基于matlab的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

目錄一、摘要……………………2二、總體方案設計………31、控制原理2、控制結構圖三、參數(shù)計算………………51、靜態(tài)參數(shù)設計計算2、動態(tài)參數(shù)設計計算四、穩(wěn)定性分析……………81、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………………141、系統(tǒng)校正的工具2、調節(jié)器的選擇3、校正環(huán)節(jié)的設計4、限流裝置的選擇六、系統(tǒng)驗證………………151、分析系統(tǒng)的各項指標2、單位階躍響應3、Simulink仿真系統(tǒng)驗證系統(tǒng)運行情況七、心得體會………………20八、參考文獻………………20一、摘要運動控制課是后續(xù)于自動控制原理課的課程，是更加接近本專業(yè)實現(xiàn)應用的一門課程。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，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。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義。本設計首先進行總體系統(tǒng)設計，然后確定各個參數(shù)，當明確了系統(tǒng)傳函之后，再進行穩(wěn)定性分析，在穩(wěn)定的基礎上，進行整定以達到設計要求。另外，設計過程中還要以matlab為工具，以求簡明直觀而方便快捷的設計過程。二、總體方案設計1、控制原理根據(jù)設計要求，所設計的系統(tǒng)應為單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，選定轉速為反饋量，采用變電壓調節(jié)方式，實現(xiàn)對直流電機的無極平滑調速。所以，設計如下的原理圖：圖1、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖轉速用與電動機同軸相連的測速電機產(chǎn)生的正比于轉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節(jié)電機回路電流，達到控制電機轉速的目的。這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運算放大器實現(xiàn)，主電路用晶閘管可控整流器調節(jié)對電機的電源供給。所以，更具體的原理圖如下：圖2、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具體原理圖2、控制結構圖有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結構圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖。圖3、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖同理，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)，表示成結構圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖。由所學的相關課程知：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)是一個時間常數(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是一個二階線性環(huán)節(jié)。所以，可以得到如下的框圖：圖4、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖三、參數(shù)計算設計完系統(tǒng)框圖，就可以用已知的傳遞函數(shù)結合設計要求中給定的參數(shù)進行對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)兩套參數(shù)的計算。以便于后續(xù)步驟利用經(jīng)典控制論對系統(tǒng)的分析。為了方便以下的計算，每個參數(shù)都采用統(tǒng)一的符號，這里先列出設計要求中給出的參數(shù)及大小：電動機：PN=10kwUN=220vIdN=55AnN=1000rpmRa=0.5Ω晶閘管整流裝置：二次線電壓E2l=230vKs=44主回路總電阻：R=1Ω測速發(fā)電機：PNc=23.1kwUNc=110vIdN=0.21AnNc=1900rpm系統(tǒng)運動部分：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，電流仍連續(xù)生產(chǎn)機械：D=10s≤5﹪1、靜態(tài)參數(shù)設計計算A、空載到額定負載的速降ΔnN由公式：（其中D，s已知）得：ΔnN≤5.26rpmB、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=53.3C、測速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù)a設：測速發(fā)電機電動勢系數(shù)=UNc/nNc=0.0579Vmin/r測速發(fā)電機輸出電位器RP2分壓系數(shù)a2根據(jù)經(jīng)驗，人為選定a2=0.2則a=Ceca2=0.01158注：1、a2正確性的驗證：反饋通道的輸出用于和給定比較，參照圖3的標注，Un略小于Un※即可，當a2=0.2時，Un=11.58v滿足要求（圖1中，3為-，2為+，7要求+，也可驗證）2、RP2的選擇主要從功耗方面考慮，以不致過熱為原則。D、運算放大器的放大系數(shù)Kp由公式（其中α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)?5.582、動態(tài)參數(shù)設計計算在經(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)定的基礎上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、準、快指標平衡在要求范圍內的值上。由圖4，得系統(tǒng)開環(huán)傳函其中,Ts晶閘管裝置滯后時間常數(shù)Tm機電時間常數(shù)Tl：電磁時間常數(shù)eq\o\ac(○,1)主電路電感值L根據(jù)要求在主回路電流為額定值10﹪時，電流仍連續(xù)。結合抑制電流脈動的措施中關于L的討論，得：公式：其中，整流變壓器副邊額定相電壓（二次相電壓）得：L=0.017Heq\o\ac(○,2)其他未知參數(shù)計算電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù)對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為Ts=0.00167s系統(tǒng)傳函為：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)定的基礎上才有意義。1、基于經(jīng)典自控理論得分析根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳函特征方程應用三階系統(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)調速性能指標要求計算出的要K≥53.3它們是矛盾的。所以，當前的系統(tǒng)是不滿足要求的。2、利用MATLAB輔助分析設計使用MATLAB版本：7.2.0.232（R2021a）【SimulinkV7.2ControlSystemToolboxV7.0】A、利用根軌跡分析系統(tǒng)傳函可化為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}eq\o\ac(○,1)化成LTI標準型傳函程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);------------------卷積函數(shù)s1=tf(k,d)---------------------------------------------------------化成LIT標準型函數(shù)運行結果：eq\o\ac(○,2)求零極點：程序：num=[2.612e007];den=[1658.93.613e0042.659e007];[z,p,k]=tf2zp(num,den)------------------------------------------解出零極點運行結果:顯然，在虛軸右半面有極點系統(tǒng)不穩(wěn)定eq\o\ac(○,3)繪制根軌跡:程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);rlocus(s1)-----------------------------------------------------------------繪制根軌跡函數(shù)運行結果:上圖右下方極點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，系統(tǒng)不穩(wěn)定。B、在頻域內分析eq\o\ac(○,1)奈氏曲線：程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);figure(1);nyquist(s1)運行結果：eq\o\ac(○,2)bode圖程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);figure(1);bode(s1);margin(s1);grid運行結果：所得參數(shù)：eq\o\ac(○,3)利用單輸入單輸出仿真工具箱分析rltool和sisotool命令都能調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DesignsEditcompensator可修改增益，修改的值為當前增益的倍數(shù)（圖5）。圖5圖6K=21時的階躍響應：圖6菜單tools下可以直接調出輸出波形，可見系統(tǒng)振蕩（圖7）。圖7eq\o\ac(○,4)用Simulink仿真圖8Simulink仿真連接圖輸出示波器波形：很明顯系統(tǒng)振蕩（由于沒加限幅，電流早已過大，電機已毀，實際中是不存在的）圖9、當前系統(tǒng)輸出曲線五、系統(tǒng)校正為了滿足要求，還保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采用加調節(jié)器校正的方法來整定系統(tǒng)。1、系統(tǒng)校正的工具在設計校正裝置時，主要的研究工具是Bode圖，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。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)設計和應用中普遍使用的方法。伯德圖與系統(tǒng)性能的關系中頻段以-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，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。相角裕度g和以分貝表示的增益裕度Gm。一般要求：g=30°－60°GM>6dB實際設計時，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預期對數(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。具體的設計方法是很靈活的，有時須反復試湊，才能得到滿意的結果。2、調節(jié)器的選擇P調節(jié)器：采用比例（P）放大器控制的直流調速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)是有靜差的調速系統(tǒng)。I調節(jié)器：采用積分調節(jié)器，當轉速在穩(wěn)態(tài)時達到與給定轉速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)無靜差調速。PI調節(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，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。3、校正環(huán)節(jié)的設計根據(jù)經(jīng)驗并驗證，本系統(tǒng)加PI調節(jié)器可滿足要求，調節(jié)器的傳函為：用Simulink仿真:電機環(huán)節(jié)經(jīng)分解，可等效成：Simulink中創(chuàng)建的模型：轉速波形：系統(tǒng)的階躍響應：查看階躍響應的菜單最大轉速：1130rpm調節(jié)時間：0.293s超調量：11.3％圖9、單位階躍響應由下圖可見，電樞電流峰值達到了250多安，實際電機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10、電機電樞電壓及轉速曲線4、限流裝置的選擇：Idbl應小于電機允許的最大電流，一般取Idbl=（1.5~2）IN從調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應大于電機的額定電流，一般取Idcr≥（1.1~1.2）IN本系統(tǒng)限流值應為：82.5A六、系統(tǒng)驗證1、分析系統(tǒng)的各項指標程序：k=692670;d=conv(conv([10],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);[mag,phas,w]=bode(s1);figure(1);margin(mag,phas,w);sisotool(s1)仿真結果：其中：即：增益余度:Gm=26.6dB幅值穿越頻率：ωc=152rad/sec相角余度：γ=54.5相角穿越頻率：ωg=25rad/sec系統(tǒng)為1型，速度誤差系數(shù)：Kv=ω=252、Simulink仿真系統(tǒng)驗證系統(tǒng)運行情況系統(tǒng)可以作如下連接：給定：11.58圖11、單位階躍響應超調15.28％峰值時間0.285s調節(jié)時間0.5s可見，電機轉速快速穩(wěn)定在1000rpm，符合要求。至此，本設計基本結束。七、心得體會通過對單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的全面設計，復習和鞏固了專業(yè)知識，使自己能更加熟練地運用自控理論分析和解決問題。設計過程中，涉及的matlab仿真技術，使自控原理中的各參數(shù)得以更直觀的反映，更重要的是matlab為系統(tǒng)設計與整定提供了一個十分強大而簡便的工具，幫助我們解決了復雜運算、測繪等問題，使設計者更加集中精力解決相關的控制問題，也使控制過程的脈絡更加清晰。八、參考文獻運動控制講義唐樹森電力拖動自動控制系統(tǒng)陳伯時機械工業(yè)出版社自動控制原理胡壽松科學出版社自動控制原理的matlab實現(xiàn)黃忠霖國防工業(yè)出版社matlab控制系統(tǒng)應用實例樊京清華大學出版社

社會實踐報告系別：班級：學號：姓名：作為祖國未來的事業(yè)的繼承人，我們這些大學生應該及早樹立自己的歷史責任感，提高自己的社會適應能力。假期的社會實踐就是很好的鍛煉自己的機會。當下，掙錢早已不是打工的唯一目的，更多的人將其視為參加社會實踐、提高自身能力的機會。許多學校也積極鼓勵大學生多接觸社會、了解社會，一方面可以把學到的理論知識應用到實踐中去，提高各方面的能力；另一方面可以積累工作經(jīng)驗對日后的就業(yè)大有裨益。進行社會實踐，最理想的就是找到與本專業(yè)對口單位進行實習，從而提高自己的實戰(zhàn)水平，同時可以將課本知識在實踐中得到運用，從而更好的指導自己今后的學習。但是作為一名尚未畢業(yè)的大學生，由于本身具備的專業(yè)知識還十分的有限，所以我選擇了打散工作為第一次社會實踐的方式。目的在于熟悉社會。就職業(yè)本身而言，并無高低貴賤之分，存在即為合理。通過短短幾天的打工經(jīng)歷可以讓長期處于校園的我們對社會有一種更直觀的認識。實踐過程：自從走進了大學，就業(yè)問題就似乎總是圍繞在我們的身邊，成了說不完的話題。在現(xiàn)今社會，招聘會上的大字報都總寫著“有經(jīng)驗者優(yōu)先”，可還在校園里面的我們這班學子社會經(jīng)驗又會擁有多少呢？為了拓展自身的知識面，擴大與社會的接觸面，增加個人在社會競爭中的經(jīng)驗，鍛煉和提高自己的能力，以便在以后畢業(yè)后能真正真正走入社會，能夠適應國內外的經(jīng)濟形勢的變化，并且能夠在生活和工作中很好地處理各方面的問題，我開始了我這個假期的社會實踐-走進天源休閑餐廳。實踐，就是把我們在學校所學的理論知識，運用到客觀實際中去，使自己所學的理論知識有用武之地。只學不實踐，那么所學的就等于零。理論應該與實踐相結合。另一方面，實踐可為以后找工作打基礎。通過這段時間的實習，學到一些在學校里學不到的東西。因為環(huán)境的不同，接觸的人與事不同，從中所學的東西自然就不一樣了。要學會從實踐中學習，從學習中實踐。而且在中國的經(jīng)濟飛速發(fā)展，又加入了世貿，國內外經(jīng)濟日趨變化，每天都不斷有新的東西涌現(xiàn)，在擁有了越來越多的機會的同時，也有了更多的挑戰(zhàn)，前天才剛學到的知識可能在今天就已經(jīng)被淘汰掉了，中國的經(jīng)濟越和外面接軌，對于人才的要求就會越來越高，我們不只要學好學校里所學到的知識，還要不斷從生活中，實踐中學其他知識，不斷地從各方面武裝自已，才能在競爭中突出自已，表現(xiàn)自已。在餐廳里,別人一眼就能把我人出是一名正在讀書的學生,我問他們?yōu)槭裁?他們總說從我的臉上就能看出來,也許沒有經(jīng)歷過社會的人都有我這種不知名遭遇吧!我并沒有因為我在他們面前沒有經(jīng)驗而退后,我相信我也能做的像他們一樣好.我的工作是在那做傳菜生,每天9點鐘-下午2點再從下午的4點-晚上8:30分上班,雖然時間長了點但,熱情而年輕的我并沒有絲毫的感到過累,我覺得這是一種激勵,明白了人生,感悟了生活,接觸了社會,了解了未來.在餐廳里雖然我是以傳菜為主,但我不時還要做一些工作以外的事情，有時要做一些清潔的工作，在學校里也許有老師分配說今天做些什么，明天做些什么，但在這里，不一定有人會告訴你這些，你必須自覺地去做，而且要盡自已的努力做到最好，一件工作的效率就會得到別人不同的評價。在學校，只有學習的氛圍，畢竟學校是學習的場所，每一個學生都在為取得更高的成績而努力。而這里是工作的場所，每個人都會為了獲得更多的報酬而努力，無論是學習還是工作，都存在著競爭，在競爭中就要不斷學習別人先進的地方，也要不斷學習別人怎樣做人，以提高自已的能力！記得老師曾經(jīng)說過大學是一個小社會，但我總覺得校園里總少不了那份純真，那份真誠，盡管是大學高校，學生還終歸保持著學生的身份。而走進企業(yè)，接觸各種各樣的客戶、同事、上司等等，關系復雜，但我得去面對我從未面對過的一切。記得在我校舉行的招聘會上所反映出來的其中一個問題是，學生的實際操作能力與在校理論學習有一定的差距。在這次實踐中，這一點我感受很深。在學校，理論的學習很多，而且是多方面的，幾乎是面面俱到；而在實際工作中，可能會遇到書本上沒學到的，又可能是書本上的知識一點都用不上的情況?；蛟S工作中運用到的只是很簡單的問題，只要套公式似的就能完成一項任務。有時候我會埋怨，實際操作這么簡單，但為什么書本上的知識讓人學得這么吃力呢？這是社會與學校脫軌了嗎？也許老師是正確的，雖然大學生生活不像踏入社會，但是總算是社會的一個部分，這是不可否認的事實。但是有時也要感謝老師孜孜不倦地教導，有些問題有了有課堂上地認真消化，有平時作業(yè)作補充，我比一部人具有更高的起點，有了更多的知識層面去應付各種工作上的問題，作為一名大學生，應該懂得與社會上各方面的人交往，處理社會上所發(fā)生的各方面的事情，這就意味著大學生要注意到社會實踐，社會實踐必不可少。畢竟，很快我就不再是一名大學生，而是社會中的一分子，要與社會交流，為社會做貢獻。只懂得紙上談兵是遠遠不及的，以后的人生旅途是漫長的，為了鍛煉自己成為一名合格的、對社會有用的人才.很多在學校讀書的人都說寧愿出去工作，不愿在校讀書；而已在社會的人都寧愿回校讀書。我們上學，學習先進的科學知識，為的都是將來走進社會，獻出自己的一份力量，我們應該在今天努力掌握專業(yè)知識，明天才能更好地為社會服務。實踐心得：雖然這次的實踐只有短短的幾天，而且從事的是比較簡單的服務工作，但是通過與各種各樣的人接觸，還是讓我學會了很多道理。首先是明白了守時的重要性。工作和上學是兩種完全不同的概念，上學是不遲到很多時候是因為懼怕老師的責怪，而當你走上了工作崗位，這里更多的是由于自己內心的一種責任。這種責任是我學會客服自己的惰性，準時走上自己的崗位。這對我以后的學習生活也是一種鞭策，時刻牢記自己的責任，并努力加強自己的時間觀念。其次讓我真實的體會到了合作的重要性。雖然我工作的只是小小的一家餐廳，但是從點單到制作到遞送到結帳這一環(huán)環(huán)的工作都是有分工的，只有這樣才能使整家店的工作效率都大大的提高。以前雖然在書上看見過很多的團