《機(jī)電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》課程大作業(yè)基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、機(jī)電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程大作業(yè)一基于matlab的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)：年月一 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式h橋pwm方式驅(qū)動(dòng)，已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：額定功率200w；額定轉(zhuǎn)速48v；額定電流4a；額定轉(zhuǎn)速=500r/min；電樞回路總電阻w；允許電流過(guò)載倍數(shù)l=2；電勢(shì)系數(shù)0.04vmin/r；電磁時(shí)間常數(shù)0.008s；機(jī)電時(shí)間常數(shù)0.5；電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)1ms；要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓10v；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10v；pwm功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率10khz；放大倍數(shù)4

2、.8。試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；電流超調(diào)量5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s 25%；過(guò)渡過(guò)程時(shí)間0.5 s。二. 設(shè)計(jì)過(guò)程1. 計(jì)算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：2. 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果(1) 確定時(shí)間常數(shù)由已知條件知濾波時(shí)間常數(shù)0.2ms=0.0002s，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，取(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型i型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為gacrs=kiis+1is(3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù)i=tl=0.008s。電流環(huán)超調(diào)量5%考慮，電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：取，因此于是，電流調(diào)

3、節(jié)器的比例系數(shù)為ki=kiirks=1666.670.00881.254.8=17.78(4) 檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截止頻率ci=ki=1666.67 1/s1) 近似條件一：現(xiàn)在，13ts=130.0001=3333.3ci，滿(mǎn)足近似條件。2) 近似條件二： 現(xiàn)在，滿(mǎn)足近似條件。3) 近似條件三：現(xiàn)在，滿(mǎn)足近似條件。(5) 編制matlab程序，繪制經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡(jiǎn)化后的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過(guò)編制marlab程序進(jìn)行仿真，程序如下：sys0=1/1.25; sys1=tf(6,0.

4、0003 1); sys2=tf(0.125,0.008 1); w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0); figure(1); margin(sys1*sys2* w); hold on grid on figure(2); closys1=sys0*sys1*sys2 *w/(1+sys1*sys2* w); t=0:0.0001:0.0035; step(closys1,t); grid on通過(guò)matlab仿真，獲得如下圖所示的經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的單

5、位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如下圖所示，可知電流超調(diào)量=4.32%5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。(6) 編制matlab程序，未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果，建立如下圖所示的未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡(jiǎn)化后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過(guò)編制marlab程序進(jìn)行仿真，程序如下： sys0=tf(1,0.0002 1); sys1=tf(1.25,0.0002 1); sys2=tf(4.8,0.0001 1); sys3=tf(0.125,0.008 1); w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0); figure(1); ma

6、rgin(sys1*sys2*sys3*w); hold on grid on figure(2); closys1=sys0* sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w); t=0:0.0001:0.008; step(closys1,t); grid on通過(guò)matlab仿真，獲得如下圖所示的未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如下圖所示，可知電流超調(diào)量=4.57%5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。比較經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合

7、并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)和未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)可知，在滿(mǎn)足近似條件的前提下，可以按小慣性環(huán)節(jié)的降階處理方法，將小慣性環(huán)節(jié)合并成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，從而簡(jiǎn)化電流環(huán)，并且不影響結(jié)果。3. 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果(1) 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)2。轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)ton=1ms=0.001s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：。(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差由轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)該按典型型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該選擇pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：gasrs=knns+1ns(3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)

8、按跟隨性和抗擾性能均分比較好的原則，又通過(guò)校核，發(fā)現(xiàn)取h=5時(shí)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量s=37.6%25%，不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，故取h=10, 則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為：(4) 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)截止頻率為cn=kn1=knn=468750.008=375 1/s1) 近似條件一：現(xiàn)在，滿(mǎn)足近似條件。2) 近似條件二：現(xiàn)在，滿(mǎn)足近似條件。(5) 編制matlab曲線(xiàn)，繪制經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過(guò)編制marlab程序進(jìn)行仿真，程

9、序如下： n=50; sys1=tf(0.016,0.0016 1); sys2=tf(8,0.02 0); w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0); figure(1); margin(sys1*sys2*w); hold on grid on figure(2); closys1=n* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*w); t=0:0.001:0.06; step(closys1,t); grid on通過(guò)matlab仿真，獲得如下圖所示的經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)

10、經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如下圖所示，可知轉(zhuǎn)速超調(diào)量=23.3%25%，過(guò)渡過(guò)程遠(yuǎn)小于0.5s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。(6) 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)matlab根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過(guò)編制marlab程序進(jìn)行仿真，程序如下： sys0=tf(1,0.001 1); sys1=tf(0.8,0.0003/1666.67 1/1666.67 1); sys2=tf(8,0.02 0); sys3=tf(0.02,0.001 1); w=53.71

11、*tf(0.016 1,0.016 0); figure(1); margin(sys1*sys2*sys3*w); hold on grid on figure(2); closys1=sys0* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*sys3*w); t=0:0.001:0.05; step(closys1,t); grid on通過(guò)matlab仿真，獲得如下圖所示的未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)和單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如下圖所示，可知轉(zhuǎn)速

12、超調(diào)量=24.7%25%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。比較經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)和未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)可知，在滿(mǎn)足近似條件的前提下，可以按小慣性環(huán)節(jié)的降階處理方法，將小慣性環(huán)節(jié)合并成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，從而簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)速環(huán)，并且不影響結(jié)果。4. 建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的simulink仿真模型，對(duì)上述分析設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真各個(gè)out端口處的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖所示：分析圖可知，轉(zhuǎn)速超調(diào)量和過(guò)渡時(shí)間均符合要求，如下圖所示：將輸出用示波器仿真，如下圖所示：圖中各示波器如下圖所示：scope（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出）scope1（電流調(diào)節(jié)器輸出）scope2（電流）

13、scope3(轉(zhuǎn)速)由圖發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論結(jié)果有較大差別，原因可能在于圖中的限幅元件。ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1yp

14、czeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvsm6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vsur9zpfzfmfsjhcfca37lnw2vvlrkn7r8psz1bn6oric5hu5z6hcxayqynpog8duybawqsl20csg06dh2sm8hltgpkicskrgopdpuhbj1lmpk7lydvc6nnmwl3fwhzftfvyaary7lhssxj10v3ph3y19bxyr77ib7c

15、pzsu2tijqe3hkqkkau9kskcphkxuikvvyjzpg2yijrkqfbggovyqkuxnwi9omnjtt6qilzxtyrf7d20fbmabcfiixrqkusvnxbppfuxyq1fjskfsubkgs2duvqc9sz4jkbgn4qqv66pyoarjurnfj3txyfclzieeptwfjthpheipdfnqnr2hjqkv2dzwtmpdjqkbcxmovdsjqctjagjmdlskpgad2s0h0vmzgaht36gyuez7umank1ndreubeqdgrx0venqgnsyib2ilq3siqrnl4m56t7z8y8da5k0kupn5

16、nzg4jvjdtffhyt82aogqkxo4vblmleiy2p7hthbho07rcfttxodydppdtqso7wxd0j6fkklgm4wodzplhtrr2xgqn13hqy59zu1gegdyqnihntavsieuefqcyfucjwd3vk5i7ykmhundmiz ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6

17、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