双闭环直流调速系统的设计与仿真开题报告

南京工程学院

自动化学院

毕业设计开题报告

课题名称：双闭环直流调速系统的设计与仿真研究

姓名：吴杰

班级： 10自动化1

指导教师：张贞艳

所在系部：自动化学院

专业名称：自动化

南京工程学院

2014年3 月

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名吴杰学号2010071013

2

专业自动化

指导教师姓名张贞艳

职称讲师

所在系

部

自动化学院

课题来源老师自拟课题类

型

工程设计

课题名称双闭环直流调速系统的设计与仿真研究

毕业设计的内容和意义一、毕业设计的内容（包括技术要求、图标要求以及工作要求等）：

1.简单闭环调速系统系统的性能分析，其中包括单闭环有、无静差转速负反馈调速系统以及带电流截止转速负反馈调速系统的性能分析。通过比较它们的性能分析结果，得出它们的不足之处，从而引出双闭环直流调速系统。

2.双闭环直流调速系统的设计，其中包括建立双闭环调速系统的方框图以及仿真模型。并且通过仿真分析结果，与简单的闭环调速仿真分析进行比较，从而得出双闭环直流调速优越性。

3.双闭环V-M系统的设计，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。

4.双闭环PWM-M调速系统设计，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结构分析等。

二、毕业设计的意义

1.根据MATLAB/Simulink仿真平台，研究双闭环直流调速系统的性能。双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用[1]。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础[2]。

2.通过比较单闭环有、无静差转速负反馈调速系统和带电流截止负反馈调速系统的仿真结果，从而得到它们各自的不足之处，从而突出双闭环直流调速系统的优越性以及必要性。

3.通过对双闭环V-M系统和双闭环PWM-M调速系统这两种典型双闭环调速系统的的仿真分析，帮助我们更好的了解和应用双闭环直流调速系统。

4.通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

文献综述1.国内外现状及发展趋势

[1]国内现状及发展趋势

从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果【3】。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流控制的基础【4】。在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。

[2]国外现状及发展趋势

从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置直流调速已经发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、良好的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外受到广泛的应用【5】。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统的总的发展趋势也向着控制的数字化、智能化和网络化发展。

2.MATLAB/Simulink仿真平台

[1]MATLAB/Simulink的介绍

MATLAB是一种科学计算软件，MATLAB是“矩阵实验室”(Matrix Laboratory)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算机语言。由于它使用方便，输入便捷，运算高效，适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。

Simulink系统的仿真环境实在MATLAB原来的工具箱基础上拓展和开发的，它包括Simulink仿真平台和系统仿真模型库两部分，它是一个高级计算和仿真平台[6]。

[2]仿真的数值算法

Ode45为基于显式Rung-Kutta和Dormand-Prince组合的算法，它是一种一步解法，只要知道前一段时间点的解，就可以计算当前时间点的方程解。这种算法适用于仿真线性化程度比较高的系统。此算法是仿真默认算法。

Ode15s是一种可变阶数的Numerical differentiation formulas (DNFS）算法，当遇到刚性（stiff）问题时或者使用ode45算法不行时，你可以试试这种算法[7]。

Ode23tb（stiff/TR-BDF2)采用TR-BDF2算法，即在龙格-库塔法的第一阶段用用梯形法，第二阶段用二阶的backward differentiation formulas算法，在容差比较大时，ode23tb和ode23t都比ode15s好【8】。

3.直流调速系统

直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑无级调速，在轨钢机、铁路机车、造纸机、金属切割机床、高层电梯、矿井卷场机、挖掘机等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的运用。

可控直流电源——电动机调速系统，包括直流电动机启动、开环直流调速、单闭环直流调速、双闭环直流调速以及直流脉宽PWM-M 等调速系统的仿真[9]。

直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高，维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有较高的过载能力、较大的启动转矩和良好的启动、制动、平滑的调速性能，可以在很宽范围内平滑调速，能在很短的时间里改变转向，所以直流调速系统在现阶段仍然是自动调速系统的主要形式[10]。转速-电流双闭环直流调速系统具有结构简单，工作可靠，且设计较为方便的特点，是应用非常广泛的一种直流调速系统[11]。

4.双闭环直流调速系统

[1]双闭环直流调速系统的必要性

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要因为单闭环系统不能完全按照需求来控制动态过程的电流或转矩[12]。

同样，带电流截止负反馈调速系统虽然能够控制电流，但它只

值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲是在超过临界电流I

dcr

击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

因此，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接。如下图1所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置[13]。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环;转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环直流调速系统[14]。

图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构

双闭环控制的直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两个调节器进行控制，并且转速调节器的输出是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流[15]。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使其输出增加，即电流给定值上升，从而通过电流环的调节作用，使电动机电流增加、电动机获得加速转矩、电动机转速上升；当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定值减小，并且通过电流环的调节，是电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速[16]。在

运行，转速调节器饱和、输出达到限幅值时，电流环即以最大电流I

dm

实现电动机将以可能的最大加速度加速，使电动机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速起、制动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。

[2]双闭环V-M系统

电源是静止装置，由电力电子AC/DC变换器供电，通过改变晶闸管的控制角来改变可控整流器输出电压的大小和极性，这种直流调速系统为“晶闸管-电机调速系统”，简称“V-M系统”。V是晶闸管整流器，通过调节触发器装置GTF的控制电压来移动触发脉冲的

，从而实现直流电机M调速[17]。相位，即可改变整流器的输出电压U

d

，从而实现直流电机的平滑调由于晶闸管可控整流器的输出电压U

d

速。由于晶闸管可控整流器的输出电流是单方向的，因此由单组可控整流器构成的V-M系统，其输出电流不允许反向。

[3]双闭环PWM-M调速系统

脉宽调制（PWM）控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，最常用的PWM 直流调压调速技术具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点，特别在中、小容量的系统中得到了广泛的应用[18]。

随着电力电子技术的发展,70年代以来出现了有自关断能力的电力电子器件,如,电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场效管(P-MOSFET)等。由该类器件组成的直流脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)功率放大器已被成功地用于直流调速系统。它是利用器件的开关作用将直流电源电压转换成频率为2kHz左右(或更高)的方波电压,加在直流电动机的电枢上,通过对方波脉冲宽度的控制来改变电枢的平均电压,从而调节电动机的转速[19]。由于PWM调速系统中的功放元件工作在开关状态,且开关频率高,故与V-M系统相比具有下列优点:

(1)电枢电流易连续,系统低速性能好,调速范围宽;

(2)系统频带宽,快速性好,动态抗干扰能力强;

(3)主电路器件开关损耗小,装置效率高。

参考文献

[1]常万仓,杜翠静.双闭环直流调速系统工程设计与仿真[A]. 第十三届中国科协年会第10分会场-节能减排战略与测控技术发展学术研讨会论文集[C]. 2011

[2] ZHAO Yao, DING Longhan. Intelligent control of parallel double-loop DC motor speed control systems[J]. Proceedings of the 3thWorld Congress on Intelligent Control and Automation, 2000 (7): 416-418．

[3]洪乃刚《电力电子技术基础》清华大学出版社2008.1 第1版P17

[4]洪乃刚《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》机械工业出版社2006.1

[5]王昌翁国庆张有兵《电力系统的MATLAB/Simulink仿真与应用》西安科技大学出版社P168

[6]黄忠霖黄京《电力电子技术的MATLAB实践》黄京国防工业出版社 2009.1 P284

[7]周天平刘颖慧．全数字直流调速系统在轧制工艺过程中的应用[J]．机电产品开发与创新,2008，21（4）：156-157

[8]邵雪卷张井岗赵志诚等. 双闭环直流调速系统的研究[J]。电气电子教学学报，2008，30（1）：75-77

[9]陈伯时《电力拖动自动控制系统》机械工业出版社2000.6 P49

[10]陈伯时《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》机械工业出版社 2011。6

[11]周晓宁双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的研究第五届ABB杯全国自动化系统工程师论文大赛论文集

[12]韦建德基于PWM转速电流双闭环直流调速系统海南师范大学学报第23卷第4期2010.12

[13]薛定宇基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用清华大学出版社 2004年

[14]翁剑枫 MATLAB LabVIEW SystemView仿真技术基础机械工业出版社 2005年

[15]潘晓晟 MATLAB电机仿真精华50例电子工业出版社 2007年

[16]逢海萍 PWM直流调速系统与V-M直流调速系统的动态品质比较山东建材学院学报第9卷第4期 1995.12

[17]王鑫张丽铃《转速、电流双闭环直流调速系统设计》SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2010年第1期

[18]王忠礼段慧达高玉峰《MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用》清华大学出版社 2007.1

[19]王耀德《交直流电力拖动控制系统》机械工业出版社 2000.6

研究内容1.简单闭环调速系统的仿真分析

[1]单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真分析

[2]单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真分析

2.带电流截止负反馈系统的仿真分析

3.双闭环系统的仿真分析

4.双闭环V-M系统的仿真分析

5.双闭环PWM-M调速系统的仿真分析

研究计划第一周搜集资料：阅读资料、文献

第二周设计方案论证

第三周撰写开题报告，完善开题报告；

第四周开题报告检查；

第五周简单闭环调速系统的设计与仿真

第六周带电流截止负反馈的转速反洗系统设计与仿真第七周双闭环V-M调速系统相关数据计算整理

第八周 V-M系统MATLAB建模仿真

第九周双闭环PWM-M调速系统相关数据计算整理

第十周 PWM-M调速系统建模仿真

第十一周仿真分析与总结；撰写毕业设计论文

第十二周指导教师审阅论文；学生修改完善论文

第十三周准备答辩

第十四周毕业设计答辩

特色与创新1、根据计算机仿真技术，了解双闭环直流调速系统

2、通过MATLAB建立仿真模型，清晰的展现该系统的结构

3、仿真平台相对于实际的产品设计减少了开发周期，为实际产品开发提供了保障

4、与单闭环系统进行对比，突出双闭环的优越性

指导教师

意见

指导教师签名：

年月日教研室意见

主任签名：

年月日

院系意见

院系主管领导签名：

年月日附：与课题内容相关的外文资料翻译不少于2000字，参考文献不少于10种。