自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)

1、精品文檔自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求：對(duì)以下5馬力他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器的輸入為轉(zhuǎn)速偏差，輸出為施加于電機(jī)上的電樞電壓。指令轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 rad/s (1911 rpm)。1. 建立直流電機(jī)以電樞電壓為輸入、角轉(zhuǎn)速為輸出的傳遞函數(shù)，用MATLAB*軟件編制m程序進(jìn)行Bode圖輔助設(shè)計(jì)，選擇適宜的控制器結(jié)構(gòu)及參數(shù)，使系統(tǒng)滿足以下根本要求：1系統(tǒng)對(duì)階躍型轉(zhuǎn)速指令無靜差；2開環(huán)系統(tǒng)增益穿越頻率為1015rad/s此值影響電機(jī)啟動(dòng)電流；3相角裕度>60°。2. 用Simulink搭建mdl仿真模型采用分解模型，否那么無法觀察電樞電流對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、完善

2、，使最終設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步滿足下述要求：1空載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速爬升到指令值90%的時(shí)間<0.5s；2空載啟動(dòng)電流以過渡過程中的最大值計(jì)不超過額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)的數(shù)值。3. 在電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行中突加階躍型額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，觀察轉(zhuǎn)速跌落情況并與無閉環(huán)控制的電機(jī)做比照，分析、體會(huì)閉環(huán)控制在抗擾性方面的優(yōu)勢(shì)。電機(jī)參數(shù)如示：勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)額定電壓：240 V 電樞電感L：0.028 H額定電流：19.7 A 轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt：1.03 N·m/A額定轉(zhuǎn)速：183 rad/s (1750 rpm) 電勢(shì)常數(shù)Kv：1.03 V·s/rad額定轉(zhuǎn)矩：20.4 N·m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：0.022

3、15 Kg·m2電樞電阻R：2.581 ohm 粘性摩擦系數(shù)c：0.002953 N·m·s二、原理推導(dǎo)三、設(shè)計(jì)過程1.利用MATLAB編程進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，時(shí)系統(tǒng)滿足前三個(gè)條件 1對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行分析原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： 1661-s2 + 92.31 s + 1723繪制出原系統(tǒng)的波特圖；分析：由圖知穿越頻率不滿足要求，而且系統(tǒng)要求對(duì)階躍響應(yīng)無誤差跟蹤，那么需要增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)。那么傳函變?yōu)椋?1661-s3 + 92.31 s2 + 1723 s對(duì)應(yīng)波特圖為：為滿足條件穿越頻率在1015HZ間，增加K以滿足條件，增加K后穿越頻率會(huì)向右移，但同時(shí)系統(tǒng)的相位裕度也會(huì)減

4、小，為滿足題目要求，需合理選擇K值，經(jīng)過比擬試驗(yàn)，此處K取10，此時(shí)所得的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 1.89e004-s3 + 92.31 s2 + 1723 s所得系統(tǒng)的波特圖為：分析可知，此時(shí)系統(tǒng)的穿越頻率為9.02<10，不滿足穿越頻率要求；相位裕度滿足要求?？梢栽僭O(shè)計(jì)一個(gè)超前校正器以適當(dāng)增大穿越頻率，同時(shí)增加相位裕度。波特圖輔助分析程序：clearL=0.028;Kt=1.03;Kv=1.03;J=0.02215;R=2.581;c=0.002953;K=10;n1=Kt/(J*L)*K;d1=1 (R/L+c/J) (c*R+Kv*Kt)/(J*L);n2=1;d2=1 0;num=c

5、onv(n1,n2);den=conv(d1,d2);sys=tf(num,den)bode(num,den)title('ͼ3 ¼ÓÈë±ÈÀý»·½ÚºóϵͳµÄ²¨ÌØͼ')grid超前校正器設(shè)計(jì)所用MATLAB程序：clearL=0.028;Kt=1.03;Kv=1.03;J=0.022

6、15;R=2.581;c=0.002953;K=10;n1=Kt/(J*L)*K;d1=1 (R/L+c/J) (c*R+Kv*Kt)/(J*L);n2=1;d2=1 0;num=conv(n1,n2);den=conv(d1,d2);sys=tf(num,den)Pm0=63;gamad=65; % 設(shè)計(jì)相位裕度phai=gamad-Pm0+7;pha=phai*pi/180;alpha=(1+sin(pha)/(1-sin(pha);mag,phase,w=bode(sys);adb=20*log10(mag);am=-10*log10(alpha);wgc=spline(adb,w,am

7、);%插值T=1/(wgc*sqrt(alpha);alphat=alpha*T;Gc=tf(alphat 1,T 1)超前校正器函數(shù)： 0.113 s + 1-0.08246 s + 1系統(tǒng)的開環(huán)傳函為 1877 s + 1.661e004-0.08246 s4 + 8.612 s3 + 234.4 s2 + 1723 s系統(tǒng)波特圖為：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為：分析：由圖5知:對(duì)階躍響應(yīng)無誤差跟蹤 由圖4知：系統(tǒng)的穿越頻率為10.4>10，相位裕度為68.4度>60度，滿足題目要求。2.用Simulink搭建mdl仿真模型對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、完善。參加矯正器后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：將具體參數(shù)帶

8、入有：a)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間 得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖為：圖6 用simulink仿真得到的系統(tǒng)階躍圖結(jié)果分析：由圖可知，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為0.2秒，小于設(shè)計(jì)要求的0.5秒，滿足設(shè)計(jì)要求。b觀察比擬沖擊電流的大小以及電流響應(yīng)過程：1未加矯正器時(shí)直接在U=240V下啟動(dòng)電流電路結(jié)構(gòu)：電流響應(yīng)圖：圖7 無閉環(huán)控制時(shí)額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)電流響應(yīng)圖分析：可以看出沖擊電流較大，約為72A.2參加矯正器后電路結(jié)構(gòu)：電流響應(yīng)圖：圖8 參加控制器后在200r/min指令下的電流響應(yīng)圖結(jié)果分析：由圖7和圖8比照可知，參加矯正器后，空載啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流約為35A，小于在240V電壓下直接空載啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流值約72A

9、，滿足設(shè)計(jì)要求。3.在電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行中突加階躍型額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，觀察轉(zhuǎn)速跌落情況并與無閉環(huán)控制的電機(jī)做比照，分析。a)有閉環(huán)控制時(shí)在2秒時(shí)突加階躍型額定負(fù)載的轉(zhuǎn)速的變化響應(yīng)過程：電路結(jié)構(gòu)：參加200r/min指令后得到轉(zhuǎn)速變化圖：圖9 參加閉環(huán)控制穩(wěn)定運(yùn)行2秒后參加負(fù)載后轉(zhuǎn)速變化圖b) 無閉環(huán)控制時(shí)在2秒時(shí)突加階躍型額定負(fù)載的轉(zhuǎn)速的變化響應(yīng)過程：電路結(jié)構(gòu)1：所得圖形：圖10 無閉環(huán)控制器穩(wěn)定運(yùn)行2秒后參加負(fù)載后轉(zhuǎn)速變化圖結(jié)果比擬分析：無閉環(huán)控制時(shí)參加額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)速下降約40r/min，自動(dòng)調(diào)節(jié)能力差，抗干擾能力差。而參加閉環(huán)控制器后，穩(wěn)定運(yùn)行后參加干擾后，轉(zhuǎn)速雖有短暫下降，但下降幅度較小

10、，且自動(dòng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，恢復(fù)到接近干擾前的轉(zhuǎn)速水平，即參加閉環(huán)控制器后系統(tǒng)的抗干擾能力提高明顯。四其他方案比擬： 此題目也可以不用超前校正器，由圖3可以看出，此時(shí)相位裕度為63.1度，穿越頻率為9.02HZ，通過適當(dāng)增加K值，可以使穿越頻率右移，雖然相位裕度有所下降，但此時(shí)仍可以保證大于60度。電路結(jié)構(gòu)如示：此時(shí)系統(tǒng)的波特圖為：用simulink得到的階躍響應(yīng)圖為：圖12 只計(jì)入比例和積分環(huán)節(jié)得到的階躍響應(yīng)圖得到的電流響應(yīng)為：圖13 只計(jì)入比例和積分環(huán)節(jié)參加階躍響應(yīng)得到的電流響應(yīng)圖2秒時(shí)參加干擾信號(hào)得到準(zhǔn)轉(zhuǎn)速變化圖圖14 2秒時(shí)參加干擾信號(hào)得到準(zhǔn)轉(zhuǎn)速變化圖比照分析：由圖6和圖12參加矯正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)

11、的階躍響應(yīng)圖可以看出，雖然兩者的響應(yīng)時(shí)間都接近0.2秒，但是未加超前校正環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)有超調(diào)量，但是參加 矯正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間會(huì)增加，但是沒有出現(xiàn)超調(diào)，這是因?yàn)槌靶Ｕh(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的相位裕度，從而減小超調(diào)。同時(shí)比照?qǐng)D9和圖14可以看出，未參加超前校正器的系統(tǒng)對(duì)指定轉(zhuǎn)速仍有超調(diào)，而在比例和積分環(huán)節(jié)上載加上超前校正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)對(duì)指定指令沒有超調(diào)，設(shè)計(jì)更優(yōu)。結(jié)論：通過比照，仍選擇矯正器環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)加上積分環(huán)節(jié)再加上超前校正器共同構(gòu)成，即為標(biāo)題三設(shè)計(jì)過程中所得到的校正器。即其電路結(jié)構(gòu)仍為：五心得體會(huì)與總結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)考察了較多根本概念及對(duì)書本的理解，比方如何實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的無誤差跟蹤以及對(duì)閉環(huán)控制等

12、對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響等。開始設(shè)計(jì)的時(shí)候由于對(duì)題意理解沒有到位而采用慣性思維直接將控制器加在了輸入電壓后面，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)失敗，后來即使調(diào)整，認(rèn)真將題目要求理解透徹的根底上整理了設(shè)計(jì)思路，然后開始具體實(shí)施，防止了整個(gè)方向出錯(cuò)。同時(shí)本次設(shè)計(jì)也考察了波特圖的很多知識(shí)，比方K對(duì)穿越頻率的影響，相位裕度與超調(diào)量的關(guān)系等，通過此次實(shí)驗(yàn)也加深了對(duì)波特圖的理解，復(fù)習(xí)了課本上的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)更加熟練了MATLAB編程方式，在設(shè)計(jì)過程中葉更加注重標(biāo)準(zhǔn)，字體圖標(biāo)相對(duì)以前也有了一些進(jìn)步，也會(huì)多用多一些比照的方式，而不再單一的完成設(shè)計(jì)任務(wù)，所獲得的提高也更大一些?？傮w來說，此次課程設(shè)計(jì)收獲較大，通過自己翻閱資料然后完成設(shè)計(jì)能較大的提高自己的能力，希望以后能多做這樣的課程設(shè)計(jì)，也會(huì)在完成過程中更加標(biāo)準(zhǔn)，力求做得更好。六參