基于matlab雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 PAGE19 / NUMPAGES19Harbin Institute of Technology制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)大作業(yè)基于MATALAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真院 系： 機(jī)電工程學(xué)院 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 日 期： 2013.07.02 工業(yè)大學(xué)第一部分 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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

2、.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)4.8。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。第二部分 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算電流反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：二、電流環(huán)設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)已知PWM功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率，則。取電流濾波時(shí)間常數(shù)，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，取選擇電流調(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)為選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)

3、間常數(shù)：。電流環(huán)按超調(diào)量考慮，電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：取，因此于是，電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為那么PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為4、檢驗(yàn)調(diào)整后近似條件電流環(huán)的截止頻率。近似條件一：現(xiàn)在，滿足近似條件。（2）近似條件二：現(xiàn)在，滿足近似條件。（3）近似條件三：現(xiàn)在，滿足近似條件。綜上，可將電流環(huán)簡(jiǎn)化為傳遞函數(shù)5、運(yùn)用MATLAB繪制經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線（注：本設(shè)計(jì)采用Simulink組件中的Linear Analysis工具箱繪圖，因此不符程序）（1）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖4-1經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖（2）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性

4、曲線圖4-2經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線（3）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖4-3經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)（4）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線圖4-4經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線6、運(yùn)用MATLAB繪制未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線（1）未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖4-5未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖（2）未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線圖4-6未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線伯德圖得到的頻域性能指標(biāo)為，幅值裕度：，相位裕度：，截止頻率?？梢?jiàn)，電

5、流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕度，其頻域特性是優(yōu)良的。（3）未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖4-7 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖（4）未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線圖4-8 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線五、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)：。轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：。選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)速無(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)按典型II型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能均比較好的原則，取，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益

6、()于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為4、檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)截止頻率為 （）近似條件一：現(xiàn)在，滿足近似條件。近似條件二：現(xiàn)在，滿足近似條件。5、運(yùn)用MTLAB繪制經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線（1）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖5-1經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖（2）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線圖5-2經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線（3）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖5-3經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖（4）經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線圖5-4經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)頻率特性

7、曲線6、繪制經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線（1）未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖5-5 未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖（2）未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線圖5-6 未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線（3）未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖5-7 未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖（4）未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線圖 5-8 未過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線（5）完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖5-9 完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖（6）完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性曲線圖5-10完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率

8、特性曲線得系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線，相位裕度：，截止頻率?？梢?jiàn)，電流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕度，其頻域特性是優(yōu)良的。六、階躍信號(hào)速度輸入條件下的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、電流調(diào)節(jié)器輸出過(guò)渡過(guò)程曲線與其設(shè)計(jì)結(jié)果分析轉(zhuǎn)速分析圖6-1 雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖6-2 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號(hào)輸入下轉(zhuǎn)速輸出過(guò)渡過(guò)程曲線電流分析圖6-3 雙閉環(huán)系統(tǒng)電流輸出Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖6-4 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號(hào)輸入下電流輸出過(guò)渡過(guò)程曲線轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出分析圖6-5 雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖6-6 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號(hào)輸入下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出過(guò)渡過(guò)程曲線電流調(diào)節(jié)器輸出分析圖6-7 雙閉環(huán)系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器輸出Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖6-8 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號(hào)輸入下電流調(diào)節(jié)器輸出過(guò)渡過(guò)程曲線分析設(shè)計(jì)結(jié)果與要求指標(biāo)的符合性由圖4-8可以看出，電流環(huán)電流超調(diào)量約為，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。由圖6-2可以看出，轉(zhuǎn)速輸出過(guò)渡過(guò)程曲線的超調(diào)量為，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。由圖6-2可以看出，過(guò)渡