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基于MATLAB的单闭环直流调速系统的设计与仿真

2、重点研究内容及实现途径
研究内容 直流调速具有平滑性好,调速范围宽等优点,对直流调速的仿真有着一定的应用价值,单闭环调速简 单且实用,而 MATLAB 在自动控制仿真方面有着不错的效果。本设计要求设计者能设计出一个较好的单 闭环直流调速系统。在调速系统的原理和要求的静态、动态性能的基础上,设计直流脉宽调速电路,建立 单闭环直流调速系统的数学模型。本课题还要求研究 MATLAB 与 Simulink 在控制方面的应用,掌握仿真 程序的编写与 simulink 模块参数的设置。 3、实现途径 1) 主要调速方法选择 直流电动机的调速的方法有:调节电枢供电电压 U 、减弱励磁磁通 、改变电枢回路电阻 R 。对 于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调 速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速(即电机额定转速) 以上作小范围的弱磁升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。 2) 电路的组成与调速原理 单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机、闭环控制 系统和电流截止负反馈装置组成。该系统的控制对象是直流电动机M,被控量是电动机的转速n,晶闸管触 发及整流电路为功率放大和执行环节,和晶闸管同步脉冲触发电路,用来调节晶闸管的控制角。测速模块 把测得的转速反馈到输入中。 3) 调节器的调节方式选择 电动机的转速随给定电压变化,电动机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定,电流调节器采用比 例(P)调节,对阶跃输入有稳态误差,要想消除上述误差,则须将调节器换成比例积分(PI)调节。这时 当给定电压恒定时,闭环系统起到了抑制所用,当电动机负载或电源电压波动时,电动机的转速稳定在一 定的范围之中。 4) 系统参数的设定与校正 Bode 图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法,它可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息, 而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。在实际设计时,一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕 度,确定校正后的预期对数频率特性,与原始系统特性相减,即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵 活的,须要进行反复地试凑,才能得到满意的结果。 5) 建立系统的数学模型 6) 建立仿真模型 7) 编写仿真程序 8) 进行仿真实验并分析实验结果

二、本题的基本内容:
开题报告书
2011 年 11 月 20 日
姓名
院(部)
课题性质
设计
学号
专业
课题来源
题目
基于 MATLAB 的单闭环直流调速系统的设计与仿真
一、 选题的目的、意义(含国内外相同领域、同类课题的研究现状分析):
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。在单闭环系统中,转速单闭环使 用较多。
本次设计是利用 Matlab 软件中的 Simulink 工具箱对直流电动机单闭环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。
三、进度安排
11 月 20 日到 12 月 1 日 12 月 2 日到 3 月 1 日 3 月 2 日到 3 月 10 日 3 月 11 日到 3 月 20 日 3 月 21 日到 4 月 10 日 4 月 11 日到 5 月 1 日
四、推荐使用的主要参考文献:
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完成毕业设计的开题报告。 查阅相关的文章和资料。 分析并确定系统的设计方案 系统各部分的设计和实验。 开始书写论文并修改。 完成论文的修改并定稿。
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。
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。
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课题任务、重点研究内容、实现途径、方法及进度计划
1、课题任务
设计出一个较完整的直流调速系统,了解单闭环直流调速的原理和方法,比较各种调速方法的特点与 不足。对直流电动机的调速指标进行深入研究并整定出调节器的参数,同时要求对所设计的系统进行仿真 (MATLAB& Simulink),掌握系统仿真技术在控制领域的应用。
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