时域分析法对单闭环直流调速系统性能分析

《自动控制理论》 课程设计报告书

设计题目： 时域分析法对单闭环直流调速系统性能分析 专 业： 自 动 化 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师：

2013年 04月 07日

邢台学院物理系课程设计任务书

专业： 自动化 班级：

学生姓名 学号 设计题目 时域分析法对单闭环直流调速系统性能分析 课程名称 自动控制原理及应用 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。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，也大大促进了综设计目的、合国力的增强。 主要内容时域分析法对系统性能的分析 （参数、方1单闭环有静差调速系统的分析 法）及要求 2单闭环无静差调速系统的分析 对他们都进行稳态分析和动态分析 工作量 2 周 第3周到第4周 3月11日到3月13日收集资料 3月14日到3月22日编写 进度安排 3月23日到3月24日制图 [1] 黄坚．自动控制原理及其应用．高等教育出版社，2009 [2] 谢红卫. 现代控制系统. 高等教育出版社，2007 主要参考资料 [3] 胡寿松. 自动控制原理. 科学出版社，2007 [4] 黄忠霖. 自动控制原理的MATLAB实现. 国防工业出版社，2007 系主任签字 2013 年 04 月 07 日

指导教师签字 摘 要

在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。 关键词：稳态性能 稳定性 开环 闭环负反馈 静差

目 录

1 单闭环直流调速系统 ........................................

1.1直流调速系统概述 ..........................................

2 用时域法分析系统性能 ......................................

2.1单闭环有静差调速系统 ....................................... 2.2 单闭环无静差调速系统 ......................................

1单闭环直流调速系统

1.1直流调速系统概述

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。

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。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。

·2 用时域法分析系统性能

·2.1单闭环有静差调速系统

单闭环有静差调速系统的原理图：

+u nR1 R0 R0 ∞ Δ - + + Ks + - id M +

n TG

uct ud -

uf 系统组成：转速调节器、晶闸管整流器、直流电动机、测速发电机

单闭环有静差调速系统的动态结构图：

IL Un(s) Uct-Ufn Kc KTsS+1 Ud -Ed Ksf 1/Rd1+TdS Id -Ce Rd CeTmSN(s) S 系统参数的含义如下：

Kc——比例控制器系数；K——晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数；TS——晶闸管整流电路的延迟时间常数。Td——电机的电磁时间常数；Rd——电枢电阻；Tm——机电时间常数；Ce——反电动势系数；Ksf——速度反馈系数。 开环传递函数： G(s)H(s)=

KcKsKsf / Ce

(TdTmS2+TmS+1)(TsS+1)

当Tm>4Td

=

K

(T1S+1)(T2S+1)(TsS+1)

闭环传递函数： Φ(s)=

N(s) Un(s)

KcKsKsf /Ce

=

(TdTmS2+TmS+1)(TsS+1)+KcKsKsf

/C

KcKs / Ce

=

TdTmTsS3+(TdTm+TdTs)S2+(Tm+Ts)S +1+KcKsKsf /Ce

1、动态性能分析：

系统稳定的条件：

0.00633×0.20167>0.00001×(21.21Kc+1) Kc< 5.97 Ts很小可忽略：

KcKsKsf /Ce

G(s)H(s)≈

TdTmS2+TmS+1

闭环传递函数可近似为： Φ(s)≈ KcKs /Ce

(TdTmS2+TmS+1)+KcKsKsf /Ce 33.33

ωn= Kc=0.11

=23.57

2×0.707

3=0.18sts= ζωn

（±5%）

对照标准式： { ωn2=3535Kc+166.67 2ωnζ=33.33 设计成最佳二阶系统 ζ=0.707

2、稳态性能分析：

系统的动态结构图可简化为：

G1(s) Un(s) IL(s) G2(s) KcKS /Rd -H(s) Ksf Rd(TdS+1)/ Ce (TmTdS2+TmS+1) N(s) - (TsS+1)(TdS+1)

1 稳态误差：essr= 1+KcKsksf/Ce

代入各参数，得 1 essr=

1+40×0.07Kc/0.132 取Kp=0.11，则essr=0.3

essd=lims·Ed(s)

=lim S· G2(s)H(s)IL(s) s→0 1+G1(s)G2(s)H(s)

代入各参数，取Kp=0.11,得 0.5×0.07 essd= 0.132+0.11×40×0.07 ess=essr+essd=0.38

RdKsf =

Ce+KcKsKsf ≈0.08 ·2.2单闭环无静差调速系统

单闭环无静差调速系统的原理图：

+ un R1 RR0 Δ - ∞+ + Ks uct + - id + ud M n - uf TG 单闭环无静差调速系统的结构图: IL Un(s) _ Kc(τ1S+1) τ1S Uct Ks TsS+1Ud _ 1/Rd 1+TdS Ed Ce Ufn Ksf 前向通道传递函数： Id _ Rd CeTmS N(s) KcKs(τ1S+1)/(Ceτ1)

G(s)=

S(TdTmS2+TmS+1)(TsS+1)

1、动态性能分析

如果要求 ζ=0.707 得 ωn=19.21 Kc=0.1

3×2 3

ts= =0.22s = ζωn 27.17 2ωnζ=27.17 对照标准形式有

{ ω= 3558.15Kc

n

2、稳态性能分析

Un(s)=1/S essr=0

G2(s)IL(s)

ssd

e

=lim S·Ed(s) =lim S· s→0 1+G1(s)G2(s)H(s) s→0

(TdS+1)Rd/Ce 1

· 2

S TdTmS+TmS+1

=lim S· s→0

KcKs(τ1S+1)

Rd(TdS+1) ·Ksf · Ce(TdTmS2+TmS+1)

=0

ess=essr+essd=0

1+ Rdτ1S(TsS+1)(TdS+1)

课程设计成绩评定表

系部： 自动化 班级： 3班 学生姓名： 李宁 学号： 2010341316 项目 分值 优秀 (100>x≥90) 参考标准 学习态度认真，科学作风严谨，严格保平时考核 20 证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。 结构严谨，逻报告内容组织课程设计报告 技术水平 20 书写 20 辑性强，层次清晰，语言准完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。 设计合理、理论分析与计算正确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。 有重大改进或10 独特见解，有实验数据准确，有很强的上机操作 30 实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力。 有较大改进或新颖的见解，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力。 有一定改进或新的见解 实验数据比较准确，有一定的实际动手能力。 有一定见解 实验数据无大错。 实验数据不可靠，实际动手能力差。 结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰。 设计合理、理论分析与计算正确，文献引用、调查调研比较合理、可信。 设计合理，理论分析与计主要文献引用、调查调研比较可信。 设计基本合理，理论设计不合理，理论分析与计算误，文献引用、调查调研有较大的问题。 创新 观念陈旧 结构合理，层文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图清晰。 结构基本次较为分明，合理，逻辑文字尚通顺，勉强达到规范化良好 (90>x≥80) 参考标准 学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务。 中等 (80>x≥70) 参考标准 学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保按期完成各项工作。 及格 (70>x≥60) 参考标准 学习态度尚可，能遵守组织纪不及格(x<60) 参考标准 学习马虎， 纪律涣散，工作作风不严谨,不计时间和进度。 内容空泛， 结构混乱，不清，错别字较多，达不到规范化要求；图或不清晰。 评分 证设计时间，律，能按期完成任务。 能保证设基本清楚，文字表达确，文字流畅，言准确，文字纸比较工整、要求；图纸比较工整。 纸不工整算基本正确，分析与计算无大错。 有原则错一定实用价值 实用性尚可 指导教师评定成绩： 指导教师签名： 2013 年 04月 07日

体会与总结

通过这次设计，可以使我对自动控制进行进一步的学习，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。还让我知道了直流调速系统的重要性以及广泛应用性。

这次课程设计让我将平时上课学到的书本上的知识有了更进一步的了解。对这些知识有了深刻的领悟，是我的知识面更广了，同时是我的实践能力有加强了很多。让我面对生活中的应用有了更好的思考方法，提高了对直流调速系统的应用。在没有做课程设计之前，我对所学的知识并没有很好地应用，对一些细节不加重视，当我设计程序时问题就出现了，不是参数不全就是电路连接不完整、不整齐，达不到课程设计的要求。在整个设计中我懂得了许多东西，也增强了自己的信心，相信相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，而且大大提高了动手的能力，在设计过程中学到的东西是这次设计的最大收获和财富，是我受益终身。

通过这次设计，让我知道了自己的就业前景是多么的光明，为了将来能有立足之地，能有一个好的工作，能够凭着自己的本事养家糊口，在将来能够孝顺父母……所以我更应该把这些知识都掌握住，学会应用到工作生活之中。