畢業(yè)設(shè)計(jì)基于matlab的vm雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真報(bào)告

1、基于基于 matlabmatlab 的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 目目 錄錄 一、摘要 2 二、總體方案設(shè)計(jì) 3 1、控制原理 2、控制結(jié)構(gòu)圖 三、參數(shù)計(jì)算5 1、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 2、動態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 四、穩(wěn)定性分析8 1、基于經(jīng)典自控理論得分析 2、利用 matlab 輔助分析 a、利用根軌跡分析 b、在頻域內(nèi)分析 奈氏曲線： bode 圖 利用單輸入單輸出仿真工具箱分析 用 simulink 仿真 五、系統(tǒng)校正14 1、系統(tǒng)校正的工具 2、調(diào)節(jié)器的選擇 3、校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 4、限流裝置的選擇 六、系統(tǒng)驗(yàn)證15 1、分析系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo) 2、單位階躍響應(yīng) 3、simuli

2、nk 仿真系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行情況 七、心得體會20 八、參考文獻(xiàn)20 一、摘一、摘 要要 運(yùn)動控制課是后續(xù)于自動控制原理課的課程，是更加接近 本專業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的一門課程。 直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平 滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到 了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比 較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的 基礎(chǔ)。所以加深直流電機(jī)控制原理理解有很重要的意義。 本設(shè)計(jì)首先進(jìn)行總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后確定各個(gè)參數(shù)，當(dāng)明 確了系統(tǒng)傳函之后，再進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，進(jìn) 行整定以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 另外，設(shè)計(jì)過程中還要以 ma

3、tlab 為工具，以求簡明直觀而 方便快捷的設(shè)計(jì)過程。 二、總體方案設(shè)計(jì)二、總體方案設(shè)計(jì) 1 1、控制原理、控制原理 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的 無極平滑調(diào)速。 所以，設(shè)計(jì)如下的原理圖： 圖 1、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 轉(zhuǎn)速用與電動機(jī)同軸相連的測速電機(jī)產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)速的 電壓信號反饋到輸入端，再與給定值比較，經(jīng)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生控 制電壓，再通過電力電子變換器來調(diào)節(jié)電機(jī)回路電流，達(dá)到控 制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，主電 路用晶閘管可控整流器調(diào)節(jié)對電機(jī)的電源供給。 所以，更具體的原理

4、圖如下： 圖 2、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖 2 2、控制結(jié)構(gòu)圖、控制結(jié)構(gòu)圖 有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié) 構(gòu)圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。 圖 3、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 同理，用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)， 表示成結(jié)構(gòu)圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。 由所學(xué)的相關(guān)課程知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電 子變換環(huán)節(jié)是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一 階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)。 所以，可以得到如下的框圖： 圖 4、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 三、參數(shù)計(jì)算三、參數(shù)計(jì)算 設(shè)計(jì)完系統(tǒng)框圖，就可以用

5、已知的傳遞函數(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)要求 中給定的參數(shù)進(jìn)行對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)兩套參數(shù)的計(jì)算。以便于 后續(xù)步驟利用經(jīng)典控制論對系統(tǒng)的分析。 為了方便以下的計(jì)算，每個(gè)參數(shù)都采用統(tǒng)一的符號，這里 先列出設(shè)計(jì)要求中給出的參數(shù)及大?。?電動機(jī)：pn=10kw un=220v idn=55a nn=1000rpm ra=0.5 晶閘管整流裝置：二次線電壓 e2l=230v ks=44 主回路總電阻：r=1 測速發(fā)電機(jī)：pnc=23.1kw unc=110v idn=0.21a nnc=1900rpm 系統(tǒng)運(yùn)動部分：飛輪矩 gd2=10nm2 電樞回路總電感量：要求在主回路電流為額定值 10時(shí)， 電流仍連續(xù) 生產(chǎn)機(jī)械：d=

6、10 s5 1 1、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 n a dn n n ce riu a、空載到額定負(fù)載的速降 nn 由公式： （其中 d，s 已知） 得：nn5.26rpm b、系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù) k 由公式： （由公式 可算出 ce =0.1925vmin/r） 得：k=53.3 c、測速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù) a )1 ( n n sn sn d )1 ( e d kc ri n 設(shè)：測速發(fā)電機(jī)電動勢系數(shù)= unc/ nnc=0.0579 vmin/r 測速發(fā)電機(jī)輸出電位器 rp2分壓系數(shù) a2 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，人為選定 a2=0.2 則 a=cec a2=0.01158 注：1、a2正確性的驗(yàn)

7、證： 反饋通道的輸出用于和給定比較，參照圖 3 的標(biāo)注，un 略小于 un即可， 當(dāng) a2=0.2 時(shí)，un=11.58v 滿足要求（圖 1 中，3 為-， 2 為+ ，7 要求+，也可驗(yàn)證） 2、rp2的選擇主要從功耗方面考慮，以不致過熱為原則。 d、運(yùn)算放大器的放大系數(shù) kp 由公式 （其中 即 a） kp 20.14 取 kp=21 （若向小方向取，可能影響快速性，由于后加限幅電 路，略大無妨） 此處的近似，使 k 由 53.3 變?yōu)?55.58 e sp c kk k 2 2、動態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、動態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 在經(jīng)典控制論中，動態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳函，所以要 求出傳函并根據(jù)已知求的

8、傳函中的未知參數(shù)，再用勞斯判據(jù)得 出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、 準(zhǔn)、快指標(biāo)平衡在要求范圍內(nèi)的值上。 由圖 4，得系統(tǒng)開環(huán)傳函 其中,ts晶閘管裝置滯后時(shí)間常數(shù) tm機(jī)電時(shí)間常數(shù) tl：電磁時(shí)間常數(shù) 主電路電感值 l 1 根據(jù)要求在主回路電流為額定值 10時(shí)，電流仍連續(xù)。 結(jié)合抑制電流脈動的措施中關(guān)于 l 的討論，得： ) 1)(1( )( m 2 ms ststtst k sw l 公式： 其中，整流變壓器副邊額定相電壓（二次相電壓） 得：l=0.017h 其他未知參數(shù)計(jì)算 2 電磁時(shí)間常數(shù) 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為 ts = 0

9、.00167 s 系統(tǒng)傳函為：系統(tǒng)傳函為： mind 2 693 . 0 i u l v 8 .132 3 230 3 2 2 l u u s 017. 0 0 . 1 017 . 0 r l tl s 075 . 0 1925 . 0 30 1925 . 0 375 0 . 110 375 me 2 m cc rgd t ）（ ）（ 1s075 . 0 s001275 . 0 1s00167 . 0 58.55 sw 2 四、穩(wěn)定性分析四、穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定是系統(tǒng)首要的條件，一切的分析只有建立在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上 才有意義。 1 1、基于經(jīng)典自控理論得分析、基于經(jīng)典自控理論得分析 根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳函

10、特征方程 01 11 )( 1 sm 2 sm 3 sm s k tt s k ttt s k ttt ll 1 11 )( 1 )1 ( ) 1)(1( / 1 ) 1)(1( / )( sm 2 sm 3 sm e sp m 2 ms esp m 2 ms esp c s k tt s k ttt s k ttt kc kk ststtst ckk ststtst ckk sw l l l l l 應(yīng)用三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件 是 代入整理得： 或 所以： 把所得參數(shù)代入 就是說，k 小于 49.4 系統(tǒng)才穩(wěn)定。 但是，按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求計(jì)算出的要k 53.

11、3 它們是矛盾的。 所以，當(dāng)前的系統(tǒng)是不滿足要求的。 00000 30213210 aaaaaaaa， ssms )1 ()(ttktttt ll 0 111 )( smsmsm k ttt k tt k ttt ll s 2 ssm )( tt tttt k l l 4 . 49 )( s 2 ssm tt tttt k l l 2 2、利用、利用 matlabmatlab 輔助分析輔助分析 設(shè)計(jì)使用 matlab 版本：7.2.0.232 （r2006a） 【simulink v7.2 control system toolbox v7.0】 a a、利用根軌跡分析、利用根軌跡分析 系統(tǒng)傳

12、函可化為 w=26123577/(s+20.4)*(s+38.5)*(s+600) 此處對原傳函稍作近似，把原傳函 s2系數(shù)由 0.001275 近似為 0.001275，即可得到本傳函 化成 lti 標(biāo)準(zhǔn)型傳函 1 程序： k=26123577; d=conv(conv(1 20.4,1 38.5),1 600);- -卷積函數(shù) s1=tf(k,d) - -化成 lit 標(biāo)準(zhǔn)型函數(shù) 運(yùn)行結(jié)果： 求零極點(diǎn)： 2 程序：num=2.612e007; den=1 658.9 3.613e004 2.659e007; z,p,k=tf2zp(num,den) - -解出零極點(diǎn) 運(yùn)行結(jié)果: 顯然，在虛

13、軸右半面有極點(diǎn) 系統(tǒng)不穩(wěn)定 繪制根軌跡: 3 程序： k=26123577; d=conv(conv(1 20.4,1 38.5),1 600); s1=tf(k,d); rlocus(s1) - -繪制根軌跡函數(shù) 運(yùn)行結(jié)果: 上圖右下方極點(diǎn)放大圖 從根軌跡圖上很直觀地看到位于在虛軸右半面有極點(diǎn)，系統(tǒng)不 穩(wěn)定。 b b、在頻域內(nèi)分析、在頻域內(nèi)分析 奈氏曲線：奈氏曲線： 1 1 程序：k=26123577; d=conv(conv(1 20.4,1 38.5),1 600); s1=tf(k,d); figure(1); nyquist(s1) 運(yùn)行結(jié)果： bodebode 圖圖 2 2 程序：

14、 k=26123577; d=conv(conv(1 20.4,1 38.5),1 600); s1=tf(k,d); figure(1); bode(s1); margin(s1); grid 運(yùn)行結(jié)果： 所得參數(shù)： 利用單輸入單輸出仿真工具箱分析利用單輸入單輸出仿真工具箱分析 3 3 rltool 和 sisotool 命令都能調(diào)用單輸入單輸出仿真程序， 只是 rltool 僅通過根軌跡來分析，sisotool 還包括 bode 圖。 菜單 designsedit compensator 可修改增益，修改 的值為當(dāng)前增益的倍數(shù)（圖 5） 。 圖 5 圖 6 k=21 時(shí)的階躍響應(yīng) ：圖 6

15、 菜單 tools 下可以直接調(diào)出輸出波形，可見系統(tǒng)振蕩（圖 7） 。 圖 7 用用 simulinksimulink 仿真仿真 4 4 圖圖 8 8 simulinksimulink 仿真連接圖仿真連接圖 輸出示波器波形：很明顯系統(tǒng)振蕩輸出示波器波形：很明顯系統(tǒng)振蕩 （由于沒加限幅，電流早已過大，電機(jī)已毀，實(shí)際中是不存在 的） 圖圖 9 9、當(dāng)前系統(tǒng)輸出曲線、當(dāng)前系統(tǒng)輸出曲線 五、系統(tǒng)校正五、系統(tǒng)校正 為了滿足要求，還保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采用加調(diào)節(jié)器校正 的方法來整定系統(tǒng)。 1 1、系統(tǒng)校正的工具、系統(tǒng)校正的工具 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是 bode 圖，即開環(huán)對 數(shù)頻率特性的漸近

16、線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn) 定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動 態(tài)的性能。因此，bode 圖是自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使 用的方法。 伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系 中頻段以-20db/dec 的斜率穿越 0db，而且這一斜 率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好； 截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性 越好； 低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高； 高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明 系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。 相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 gm。 一般要求： = 30 60 gm 6db 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動態(tài)性能

17、或穩(wěn)定裕度， 確定校正后的預(yù)期對數(shù)頻率特性，與原始系統(tǒng)特性相減，即得 校正環(huán)節(jié)特性。具體的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，有時(shí)須反復(fù)試湊， 才能得到滿意的結(jié)果。 2 2、調(diào)節(jié)器的選擇、調(diào)節(jié)器的選擇 p p 調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器：采用比例（p）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可 使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足一定的穩(wěn)態(tài) 精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有 靜差的調(diào)速系統(tǒng)。 i i 調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器：采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定 轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜 差調(diào)速。 pipi 調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器：比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種 規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克

18、服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比 例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 3 3、校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并驗(yàn)證，本系統(tǒng)加 pi 調(diào)節(jié)器可滿足要求，調(diào)節(jié)器 的傳函為： 用 simulink 仿真: 電機(jī)環(huán)節(jié)經(jīng)分解，可等效成： s s sw 088 . 0 1049 . 0 )( pi simulink 中創(chuàng)建的模型： 轉(zhuǎn)速波形： 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)： 查看階躍響應(yīng) 圖圖 9 9、單位階躍響應(yīng)、單位階躍響應(yīng) 最大轉(zhuǎn)速：1130rpm 調(diào)節(jié)時(shí)間：0.293s 超調(diào)量：11.3 由下圖可見，電樞電流峰值達(dá)到了 250 多安，實(shí)際電機(jī)允許的 瞬間最大電壓為額定值的 1.5 倍，即 82.5a，所以此系統(tǒng)還需 加限流裝置。 圖圖 1010、電機(jī)電樞電壓及轉(zhuǎn)速曲線、電機(jī)電樞電壓及轉(zhuǎn)速曲線 4 4、限流裝置的選擇：、限流裝置的選擇： idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 idbl =（1.52） in 從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止 電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 idcr （1.11.2）in 本系統(tǒng)