行串级连接，其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器ACR的输出去控制晶闸管装置。从闭环构造上看

3、，电流调节器在里面，叫做环；转速调节器在外边，叫做外环。双闭环调速系统的原理图如图1所示。图1双闭环词速系统原理图2.2MATLABMATLAB是矩阵实验室Matri* Laboratory的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大局部。MATLAB的根本数据单位是矩阵，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等语言完成一样的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLA

4、B成为一个强大的数学软件。MATLAB 产品族可以用来进展以下各种工作： 阳 大 学程设计说明书NO.3(1) 数值和符号计算 (2) 工程与科学绘图 (3) 控制系统的设计与仿真 (4) 数字图像处理技术(5) 数字信号处理技术 (6) 通讯系统设计与仿真 (7) 财务与金融工程3直流调速系统的理论设计3.1系统要求本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态构造框图如图2 所示，系统参数如下：(1)电动机：；(2)允许过载倍数：；(3)三相桥式整流装置放大倍数：；(4)电枢回路总电阻：；时间常数：；(5)电流反应系数：；(6)转速反应系数：。设计要求：(1)稳态指标：无静差；(2

5、)动态指标：电流超调量，启动到额定转速时的转速超调量；3.2电流调节器设计(1)确定时间常数整流装置滞后时间常数 三相桥式电路的平均失控时间；电流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了根本 阳 大 学程设计说明书NO.4滤平波头，应该有,因此取；电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。图2 系统动态构造框图(2)确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求：，而且 ，因此设计成典型I型系统。(3)电流调节器的构造选择电流调节器选用比例积分调节器(PI)，其传递函数为：(4)选择电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：； 电流开环增益：因要求，故取，因此，于是电流调节器的

6、比例系数为(5)校验近似条件校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：，因为，所以满足近似条件；校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：，由于，满足近似条件； 阳 大 学程设计说明书NO.5校验小时间常数近似处理是否满足条件：，由于，满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。3.3速度调节器设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数为；电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取；转速环小时间常数，取。(2)确定将转速环设计成何种典型系统由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。(3)转速调节器的构造选

7、择。转速调节器选用比例积分调节器PI，其传递函数为(4)选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为，转速开环增益为。所以转速调节器的比例系数为：(5)校验近似条件 转速环截止频率：校验电流环传递函数简化条件是否满足，由于，满足简化条件； 阳 大 学程设计说明书NO.6校验小时间常数近似处理是否满足条件：，由于，满足近似条件。核算转速超调量当h=5时，而，因此有：能满足设计要求。4 系统仿真4.1仿真建立根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图3 所示。在额定转速和空载下，对系统进展仿真得到电动机电枢电流如图4和转速的仿真输出波形如图5

8、所示。 阳 大 学程设计说明书NO.7图3 双闭环调速系统的仿真模型 阳 大 学程设计说明书NO.8图4电动机电枢电流仿真波形图5转速的仿真输出波形 阳 大 学程设计说明书NO.9图6 电流环模块图7 转速环模块4.2 仿真分析系统仿真结果如图4和图5所示。设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，首先要探讨它的起动过程，双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流在起动过程中经历了三个阶段，根据仿真波形，也可看出起动过程分别经历了电流上升、恒流升速、转速调节这三个阶段。如图4和图5所示，在电流上升阶段，突加给定压后，上升，电机

9、也开场起动，但由于机电性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输人偏差电压的数值较大，强迫电流迅速上升；而在恒流升速阶段，ASR始终是饱和的，转速相当于开环，电流保持恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长；在转速调节阶段，当转速快上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差很小，但其输出由于积分作用，电机仍在缓慢加速，与此同时，电流迅速 阳 大 学程设计说明书NO.10减小，直到时，转速以一恒定速度输出，电流保持输出。从仿真波形中可以看出，电流上升得非常快，几乎接近于突变状态，恒流升速阶段转速呈线性增长，其上升时间小，突出了系统的快速性设计要求；而在转速在上升到给定值时，电流迅速降低

10、。转速也没有明显的超调现象，最终稳定在额定转速附近，表达了控制系统的稳定性与准确性原则；整个起动过程非常接近于理想状态，设计比拟合理。5 心得体会从图5中可知：转速无超调量，系统相对稳定；整个起动过程只需3 秒，系统的快速性可以。以上分析说明，利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进展仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改良系统构造及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。经过几天的忙碌，终于完成了课程设计，在这个过程中，虽然遇到了很多困难，但是，通过教师的指导和同学的互相交流，最后克制了一个又一个难题。通过几天的忙碌，完成的是一份课程设计，学到的却不只这些。经历了这个过程，我把学到的知识重新温故了一次，把学到的知识联系到了一起。同时，我深刻地感受到：做任何事情都要有认真严谨的态度，都要有团体合作的精神。这些道理让我终生受益。6 参考文献1 伯时.电力拖动自动控制系统M.机械工业，2021.5:70-952 薛定宇等.系统仿真技术与应用M.清华大学，2021.8:192-2493 王祖亮，侯北平. 基于Simulink的双闭环调速系统仿真研究J.科技学院学报.2021，21(1) 阳 大 学. z