开环控制系统

摘要

运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用RS232或者DNC方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。

电动机作为把电能转换为机械能的设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的几点能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。此次设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

V-M双闭环直流调速系统建模与仿真

1设计任务初始条件及要求

1.1设计目的

（1）、更系统的掌握《运动控制系统》这一课程所学知识，能够应用运动控制系统设计规范、计算手册和计算机辅助设计软件进行运动控制系统的结构设计和参数计算。

（2）、了解双闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。 （3）、学习应用计算机仿真软件Matlab进行仿真设计。

（4）、通过课程设计，加强动手能力，培养综合专业知识的能力。 1.2设计要求 （1）、已知条件：

以安装在面板上的12V直流电机为被控对象，设计闭环调速系统，使其转速在0—1500rpm连续可调；应有被控对象的检测和反馈环节，重点在于调节器的合理设计。

（2）、技术要求： 稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量（3）、设计要求：

① 简述单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理。

i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。

② 分析所设计系统的静态性能指标和动态性能指标。 ③ 根据动态性能指标设计校正装置。

④ 设计出系统的Simulink仿真模型，验证所设计系统的性能。 ⑤ 给出所设计系统的性能指标：上升时间t、超调量rp%、调节时间ts、最

大启动电流Idmax、稳态误差e。

ss

2调速系统总体设计 2.1调速系统组成原理分析

单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图2-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

ASR---转速调节器 ACR---电流调节器 TG---测速发电机 TA---电流互感器 UPE---电力电子变换器 Un*---转速给定电压 Un---转速反馈电压 Ui*---电流给定电压 Ui---电流反馈电压 3、方案设计与参数

在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。由于典型Ⅰ型系统的跟随性能由于典型Ⅱ型系统，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能优于典型Ⅰ型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型Ⅰ型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型Ⅱ型系统设计。

3.1电流环的设计 1.确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间Ts0.017s； （2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有1~2Toi3.33ms，因此取Toi2ms0.002s；

（3）电流环小时间常数Ti。按小时间常数近似处理，取TiTsToi0.0037s。 2.确定将电流环设计成何种典型系统 根据设计要求i5%，而且型Ⅰ型系统设计。 3.电流调节器的结构选择

Tl0.038.1110，因此，电流环可按典Ti0.0037

电流调节器选用PI型，其传递函数为：WACRsKi4.选择电流调节器参数

ACR超前时间常数：iTl0.03s；

is1 is电流环开环增益：因为要求i5%，故应取KITi0.5，因此

KI0.50.5135.1s1 Ti0.0037于是，ACR的比例系数为KiKI5.计算电流调节器的电路参数

iR0.030.5135.11.013。 Ks0.0540电流调节器原理如图2所示，按所用运算放大器，取R040K，各电阻和电容值计算如下：

RiKiR01.0134040.52K，取40K； CiiRi0.0031030.75F，取0.75F； 40 Coi4

Toi0.00241030.2F，取0.2F。 R040

RiCiUi*R0/2R0/2Coi -++UctβIdR0/2R0/2CoiRbal

图2 电流调节器原理图

6.校验近似条件

电流环截止频率iKI135.1s1

（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足ci1。 3Ts因为

11196.1s1ci，所以满足近似条件。 3Ts30.0017（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足ci311340.82s1ci，满足近似条件。 TmTl0.180.031。 TmTl现在3（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件ci11。

3TsToi现在

1111180.8s1ci，满足近似条件。

3TsToi30.0170.002

3.2 转速环的设计 1.确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为2Ti0.0074s；

（2）转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton0.01s； （3）转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取Tn2TiTon0.0174s。 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；有根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。 3.转速调节器的结构选择

转速调节器选用PI型，其传递函数为：WASRsKn4.选择转速调节器参数

按跟随和抗绕性能都较好的原则取h=5，则 ASR超前时间常数：nhTn50.01740.087s；

转速开环增益：KNh16于是ASR的比例396.4；

2h2T2Tn2250.01742ns1。 ns系数为：Knh1CeTm2hRTn60.050.1320.1811.7。

250.070.50.01745.计算转速调节器的电路参数

转速调节器原理图如图3所示，按所用运算放大器，取R040K，各电阻 和电容值计算如下：

RnKnR011.740468K，取470K；

R0CnUn*R0/2R0/2Con -++Ui*αnR0/2R0/2ConRbal

图3 转速调节器原理图

CnnRn0.0871030.185F，取0.2F； 470Con46.校验近似条件

Toi0.0141031F，取1F。 R040转速环截止频率cnKN1KNn396.40.08734.5s1

1。 5Tn（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足cn现在

1154.1s1cn，满足简化条件。 5Tn50.0037（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件cn11。

32TonTi现在

111138.75s1cn，满足近似条件。

32TonTi320.010.0037

（3）校核转速超调量。 当h=5时，

CmaxIR1360.5%81.2%；而nNN515.2r/min，因此， CkbCe0.132CmaxnNTn515.20.0174n%%2Z81.2%21.58.3110%*CT14600.18nmb能满足设计要求。 3.3系统的稳态设计

开环系统的机械硬=IR/Ce=136*0.5/0.132=515r/min 静差率=机械硬度/空载转速=515/（1460+515）=0.26 调速范围=1.34 3.4控制器的选择与设计

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路，基本数据如下：

1.直流电动机：UN220V、IN136A、nN1460r/min，

Ce0.132V/(rmin1)，允许过载倍数λ=1.5；

2.晶闸管装置放大系数：Ks40； 3.电枢回路总电阻：R=0.5Ω； 4.时间常数：Tl0.03s，Tm0.18s；

*Uim105.电流反馈系数：0.05V/A；

1.5IN1.5136*Unm106.转速反馈系数：0.007V/(rmin1)。

nN1460设计要求：①静态指标：无静差；②动态指标：电流超调量i5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。