自控课程设计有刷直流电机速度闭环仿真研究

1、目录1课程设计任务书.2课程设计应到达的目的3课程设计题目及要求3课程设计题3课程设计要求3课程设计任务及工作量的要求4主要参考文献4课程设计进度安排5成绩考核方法52.有刷直流电机模型6有刷直流电机的物理模型6有刷直流电机的数学模型6.6电机的传递函数73. 控制策略研究和仿真8系统开环传递函数的单位阶跃响应仿真8 开环传递函数的单位阶跃响应的MATLAB程序8开环传递函数的单位阶跃响应曲线8对系统单位阶跃响应的分析9系统的PID校正仿真9软件仿真单元93.2.2 Simulingk对系统进行仿真分析9响应曲线的调节与分析9软件仿真结论274.硬件局部设计27设计目的27实验设备28设计原理

2、28设计内容及步骤28设计所测数据29未加干扰时的电机转速闭环29干扰参加后的电机转速闭环345.结论36 课程设计任务书课 程 名 称 自动控制原理 院系、部、中心 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电力082 1、通过有刷直流电机速度闭环仿真及实物调试熟悉课程设计的根本流程；2、掌握控制系统的数学建模；3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析；4、掌握频率法校正或根轨迹法校正；5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作；6、学会用MATLAB进行根本仿真。有刷直流电机速度闭环仿真研究1分析系统的工作原理，进行系统总体设计。2选择系统主电

3、路各元部件。3进行触发电路、速度环电路的设计，并完成其单元调试。4构成开环系统，并测其动态特性。5测出各环节的放大倍数及其时间常数。6分析单闭环系统的动态性能。7比拟开环时和单闭环时的动态响应。8软件仿真局部构成速度闭环系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足%<20%，0.15s,<0.85s.9. 硬件调试局部需对硬件的组成加以认识，对硬件进行接线，将硬件与控制箱进行连接，并调节使之稳定，通过示波器观察后逐步调节到达优化设计。10对本课程设计提出新设想和新建议。1.3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求课程

4、设计任务1复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解速度闭环直流调速系统的工作原理。 2总体方案的构思 根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有 的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。 3总体方案确实定 可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。4系统实现 搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据。1、薛定宇.反响控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社,2000.2、飞思科技产品研发中心.MATLAB 7辅助控制

5、系统设计与仿真.北京:电子工业出版社,2005.3、胡寿松.自动控制原理.4版.北京:科学技术出版社,2001.4、白继平，徐德辉. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，20044：77-80.5、吴素平，刘飞. 直流电机调速系统模糊控制仿真分析【J】.长沙电力学院学报自然科学版.2006.4:34-37.起 止 日 期工 作 内 容2021年6月20日2021年6月20日6月21日2021年6月 22日6月24 日2021年6月25日认识系统结构和原理分析数学建模，控制策略研究和仿真实物接线和调试撰写设计说明书、设计计算书及资料整理撰写设计说明书、设计计算书及资料整理1、考核

6、方法：平时表现，设计成果，辩论表现。2、成绩评定：平时表现30%，设计成果40%，辩论表现30%。教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院系、部、中心意见：主管领导签字： 年 月 日有刷直流电机的物理模型有刷直流电机物理模型和参数说明如所示。图2.1 有刷直流电机的物理模型图2.1中，Ua电枢输入电压(V) Ra电枢电阻() La电枢电感(H) Uq感应电动势(V) Tg电机电磁转矩(N·m) J转动惯量(kg·m2) B粘性阻尼系数(N·m·s) Ia流过电枢的电流(A)，为电机输入转角(rad)根本方程根据基尔霍夫定律和牛顿第二定律对图2-1所

7、示得电机列根本方程，如公式2.1所示: 公式2.1 式中: 为电机的转矩常数(N·m) A; 为感应电动势常数(V·s) rad。对公式2.1进行拉普拉斯变换得公式2.2: 公式2.2设，那么图2.1 所示的有刷直流电机模型的方块图如图2.2 所示。图2.2 有刷直流电机模型方块图消去公式(2.2)的中间变量，整理得公式 公式(2.3) 代入表2.1直流电机参数得该电机的传递函数，如公式(2.4)所示。 公式(2.4) 直流电机参数参数参数意义参数值电枢绕组/电枢电感/H机械转动惯量/电机常数Nm/Ab转子阻尼系数/Nms3. 控制策略研究和仿真 开环传递函数的单位阶跃响应

8、的MATLAB程序J = 0.0167;B = 0.0167 ;Ra = 0.5;La = 0.003 ;Kt = 0.8 ;Ke =0.8 ;num = Kt ;den = ( J*La) ( ( J*Ra) + ( La*B ) ) ( ( B*Ra ) + (Kt*Ke) ) 0 ;t = 0 :0.001:0.2 ;step (num ,den ,t) ;开环传递函数的单位阶跃响应曲线图3.1 开环传递函数的单位阶跃响应曲线图3.1为开环系统对单位阶跃输入的响应，即有刷直流电机输入1 V 单位阶跃电压时，电机的转轴输出呈直线性上升。这个分析结果说明，该系统没有到达预期的设计要求。系统的

9、PID校正仿真要想实现系统的软件仿真必须知道四个单元的传递函数：控制器、功率放大单元、直流电机和转速测量电路。其系统框图如图3.2所示。图3.2 直流电机调速系统框图 Simulingk对系统进行仿真分析图3.3 直流电机调速系统的Simulingk表达响应曲线的调节与分析1、比例控制P校正 。 运用劳斯判据计算出系统的零界值，使从0增加到零界值，如图3.5；系统的临界输出如图3.6所示。比例控制P校正的参数：P=135.85，I=0，D=0图3.6 P=135.85，I=0，D=0时的输出曲线由图可知，临界振荡的输出波形时间的周期。减小的值，使，如图3.7所示；系统的输出如图3.8所示。比例

10、控制P校正的参数：P=67.925，I=0，D=0图3.6 P=，I=0，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，和均满足要求，但是偏高不满足要求。此时继续减小的值。继续减小的值，使，如图3.9所示；系统的输出如图3.10所示。比例控制P校正的参数：P=33.925，I=0，D=0图3.6 P=，I=0，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，此时阶跃响应曲线较为理想对于P环节而言，各参数均满足要求。出现这一线性的原因是在系统中原来就存在一个积分环节，比照例控制P校正的效果产生了影响。从理论依据进行分析，比调节器例实际上是一个增益可调放大器。它的作用是能及时成比例反映控制系统的偏差信号上，偏差一旦

11、产生，控制器立即产生控制作用，以减小误差。因此只有P环节进行控制，是无法到达预期的设计要求的。参加P环节之后，经过屡次选取数值，由仿真波形可以看出，系统的上升时间发生变化，因此仅只有P环节进行控制，增大减小了上升的时间，加快了响应，减小了误差，但不能消除误差。 2、比例积分PI) 控制校正PI控制器的公式： 公式3.1其中 公式3.2由齐格勒-尼克尔斯整定公式设定PI控制器的初始值：设定，如图3.11所示；系统的输出如图3.12所示。比例积分PI控制校正的参数：P=61.1325，I=，D=0图3.12 P=61.1325，I=，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，和均满足要求，但是偏高不满

12、足要求。此时继续减小的值。增大的值，使，如图3.13所示；系统的输出如图3.14所示。图3.13比例积分PI控制校正的参数：P=89.1325，I=，D=0图3.14 P=89.1325，I=，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，满足要求，但是增大，也增大均不满足要求。此时在初始值的根底上减小的值。减小的值，使，如图3.15所示；系统的输出如图3.16所示。图3.15比例积分PI控制校正的参数：P=36.1325，I=，D=0图3.16 P=36.1325，I=，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，和满足要求，但是偏大不满足要求。经过屡次选取数值，由仿真波形可以看出，系统的上升时间发生变化

13、。增大减小了上升的时间，加快了响应。保持不变，增大的值，使，如图3.17所示；系统的输出如图3.18所示。图3.17比例积分PI控制校正的参数：P=61.1325，I=，D=0图3.18 P=61.1325，I=，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，和均满足要求，但是变大不满足要求。此时在初始值的根底上减小的值。保持不变，减小的值，使，如图3.19所示；系统的输出如图3.20所示。图3.19比例积分PI控制校正的参数：P=61.1325，I=，D=0图3.20 P=61.1325，I=，D=0时的输出曲线由仿真波形可以看出，满足要求，但是减小但仍不能不满足要求，增大也不满足要求。因此积分控制

14、作用是能够消除稳态误差，但对系统的稳定性不利。积分时间常数越小，积分作用越强，在偏差相同的情况下，执行器的动作速度加快，会增加调节过程的振荡，过小，可能会使系统不稳定。越大，可以减小调节过程的振荡，但过大，虽然可使系统被控量不产生振荡，但是动态偏差会太大。3、比例积分微分PID)校正PI控制器的公式： 公式3.3其中 公式3.4 公式(3.5)由齐格勒-尼克尔斯整定公式设定PI控制器的初始值：设定，, 如图3.21所示；系统的输出如图3.22所示。图3.21比例积分微分PID)校正的参数：P=，I=，D=图3.22 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，和均满足要求，但是偏高不满足要

15、求。此时增大的值。增大的值，使，如图3.23所示；系统的输出如图3.24所示。图3.23比例积分微分PID)校正的参数：P=，I=，D=图3.24 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，满足要求，但是增大，也增大均不满足要求。此时在初始值的根底上减小的值。减小的值，使，如图3.25所示；系统的输出如图3.26所示。图3.25比例积分微分PID)校正的参数：P=，I=，D=图3.26 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，和满足要求，但是偏大不满足要求。经过屡次选取数值，由仿真波形可以看出，系统的上升时间发生变化。增大减小了上升的时间，加快了响应。保持不变，增大的值，使，如图

16、3.27所示；系统的输出如图3.28所示图3.27比例积分微分PID)校正的参数：P=，I=，D=图3.28 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，和均满足要求，但是变大不满足要求。此时在初始值的根底上减小的值。保持不变，减小的值，使，如图3.29所示；系统的输出如图3.30所示。图3.29比例积分微分PID)校正的参数：P=，I=，D=图3.30 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，此时各参数均到达预期要求。积分控制作用是能够消除稳态误差，但对系统的稳定性不利。保持，不变，增大的值，使，如图3.31所示；系统的输出如图3.32所示。图3.31比例积分微分PID)校正的参

17、数：P=，I=，D=图3.32 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，和均满足要求，但是变大不满足要求。此时在初始值的根底上减小的值。保持，不变，减小的值，使，如图3.33所示；系统的输出如图3.342所示。图3.31比例积分微分PID)校正的参数：P=，I=，D=图3.32 P=，I=，D=时的输出曲线由仿真波形可以看出，和、均满足要求，并且减小。微分控制作用能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效地早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。微分时间常数越大，微分的作用越强。1、比例环节P可以减小上升时间，放大系数越大上升时间越短，误差

18、会减弱，响应会加快。2、积分环节I具有减小误差的效果，时间常数T越大，积分效果越弱，且响应时间越长，响应速度越慢。3、微分环节D具有超前控制能力，减小调节时间，抑制最大动态偏差，提高系统的稳定性。参加微分环节之后超调量，调节时间，上升时间都能满足设计要求。兼顾上述条件：为了减小调节时间，应增大P环节的值，但为了保证超调量不会太大，也应该使在一定范围内；同时增大积分电容的数值，使I环节值适当变小，可以减小系统超调量；最后也要减小微分电容的值，使D环节值有所减小，可以减小系统调节时间。综上所述，对系统进行各种控制校正时的方法大致如下：1、P环节，增大，调节开环放大系数，使系统超调量不是太大，并保持

19、调节过程中误差率在0.80.9之间；2、PI环节，在P环节根底上，改变的值，可以使稳态误差减小，使系统超调量减小；3、PID环节，在PI环节根底上，改变Kd的值，可以使调节时间减小，使之更满足预期要求。因此，最后选择的PID参数为，。1、在自动控制理论实验根底上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解。2、掌握闭环控制系统的参数调节对系统的动态性能的影响。1、ACCC-型自动控制理论及计算机控制系统实验装置。2、数字式万用表3、示波器图4.1 直流电机调速系统的结构图为直流电机调速系统的结构图，它由给定、PI调节器、电机驱动单元、转速测量电路和输出电压反响等几个局部组成。在参数给定的情况下，在P

20、I调节器的补偿作用下，直流电机可以按给定的转速闭环稳定运转。经PI运算后的控制量作为驱动单元输入信号，经过功率放大后驱动电机运转。转速测量单元将转速转换成电压信号，作为反响信号，构成闭环系统。根据设计要求改变输入电压反响系数可以得到预设的输出电压。1、先将ACCT-自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船型开关均放在“OFF状态。2、利用ACCT-实验板上的单元电路设计并连接闭环系统，需要注意的是，电源单元用，运放的锁零信号G接到电源单元的锁零插口。3、连接好上述线路，全面检查线路后，合上开关，调整PI参数，使系统稳定，同时观测出输出电压变化情况。4、在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系

21、统到达无静态误差，如达不到，那么根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。5、改变给定信号，观察动态特性。1、不加控制器时，信号源的输出波形 信号源的输出波形2、加比例P控制器直流电机调速接线图P环节的传递函数推导根据虚短、虚断原那么，可得公式4.1 公式4.1化简可得P环节的传递函数为： 公式4.2即 公式4.3由此可知，调节的值可观察对系统的影响。参加P环节后的输出曲线，即时，输出波形如图4.4所示。图4.4 时的输出波形，即时，输出波形如图4.5所示。图4.5 时的输出波形，即时，输出波形如图4.6所示。图4.6 时的输出波形P环节对系统的影响由表4.4-4.6可以看出，增大，使系统

22、的误差减小，但是不能消除系统的误差。综上比拟，对于电机系统而言，采取P环节控制校正之后，所得到的理想情况应为表4.6所示，系统的误差此时为最小值。2、加比例积分PI)控制器直流电机调速接线图PI环节的传递函数推导根据虚短、虚断原那么，可得公式4.4 公式4.4化简可得PI环节的传递函数为： 公式4.5由于的作用是提高PI调节器的动态特性，故可以在分析时先省略。那么可得公式4.6 公式4.6化简可得PI环节的传递函数为： 公式4.7即 , 公式4.8由此可知，调节、的值可观察、对系统的影响。参加PI环节后的输出曲线，,即, ，如图4.8所示。图4.8 ，的输出波形，,即, ，如图4.9所示。图4

23、.9 ，的输出波形，,即, ，如图4.9所示。图4.10 ，的输出波形参加,如图4.11.图4.11 ，的输出波形PI环节对系统的影响由表-可得，在PI控制校正系统中，当不变即不变时，改变的大小，越大，越大，超调量越小，上升时间下降，且可到达无超调情况；当不变即不变时，改变的大小，越大，越小，超调量越小，但调节时间越长。1、不加控制器时，综合信号源的输出波形设定输入信号为阶跃信号和正弦波的叠加，测试信号1为阶跃信号，测试信号2为正弦波。图4.12 综合信号源的输出波形2、参加比例积分PI)，,即, ，如图4.13所示。图4.13 ，的输出波形，,即, ，如图4.14所示。图4.14 ，的输出波形，