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1、辽宁工业大学开放性试验报告题目：基于极点配置法的直流调速系统设计与仿真院（系）:电气工程学院专业：自动化Ill班学生姓名：指导老师：（签字）起止时间：2015.3.3（2015.3.31开放性试验报告试验项目基于极点配置法的直流调速系统设计与仿真所在单位电气学院自动化教研室试验类型口科学探讨自拟课题综合设计计算机应用其它指导老师王立红试验时数16学时招收对象11级自动化专业学生招收人数6人项目探讨目的1 .驾驭状态反馈与极点配置的原理。2 .驾驭直流调速系统的分析与设计方法。3 .熟识直流调速系统的硬件电路设计、联机调试等设计过程，提高学生设计系统的实践技能。限制系统的参数和限制要求L电动机:
2、额定数据为IokW,220V,55A,1000rmin,电枢电阻Ra=O.5Q。飞轮矩GDz=IONnh2 .晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器二次线电压Ez尸230V,触发整流环节的放大系数女44。3 .V-M系统主回路总电阻R=L0o4 .测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W,110V,0.21,1900rmino5 .限制要求：系统稳定，超调量b5%,调整时间40.5s试验设计内容1 .绘制单闭环直流调速系统的原理图，依据原理图建立系统的动态结构图并求出闭环传递函数。2 .由传递函数建立系统的状态空间表达式。3 .依据系统要求的技术指标选择期望的闭环极点，设计状态反馈矩阵。
3、4 .测试系统极点配置前的单位阶跃响应。5 .测试系统极点配置后的单位阶跃响应，验证设计的正确性。院（系）：电气工程学院研室：自动化教目录第1章绪论O第2章数学模型的建立22.1 传递函数的求得过程22.2 状态空间表达式的建立4第3章极点配置6第4章仿真试验7第5章总结820世纪50年头后期，限制理论由经典限制理论向现代限制理论转变，现代限制理论是在引入状态空间概念的基础上发展起来的。与经典限制理论一样，现代限制系统中仍旧主要采纳反馈限制结构，但不同的是，经典限制理论中主要采纳输出反馈，而现代限制系统中主要采纳内部状态反馈。状态反馈可以为系统限制供应更多的信息反馈，从而实现更优的限制。闭环系
4、统极点的分布状况确定于系统的稳定性和动态品质，因此，可以依据对系统动态品质的要求，规定闭环系统的极点所应具备的分布状况，把极点的配置作为系统的动态品质指标。这种把极点配置在某位置的过程称为极点配置。在空间状态法中，一般采纳反馈系统状态变量或输出变量的方法，来实现系统的极点配置。在系统的分析和综合中，所涉与的计算主要为矩阵运算和矩阵变换，MATLAB为此供应了一个强有力的工具。利用MATLAB语言编制实现此算法的通用程序。从生产机械要求限制的物理量来看，电力拖动自动限制系统有调速系统、位置随动系统、张力限制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过限制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动限制系统
5、。相比于沟通调速系统，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限制系统中发展较早的技术。在20世纪60年头发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和限制，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、家庭自动化供应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、生活发生了巨大的改变。随着新型电力电子器件的探讨和开发以与先进限制技术的发展，电力电子和电力拖动限制装置的性能也不断优化和提高，这种改变的影响将越来越大。四十多年来，直流电机传动经验了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久
6、的直流发电机电动机组与水银装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，限制电路已经是实现高集成化、小型化、高牢靠性与低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化。在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍旧难以替代。由于直流电气传动技术的探讨和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度与牢靠性。所以，今后的一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍处于主要地位。早期直流传动的限制系统采纳模拟分别器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如
7、存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的限制精度与牢靠性较低。随着计算机限制技术的发展，直流传动系统已经广泛运用微机，实现了全数字化限制。由于微机以数字信号工作，限制手段敏捷便利，抗干扰实力强。所以，全数字直流调速限制精度和牢靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化限制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换。实现生产过程的自动化分级限制。所以，直流传动限制采纳微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的时代。2.1传递函数的求得过程与电动机同轴安装一台测速发电机TG,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un,与给定的电压Un*相比较后，
8、得到转速偏差电压AUn,经过放大器A,产生电力电子变换器UPE所需的限制电压Uc,用以限制电机的转速。这就组成了反馈限制的闭环直流调速系统，其原理框图如图2.1所不O图2.1带转速负反馈的闭环直流调速系统框图为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必需首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。建立系统动态数学模型的基本步骤如下：依据系统各个环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。1 .求出各环节的传递函数。2 .组成系统的动态结构框图，并求出系统的传递函数。以图2.1所示的直流闭环调速系统为例，构成
9、该系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机，晶闸管触发与整流装置的近似传递函数，它们的表达式是相同的，都是只是在不同场合下，参数KS和TS的数值不同而已。他励直流电动机在额定励磁下的“效电路绘于图2.2,其中电枢回路总电阻R和电感L包含电力电子变换翩阻、电枢电阻和电感L以与可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向如图2.2所示。图2.2他励直流电动机在额定励磁的等效电路假定主电路电流连续，则动态方程为：忽视粘性摩擦以与弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为：额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为式中方一一包括电动机空载转矩在内的负载转矩（Mm）；GD”一一电力拖动系统折算到电动机轴上的飞
10、轮转量（N.m2）;酬-额定励磁下电机的转矩系数（N.mA）,再定义下列时间系数：工-电枢回路电磁时间常数(三),Tm电力拖动系统机电时间常数(三)代入式子整理后得到在零初始条件下，取等式两侧的拉式变换，得电压与电流间的传递函数Id(三):Ui1q-E(三)Tis电流与电动势间的传递函数上式的动态结构框图分别如图2.3和2.4所示。考虑到n=ECe,即得额定励磁下直流电动机的动态结构框图，如图2.5所示。图2.3电压与电流间的动态结构框图图2.4电流与电动势间的结构框图图2.5额定励磁下直流电动机的动态结构框图由图2.5可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢的志向空载电压UdO,另
11、一个是负载电流IdLo前者是限制输入量，后者是扰动输入量。假如不须要在结构框图中显现出电流Id,可将扰动量IdL的综合点前移，再进行等效变换，得图2.6o假如是志向空载，则IdL=0,结构框图即简化成图2.7。由图2.6和2.7可以看出，额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节，Tm和Tl两个时间常数分别表示机电惯性和电磁惯性。若Tm4Tl,则Ud0、n间的传递函数可以分解成两个惯性环节，突加给定时，转速呈单调改变；若Tm4T1,则直流电动机是一个二阶振荡环节，机械和电磁能量相互转换，使电机的运动过程带有振荡性质。IdKS)图2.6产由节L动态结构框图的改变和简化(1)R(7+l)UM直邺电动
12、,咿表用螂改变中Pi伟(例(三)直流明逑I才J环啤i隰统4#%；学谀gg反馈环,前，马们的响应都可以认为是瞬时就因础们砌盘函是他们的放大系数:即Wa(三)=43=Kp(放大器)Aa(三)UwS)=33=(测速反馈)(s)知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来,就可以画出直流调速系统的动态结构框图，如图2.8所示。由图可见，将电力电子变换器按一介惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似的看成是一个三阶线性系统。图2.8反馈.制闭直：小3工统的动态结构框图由图2.8可见，反馈限制直流调速(弟统的外环传递函数是Un*IK设, AUn(S)合正蒯人作用上骞，闭邛直训
13、惆速系统的闭町传递函数是2.21/CeTFS2 + Tms +1限制系统的数据要求：&机：额定数据为1卜。22,，IWnrmn,电枢电阻Ra三0Q晶闸管触发整流装置：fe可控整流电路，整流变压器Y/Y联结,二次线电压U21=230V,电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻R=L0Q；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W,110V,0.21A,1900rmin;直流稳压电源15V。已知R=LOQ,Ks=44,Ce=O.1953Vminr,系统运动部分的飞轮惯量GD2=ION-m2o依据稳态性能指标D=10,sW5%计算，系统的开环放大系数应有K253.3。首先确定主电路的电感值，用
14、以计算电磁时间常数。现在(2=132.8V.3贝IJL=16.73/?/?取L=lm=0.07h计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数Tn = 0.075s=0.0175R机电时间常数对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为将以上数据代入到闭环传递函数中可以得到采纳现代限制理论中的干脆分解法，通过传递函数求得状态空间表达式：本节介绍状态反馈的应用之一:极点配置问题。闭环系统极点的分布状况确定了系统的稳定性和动态品质，因此在系统设计中，通常是依据对系统的品质要求，规定闭环系统极点应有的分布状况。所谓极点配置（或称为特征值配置）就是如何使得已给系统的闭环极点处于希望的位置。即通过K的选择
15、，使Ek=（A-BK,B,C）的极点恰好位于期望的一组极点上。在用状态反馈实现极点配置时,首先要解决能否通过状态反馈来实现随意的极点配置，即在什么条件下才有可能通过状态反馈把系统闭环极点配置在随意希望的位置上。其次是这样的状态反馈矩阵K是如何确定的。现做如下分析。给定系统E的状态空间表达式为通过状态反馈=一心能使其闭环极点位于预先随意指定位置上的必要充分条件是系统E是完全能控的。通过，将状态方程化为可控标准型，在变换后的状态空间内，引入状态反馈阵：这里分别由引出反馈系数，故变换后的状态动态方程为式中，显见惘库拴.准型，故引入状态反馈，系统可控不变。其闭环特征方程为一于是，适当选择k值，可满足特征方程中n个随意特定系统的要求，因而闭环极点可随意配置。充分性得证。由限制要求可知，%5%推导出0.69取J=0.707切=7.07wh=10贝IJ51.2=-7.0710l-2=-7.077.07S3=TOO（大于Sl模的10倍）R=2549000034494543
