机电控制系统分析与设计大作业之一-基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.docx

机电控制系统分析与设计课程大作业一基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真学院： 专业： 班级： 学号： 姓名： 1.前言从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等给定信号为010V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用MATLAB做了双闭环直流调速系统仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。本文还对实际中可能出现的各种干扰信号进行了仿真，另外本文还介绍了实物验证的一些情况。关键词：MATLAB 直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器 一、 应用现状带电流截止负反馈环节、采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了电动机的安全运行，又具有较好的动、静态性能。然而仅靠电流截止环节来限制起动和升速时的冲击电流，性能并不令人满意，为充分利用电动机的过载能力来加快起动过程，专门设置一个电流调节器，从而构成电流、转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。本节介绍双闭环调速系统。二、 设计参数转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动。电机参数：额定功率 200W；额定电压 48V；额定电流 4A；额定转速 500r/min；电枢回路总电阻 R=8；允许电流过载倍数 =2；电势系数Ce=0.04Vmin/r；电磁时间常数TL=0.008s；机电时间常数 Tm=0.5；电流反馈滤波时间常数Toi=0.2ms；转速反馈滤波时间常数Ton=1ms要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压U*nm=U*im=10V；两调节器的输出限幅电压为10V；PWM功率变换器的的开关频率f=10kHz；放大倍数K=4.8；动态参数设计指标：稳态无静差；电流超调量5%；空载启动到额定转速时的转速超调量25%；过渡过程时间ts=0.5s。三、 设计计算1. 稳态参数计算根据两调节器都选用PI调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V电流反馈系数；转速反馈系数：2. 电流环设计（1）确定时间常数电流滤波时间常数T=0.2ms，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则（2）选择电流调节器结构电流环可按典型型系统进行设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为（3）选择调节器参数超前时间常数：=T=0.008s电流环超调量为5%，电流环开环增益：应取，则=1666.67于是，电流调节器比例系数为（4）检验近似条件电流环截止频率=1666. 67 1/s1） 近似条件1： 现在，=3333.33，满足近似条件。2）近似条件2：现在，=47.43 ，满足近似条件。2.1MATLAB仿真绘制未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线和开环频率特性曲线1、未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图1未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图2未经过小参数环节近似后的电流环Simulink动态结构2、未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线图3未经过小参数环节近似后的电流环对数频率特性图4未经过小参数环节近似后的电流环开环结构图源程序 sys1=tf(1,0.0002 1); sys2=tf(1,0.0001 1); sys3=tf(1666.67,1 0); figure(1); margin(sys1*sys2*sys3); hold on figure(2) closys1=sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3); t=0:0.001:0.08; step(closys1,t);grid on; 2.2绘制经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应线1、经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图5经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应图6 经过小参数环节近似后的电流环Simulink动态结构图2、经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线图7经过小参数环节合并的电流环频率响应图8 经过小参数环节近似后的电流环开环结构图源程序 sys1=tf(1,0.0003 1); sys2=tf(1666.67,1 0); figure(3); margin(sys1*sys2); hold on figure(4) closys2=sys1*sys2/(1+sys1*sys2); t=0:0.001:0.08; step(closys2,t); grid on3.转速环设计（1）确定时间常数电流环的等效时间常数：2=0.0006s转速滤波时间常数：T=1ms=0.001，转速环小时间常数近似处理：=2+ T=0.0006+0.001=0.0016s（2）选择转速调节器结构由转速稳态无静差要求，转速调节器中必须包含积分环节；又根据动态要求，应该按典型型系统校正转速环，因此转速调节器应该选择PI调节器，其传递函数为（3）选择调节器参数因要求超调量小于等于百分之二十五，取h=10，则转速调节器的超前时间常数为=hT=100.0016=0.016s转速环开环增益=21484 1/于是，转速调节器比例系数为=53.71（4）校验近似条件转速环的开环截止频率为=214840.016=344 1/s1)近似条件1： 现在，=666. 67，满足近似条件。2） 近似条件2：现在，=430.33 ，满足近似条件。3.1绘制经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线1、 经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线图9 经过小参数环节近似后的转速环对数频率特性图10 经过小参数环节近似后的转速环开环结构图2、 经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图11 经过小参数环节近似后的转速环单位阶跃响应曲线图12 经过小参数环节近似后的转速环Simulink动态结构图程序： sys1=tf(0.02/1.25,0.0016 1); sys2=tf(8,0.5 0); n=1/0.04; s=tf(0.016 1,0.016/53.71 0); figure(7); margin(sys1*sys2*n*s); hold on grid on; figure(8); closys1=sys1*sys2*n*s/(1+sys1*sys2*n*s); t=0:0.001:0.08; step(closys1,t) grid on;3.2绘制未经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线1、 未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线图13 未经过小参数环节近似后的转速环对数频率特性图14 未经过小参数环节近似后的转速环开环结构图2、 未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图15 未经过小参数环节近似后的转速环单位阶跃响应曲线图16 未经过小参数环节近似后的转速环Simulink动态结构程序： sys1=tf(0.02,0.001 1); sys2=tf(0.8,0.0006 1); sys3=tf(8,0.5 0); n=1/0.04; s=tf(0.016 1,0.016/53.71 0); figure(5); margin(sys1*sys2*sys3*n*s); hold on grid on; figure(6); closys1=sys1*sys2*sys3*n*s/(1+sys1*sys2*sys3*n*s); t=0:0.001:0.08; step(closys1,t) grid on;四、阶跃信号速度输入条件下的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输出过渡过程曲线与其设计结果分析4.1转速图17 双闭环系统转速输出Simulink动态结构图图18 双闭环系统阶跃信号输入下转速输出过渡过程曲线4.2电流图19 双闭环系统电流输出Simulink动态结构图图20 双闭环系统阶跃信号输入下电流输出过渡过程曲线4.3转速调节器输出图21 双闭环系统转速调节器输出Simulink动态结构图图22 双闭环系统阶跃信号输入下转速调节器输出过渡过程曲线4.4电流调节器输出图23 双闭环系统电流调节器输出Simulink动态结构图24 双闭环系统阶跃信号输入下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（1） 由图22、24可以看出，转速调节器和电流调节器的输出过渡曲线在达到稳态时稳态值都为零，即符合稳态无静差设计指标。（2） 由图18可以看出，转速输出过渡过程曲线的超调量为，符合设计指标。（3） 由图8可以看出，电流环电流超调量约为，符合设计指标。（4） 由图18可以看出，过渡过程时间，符合设计指标。五、仿真结果分析：根据设计结果的模拟仿真，可以得到设计的调节系统稳态时转速无误差。可以看出：作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟