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双闭环系统课程设计

1双闭环系统的设计

1.1设计内容

第一，双闭环直流电动机控制系统设计。

分析系统工作原理，进行系统总体设计。

分析设计出控制系统框图，控制系统动态结构图，控制系统稳态结构图，双闭环直流电动机控制系统原理图设计。

根据系统框图和任务分解结果，进行典型环节和模块电路的设计。

设计转速电流环电路，触发电路驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可），控制主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等），检测及给定电路。

第二，控制系统各单元参数测试和计算。

测出各环节的放大倍数及时间常数，在确定调速范围D=10时比较开环、单环和双环时的动态响应。

第三，PID控制算法的确定。

以仿真结果或实验结果为根本依据，结合理论，确定合理的PID控制策略和控制参数。

第五，MATLAB仿真验证。

利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真，同时将结果在示波器上显示出来，以验证设计的正确性。

第六，设计要求：

为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好（可选做）的直流双闭环系统。已知系统中直流电动机主要数据如下：

（1）一台直流电机，直流电机额定数据：PN=60KW,UN=220V,IN=308A,nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=0.18Q。电磁时间常数Tl二0.012s,机电时间常数Tm=0.12s,电动机系数Ce二0.196V-min/ro

⑵主要技术指标：调速范围0~1000r/min，电流过载倍数入二1.1,

系统静特性良好，无静差。

(3)动态性能指标：空载起动到额定转速超调量5n10%，电流超调量5i5%，动态速降AnKl。％，调速系统的过渡过程时间(调节时间)tsK1s。

1.2系统主电路设计

直流调速系统常用的直流电源有

三种：旋转变流机组；静止式可控整流

器；直流斩波器或脉宽调制变换器。

机组供电的直流调速系统在20世

纪60年代以前曾广泛地使用着，但该

系统需要旋转变流机组，至少包含两台

与调速电动机容量相当的旋转电机还

图1-1V—M系统原理图

要仪态励磁发电机，因此设备多，体

积大，费用局，效率低。

1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图1-1晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节处罚装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。

直流斩波器-电动机系统的原理图示于图1-2，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形()uft=，如图3.3所示，好像是电源电压US在ont时间内被接上，又在(T--ont)时间内被斩断，故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为

ondSSt

UUUT

p==(1-1)

式中t——功率开关器件的开关周期；ont——开通时间；p 占空比，onontTtfp==，其中f为开关频率。

图1-2直流斩波器-电动机系统原理图图1-3波形图

因此，根据本设计的要求应选择第一个可控直流电源。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，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角a大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。主电路原理图如图1-4所示

三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。晶闸管的控制角都是，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5-VT6，晶闸管必须