利用Matlab仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、 1 大連工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)11 級(jí) 2 班題 目利用 Matlab 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)子 題指導(dǎo)教師唐樹森答疑教師唐樹森設(shè)計(jì)時(shí)間20142014 年 11 月 24 日至 20142014 年 12 月 1 日共 1 1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)（論文）的任務(wù)和基本要求，包括設(shè)計(jì)任務(wù)、查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、說明書（計(jì)算、圖紙、撰寫內(nèi)容及規(guī)范等） 、工作量等內(nèi)容。1、 技術(shù)要求：電動(dòng)機(jī)額定值為：，電樞 1min/1000,55,220,10rAVKW5 . 0aR晶閘管裝置，三相橋式可控整流電路，整流變壓器 Y/Y 連接，二次線電 2壓。44,2302slKVE、

2、主回路總電阻 3MV 0 . 1R測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，型，額定值為 4110/231ZYSmin/1900,21. 0 ,110,1 .23rAVW生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍 5%5,10sD系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪力矩，按時(shí)計(jì)算 42210NmGD dnomdII%10min電樞回路總電感量：，VVEEl8 .1323/2303/222、設(shè)計(jì)要求：闡述單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理1分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 2根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)校正裝置3設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的 Simulink 仿真模型，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。4給出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)：上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)5rt%p間、最大啟動(dòng)電

3、流、穩(wěn)態(tài)誤差。stmaxdIsse指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2014 年 12 月 1 日 2 目目 錄錄一、摘要 3二、總體方案設(shè)計(jì) 41、控制原理2、控制結(jié)構(gòu)圖三、參數(shù)計(jì)算61、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算2、動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算四、穩(wěn)定性分析91、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151、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191、分析系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)2、單位階躍響應(yīng)3、Simulink 仿真系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行情

4、況七、心得體會(huì)21八、參考文獻(xiàn)21 3 一、摘一、摘 要要運(yùn)動(dòng)控制課是后續(xù)于自動(dòng)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(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)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(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動(dòng)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(dòng)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 matlab 為工具，以求簡明直觀而方便快捷的設(shè)計(jì)過程

5、。二、總體方案設(shè)計(jì)二、總體方案設(shè)計(jì)1、控制原理、控制原理 4 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(duì)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(dòng)機(jī)同軸相連的測(cè)速電機(jī)產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)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(duì)電機(jī)的電源供給。所以，更具體的原理圖如下： 5 圖 2、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖2、控制結(jié)構(gòu)圖、控制結(jié)構(gòu)圖有

6、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(dòng)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(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二 6 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(dòng)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(duì)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)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

7、制論對(duì)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(hào)，這里先列出設(shè)計(jì)要求中給出的參數(shù)及大?。弘妱?dòng)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(cè)速發(fā)電機(jī)：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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=10 s51、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 7 NadNNnCeRIU A、空載到額定負(fù)載的速降 nN由公式： （

8、其中 D，s 已知） 得：nN5.26rpmB、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(cè)速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù) a設(shè)：測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)= UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r當(dāng) a2=0.2 時(shí)，U 測(cè)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)證：反饋通道的輸出用于和給定比較，參照?qǐng)D 3 的標(biāo)注，Un略小于 Un即可，n=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

9、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)?55.582、動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算)1 (NNsnsnDespCKKK)1 (edKCRIn 8 在經(jīng)典控制論中，動(dòng)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(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：

10、電磁時(shí)間常數(shù)主電路電感值 L1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(dòng)的措施中關(guān)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=0.017H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(duì)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 = 0.00167 s 系統(tǒng)傳函為：系統(tǒng)傳函為：) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWlmind2693. 0IUL V 8 .1323230322lUUs 017. 00 . 1017. 0RLTls 075. 01925. 0301925. 03750 . 110375me2mCCRGDT）

11、（）（1s075. 0s001275. 01s00167. 058.55sW2 9 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、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)傳函特征方程應(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 53.3它們是矛盾的。所以，當(dāng)前的系統(tǒng)是不滿足要求的。0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll111)(1)1 () 1)(1(/1) 1)(1(/)

12、(sm2sm3smespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWlllll0000030213210aaaaaaaa，ssms)1 ()(TTKTTTTll0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTlls2ssm)(TTTTTTKll4 .49)(s2ssmTTTTTTKll 10 2、利用、利用 MATLAB 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、利用根軌跡分析、利用根軌跡分析系統(tǒng)傳函可

13、化為w=26123577/(s+20.4)*(s+38.5)*(s+600) 此處對(duì)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，在虛軸右半面有極點(diǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定 11 繪制根軌跡:

14、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、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; 12 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：bode 圖圖2 2程序：k=26123577; d=conv(conv(1 20.4,1 38.5),1 600)

15、;s1=tf(k,d);figure(1);bode(s1);margin(s1);grid運(yùn)行結(jié)果：所得參數(shù)：利用單輸入單輸出利用單輸入單輸出 仿真工具箱分析仿真工具箱分析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。 13 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） 。 圖圖 6 圖 5K=21 時(shí)的階躍響應(yīng) ：圖 6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 Simulink 仿真仿真4 4

16、14 圖圖 8 Simulink 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、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)。 15 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(duì)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(dòng)態(tài)的性能。因此，Bode 圖是自動(dòng)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

17、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 60GM 6dB實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對(duì)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、調(diào)節(jié)器的選擇、調(diào)節(jié)器的選擇P 調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器：采用比例（

18、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)。 16 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(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。 PI 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、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

19、解，可等效成：Simulink 中創(chuàng)建的模型：轉(zhuǎn)速波形：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)：sssW088. 01049. 0)(pi 17 圖圖 9、單位階躍響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)查看階躍響應(yīng)的菜單最大轉(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。 18 圖圖 10、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、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)限流值應(yīng)為：82.5A六、系統(tǒng)驗(yàn)證六、系統(tǒng)驗(yàn)證1、分析系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)、分析系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)程序：k=692670;d=conv(conv(1