1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程大作業(yè)之一基于MATLAB地直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)地設(shè)計(jì)與仿真1 計(jì)算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Uim*Idm=10V4A=1.25=Unm*n=10500=0.02Vmin/r2 按工程設(shè)計(jì)法，詳細(xì)寫出電流環(huán)地動(dòng)態(tài)校正過程和設(shè)計(jì)結(jié)果根據(jù)設(shè)計(jì)地一般原則“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展.在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中地一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：a 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖地簡(jiǎn)化1） 忽略反電動(dòng)勢(shì)地動(dòng)態(tài)影響在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化地動(dòng)態(tài)影響，即DE0.這時(shí)，電流

2、環(huán)如下圖所示.2） 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s) /b，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng).3） 小慣性環(huán)節(jié)近似處理由于Ts和T0i一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為Ti = Ts + Toi簡(jiǎn)化地近似條件為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖.b 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)地選擇1) 典型系統(tǒng)地選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想地堵轉(zhuǎn)特性，采用I 型系統(tǒng)就夠了.從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大地超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)地及時(shí)抗擾作

3、用只是次要地因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)2) 電流調(diào)節(jié)器選擇電流環(huán)地控制對(duì)象是雙慣性型地，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型地電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成Ki 電流調(diào)節(jié)器地比例系數(shù)；ti 電流調(diào)節(jié)器地超前時(shí)間常數(shù)3) 校正后電流環(huán)地結(jié)構(gòu)和特性為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象地大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)地動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖a所示地典型形式，其中a) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖:b) 開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性c. 電流調(diào)節(jié)器地參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器地參數(shù)有：Ki和ti，其中ti已選定，剩下地只有比例系數(shù)Ki，可根據(jù)所需要地動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取.1) 參數(shù)選擇在一般情況下，希望電流超調(diào)量si &

4、lt; 5%，由第二章可選x=0.707，KITSi =0.5，則PWM功率變換器地開關(guān)頻率為f=10KHz，故其時(shí)間常數(shù)Ts=0.1ms將已知數(shù)據(jù)代入公式中，得Ti=Ts+Toi=0.1+0.2=0.3msKI=ci=12Ti=12×0.3KHz=1.67KHz<13TsToi=2.4KHzKi=TlR2KsTi=8ms×82×4.8×1.25×0.3ms=17.83 編制Matlab 程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后地電流開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線圖1 圖2 圖3 圖4 分析：在ACR電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，超調(diào)量，幅值裕度，相位裕度

5、，均符合題目要求.在這里，ACR作用力圖使Id盡快地跟隨起給定值Ui*，電流內(nèi)環(huán)地作用就是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng).對(duì)電網(wǎng)地電壓地波動(dòng)起及時(shí)地抗干擾作用.4 編制Matlab 程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后地電流開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線圖 6圖7 圖8 圖 9分析：在ACR電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，超調(diào)量，幅值裕度，相位裕度，均符合題目要求.在這里，ACR作用力圖使Id盡快地跟隨起給定值Ui*，電流內(nèi)環(huán)地作用就是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng).對(duì)電網(wǎng)地電壓地波動(dòng)起及時(shí)地抗干擾作用.這里只是調(diào)節(jié)器未化簡(jiǎn).5 按工程設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)寫出轉(zhuǎn)速環(huán)地動(dòng)態(tài)校正過程和設(shè)計(jì)結(jié)果.a. 電流環(huán)地等效閉環(huán)傳遞函數(shù)1) 電流環(huán)閉環(huán)傳

6、遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中地一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它地閉環(huán)傳遞函數(shù).2) 傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為近似條件式中wcn 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性地截止頻率.3) 電流環(huán)等效傳遞函數(shù)接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)地輸入量應(yīng)為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)地電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)地一階慣性環(huán)節(jié).b. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)地選擇1) 轉(zhuǎn)速環(huán)地動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)用電流環(huán)地等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖所示.2) 系統(tǒng)等效和小慣性地近似處理和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)

7、改成U*n(s)/a，再把時(shí)間常數(shù)為1 / KI 和T0n 地兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn地慣性環(huán)節(jié)，其中3) 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇轉(zhuǎn)速環(huán)等效成典型II型系統(tǒng)因該是比較明確地.首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差地要求，由結(jié)構(gòu)圖可知，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)之后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，該積分環(huán)節(jié)對(duì)消除負(fù)載擾動(dòng)引起地穩(wěn)態(tài)誤差不起作用，必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要典型II型系統(tǒng).再?gòu)膭?dòng)態(tài)性能方面考慮，調(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好地抗擾性能，典型II型系統(tǒng)恰好能夠滿足此項(xiàng)要求.5) 調(diào)速系統(tǒng)地開環(huán)傳遞函數(shù)由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器地比例

8、系數(shù)；tn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器地超前時(shí)間常數(shù).這樣，調(diào)速系統(tǒng)地開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則6) 校正后地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)c. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)地選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器地參數(shù)包括Kn和tn.按照典型型系統(tǒng)地參數(shù)關(guān)系，再由式，因此至于中頻寬h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能地要求決定.由題目要求可知，h=10則由表可知；Tn=1KI+Ton=0.6ms+1ms=1.6msKn=(h+1)CeTm2hRTn=(10+1)×1.25×0.04Vmin/r×0.5s2×10×0.02Vmin/r×8×1.6ms=53.7n=h×Tn=10×

9、1.6ms=16msKN=h+12h2Tn2=21484.46編制Matlab 程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后地電流開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線圖10 圖11 圖12 圖13 由上圖可知，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)時(shí)間，幅值裕度，相位裕度均滿足要求.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)地主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)無靜差.7 編制Matlab 程序，繪制未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后地電流開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線圖14圖15 圖16 圖17由上圖可知，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)時(shí)間，幅值裕度，相位裕度均滿足要求.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)地主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地

10、跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)無靜差.只是在設(shè)計(jì)地過程中未進(jìn)行化簡(jiǎn).8 建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)地Simulink仿真模型，對(duì)上述分析設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真.圖18圖19圖20圖21分析：由上圖可知，由上圖可知，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)時(shí)間，幅值裕度，相位裕度均滿足要求.9 給出階躍信號(hào)速度輸入條件下地轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、電流調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線，分析設(shè)計(jì)結(jié)果與要求指標(biāo)地符合性；圖22圖23注釋：out1口是轉(zhuǎn)速輸出口，out2口是電流輸出口，out3口是ACR輸出口，out4口是ASR輸出口.分析：根據(jù)所學(xué)知識(shí)，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)地轉(zhuǎn)速和電流波形應(yīng)該如下圖所示，圖16與該圖相比，沒有限幅，這是在仿真過程中遇到地問題.按照理論分析，當(dāng)電流Id>IdL時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在本仿真中，是空載啟動(dòng)，故電流IdL=0，即初始時(shí)刻，電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)電流達(dá)到限幅值時(shí)，由于滯后延時(shí)地原因