基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.docx
《基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
《机电控制系统分析与设计》课程大作业Z—
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
1计算电流和转速反馈系数
临10.
a==-——=0.02V•min/r
n500
2按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果
根据设计的一般原则“先内环后外坏”，从内坏开始，逐步向外扩展。
在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统屮的一个环节，再设计转速调节器。
电流调节器设计分为以下几个步骤
a电流环结构图的简化1）忽略反电动势的动态影响
在按动态性能设计电流环时，可以暂不考底反电动势变化的动态影响，即A£=0o这时.电流环如下图所示。
2）等效成单位负反馈系统
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定倍号改成（A（s）/0,则电流环便等效成单位负反馈系统。
3）小惯性环节近似处理
由于人和心一般都比A小得多，町以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性坏节，其时间常数为
Ei=人+G
简化的近似条件为
电流坏结构图最终简化成图。
b电流调节器结构的选择
1）典型系统的选择：
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。
从动态要求卜•看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有人人的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因索，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统
2）电流调节器选择
电流坏的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
K-电流调节器的比例系数；
5—电流调节器的超前时间常数
3）校正后电流环的结构和特性
为了让调节器零点与控制对象的人时间常数极点对消，选择rx=1]=8ms
则电流环的动态结构图便成为图a所示的典型形式，其中
Kg
C.电流调节器的参数计算
电流调节器的参数有：
Ki和窃，其中窃已选定，剩卜的只有比例系数K，可根据所需要的动态性能指标选取。
1）参数选择
在一般情况2希塑电流超调最q<5%・由第二章町选=0.707,Ki丘=0.5・则
PWM功率变换器的开关频率为f=lOKHz,故其时间常数Ts=0.1ms将己知数据代入公式中.得
1
^KHz=1.67KHZ<
=2.4KHZ
T^i=Ts+TOj=0.1+0.2=0.3ms
TiR
8msx8Q
K*2KspTZi
=一17.8
2x4.8x1.25Qx0.3ms
3编制Matlab程序，绘制经过小参数环节介并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
Trrc（ng）
StepResponse
专=cnw
cooccc-2-4-fi4-9
xpwp三L6ES
1O31OM
Frequencyiiad^sec）
8C
LTViewer
BoccDiogrotr
图4
分析：
在ACR电流调节坏节，超调量•幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。
在这里，ACR作用力图使Id尽快地跟随起给定值U：
电流内环的作用就是一个电流随动子系统。
对电网的电压的波动起及时的抗干扰作用。
4编制Matlab程序，绘制经过小参数坏节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
GZ>
mi
ACF
0.038<*1
1.25
48
1/8
OOOSs
~►
00002屮
~►
00001s-*1
-►
00C8S-1
TrsnsferFen
PW胡
TransferFen-
Outl
LTIyic/vcf
Gain
ACF
TransferFen
PV\M
TransferFcr-
50
mp）apnNUBes
50
一
••Iee•ee■i•ei•i•e•ee••i•
HH-+HH-+H-+-FHH-一斗一卜++H+：
・
fQ丄X1•••・••・■■•°•
System：
sys
GainMargin（dB）:
191
Atfrequency（rad/sec）:
707e*003ClosedLoopStable^Yes
oq5o5os93827
1、1122■■■『『
（Bap）aseqa
I—I•t11•I
io1ios
Frequency（rad/sec）
-rHH
Systemsys
PhaseMargin（deg）:
63.6
DelayMargin（sec）:
0000706
Atfrequency（rad/»ec）:
1.57eM）03ClosedLoopStable?
Yes
LTIViewer
图9
分析：
在ACR电流调节环节，超调最，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。
在这里，ACR作用力图使Id尽快地跟随起给定值U；,电流内环的作用就是一个电流随动子系统。
对电网的电压的波动起及时的抗干扰作用。
这里只是调节器未化简。
5按工程设计方法，详细写出转速环的动态校正过程和设计结果。
a.电流环的等效闭环传递函数
1）电流环闭环传递函数
电流坏经简化后可视作转速环中的■个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。
m“、Id⑸SfI^S+1）1
T丽矿^^=毒斗s他s+1）KiKi
2）传递函数化简
忽略高次项，上式可降阶近似为
WhG）«—
—S+1Ki
近似条件
式中氓“一转迷环开环频率持性的截止频率。
3）电流环等效传递函数
接入转速环内，电流环等效坏节的输入最应为u：
（s）•因此电流环在转速坏中应等效为
1
I,s）.
U：
（s）
W儿p
P匕+1
0
这样.原来是双惯性坏节的电流环控制对彖，经闭坏控制后.町以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性坏节。
b.转速调节器结构的选择
1）转速环的动态结构
用电流坏的等效坏节代替电流环后.整个转速控制系统的动态结构图便如图所示。
2）系统等效和小惯性的近似处理
和电流环中一样，把转速给定滤波利反馈滤波环节移到环内.同时将给定信号改成Un{s）/a,再把时间常数为1//C.和70n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为7^的惯性环节，其中i
抵=瓦+九
3）转速坏结构简化I
4）转速调节器选择
转速环等效成典型II型系统因该是比较明确的。
首先是基于稳态无静差的要求，由结构图町知，在负载扰动作用点之后己经有了一个积分环节，该积分环节对消除负载扰动引起的稳态误差不起作用，必须在扰动作用点之前增加一个枳分环节，因此需要典型II型系统。
再从动态性能方面考虑，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型II型系统恰好能够满足此项要求。
5）调速系统的开环传递函数
由此町见，AW也应该采用PI调节器•其传递丙数为
式中心一转速调节器的比例系数：
“一转速调节器的超前时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为
OR
w（s）=K«s+1）万一KngR（gs+l）
nJSCJ>CI^s"）rn^CXs3⑴爪+1）
令转速坏开坏增益为
忑心+1）
«（7/+1）
、KN（rs+l）
6）校正后的系统结构
空）
c.转速调节器参数的选择
转速调节器的参数包括心和%按照典型II型系统的参数关系.
再由式"毙因心"確
至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。
由题目要求可知，h=10
则由表可知;Tzn=-+Ton=0.6ms+Ims=1.6ms
2X10x0.02V•miii/rX80x1.6ms
（h+l）pCeTra（10+1）x1.25QX0.04V・miii/rx0.5s
Kn=——―—=——————:
—；———=53.7
n2haRTv“
1n
Tn=hxTzn=10x1.6ms=16ms
h+1
Kn=———7=21484.4
2h2T“2
6编制Matlab程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流开坏频率特性曲线和单位阶跃
Hlil
0
o
£0
o淀o£0
1—J
ll
ozx
C9
01ffl
2LQ
褊冊纲3
50
BoCcjogran
II>I
t
•1
11t11
•
1
••
I•■・■■
1
11
•Illi
1
.••
••I
IT1
1•1I•1
••ltIl
•
—r
iB
・;・:
11
iI
5*rrrr••ei•ieeieii
r-
1
•
•T
•
•
•r*•
•i
ei
i•i•
10l
T
10
Systen-sys
PhaseFJsrginideg.：
S2.1CdayWa-gn（aec）i0C029Atfrequency（rad/scc<313ClosedLoopStoble7丫c
60
8
19
o
19
3^-V/22
LTIVc^cr
图13
由上图町知，超调量，稳态时间，幅值裕度，相位裕度均满足要求。
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时町减小转速误差，采用PI调节器，实现无静差。
7编制Matlab程序，绘制未经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线利单位阶跃响应曲线
图14
CD
IM
StepResocnse
LilViewer
图15
BodeDiaoram
SystemsysGainHerein（dB）:
16.9Atfrecuorcy（red>BGC>:
1.22©-003Closedlocps:
aoie?
res
Systen;sys
PhaseMaram（dec）：
5C
DggvMfirgin（ecc）:
C.C02€7Atrrecuency*（raa?
iec:
326ClotkJLoopSalYm
Frequency（rac/sec）
sp）0P-UU6Q5
（68）。
鱼匚
liiviewer
图17
由上图町知，超调量，稳态时间，幅值裕度，相位裕度均满足要求。
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时町减小转速误差，采用PI调节器，实现无静差。
只是在设计的过程中未进行化简。
8建立转速电流双闭坏直流调速系统的Simulink仿貞•模型，对匕述分析设计结果进行仿貞七
r^,
BB1
II
229
1
•1.-■
70
60
3tepResponse
50403020
0.0050.010.0150.020.0250030.03500400450.05
Timeisec-
图19
图20
Bodeuiagran
00
1
-400-90
I•I•Ji
80
1
System:
sys
PhaseMargn（deg）:
32.7DelayMargin（sec）:
000179Atfrequency（rad/sec）:
318ClosedLoopStable7Yes
LTIViewer
•・・I••11
I••
•I•I•111
II•
•■・■•・0■
•••••••!
II・
I••
tm-mm
ii•i••i•
—»
i••
•I•IB0II
•lel•eI•
it•
•••
U丄」•
■」■丄■
•0・■••••
•I••••!
•
ii・
i•・
•0・•••••I•I•I••I•
ii・
i••
e■・■・■o■（•i•li•11
I0・I•III
9I•
I••
I・・
JJJJIU..
•」・・、丿.
•・・•••I•
II•
II•I•111
II・
•••••l
I•・
II•
•nr
JJL
A.LLALUL-
..L.J.LAAAMA..
・l.J.LJJALU•・•▲・J.AJJ.J
•■・•••••
••・••••••
••I•••I•I
•■…
•••
■•
•III■■八
•••0・Illi
••■・11111
1・・0
•••••
•I••
•I•••11・■
・■1•I1•11
•0・I
・IIH
r
l.LLILUL.
•i・ie111I
•I■・1•111
•I•1
JJ1U.
I
10
10
10*
Frequency（rad/sec）
图21
分析：
由上图町知.由上图町知，超调駅稳态时间.幅值裕度，和位裕度均满足要求。
言苣U/V
gsoo
（L500」
O弓001.
（ei亏0b・
Timei*.
9给出阶跃信号速度输入条件I、•的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输出过渡过程曲线，分析设计结果与要求指标的符合性：
图22
LTiviewer
图23
注释：
outlI1是转速输出丨I,out2II是电流输出丨1,
out3【I是ACR输出II,out4II是ASR输出丨丨。
分析：
根据所学知识.双闭环直流调速系统启动时的转速和电流波形应该如卜图所小
双闭坏直流调速系统起动时的转速和电流波形
图16与该图相比，没有限幅，这是在仿真过程中遇到的问题。
按照理论分析，肖电流Id>IdL时，电机开始转动，在本仿真中，是空载启动，故电流IdL=O,即初始时刻，电机就开始转动。
当电流达到限幅值时，由于滞后延时的原［月，Id会有小范国的超调，在限幅的作用下，趋于一条直线，但是，转速n未达到额定转速"，故在反馈调节的作用下，直线部分的电流Id略小于1如，转速直线上升。
当转速达到额定转速后，电流依旧处在最人值附近，Id>ldL，转速继续上升，当电流卜降至IdL以卜•时，反馈调节作用，使转速退出饱和状态。
最后，趋于稳定。
升级会员 