《机电控制系统分析与设计》课程大作业-基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.doc

机电控制系统分析与设计课程大作业之一基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真1 计算电流和转速反馈系数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“先内环后外环”，从内环开始，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中的一个环节，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，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。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，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，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Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi 简化的近似条件为 电流环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。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，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素，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 电流环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 Ki 电流调节器的比例系数；ti 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大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图a所示的典型形式，其中 a) 动态结构图:b) 开环对数幅频特性c. 电流调节器的参数计算 电流调节器的参数有：Ki 和 ti， 其中 ti 已选定，剩下的只有比例系数 Ki， 可根据所需要的动态性能指标选取。1) 参数选择 在一般情况下，希望电流超调量si < 5%，由第二章可选 x =0.707，KI TSi =0.5，则PWM功率变换器的开关频率为，故其时间常数将已知数据代入公式中，得3 编制Matlab 程序，绘制经过小参数环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图1 图2 图3 图4 分析：在ACR电流调节环节，超调量，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。在这里，ACR作用力图使尽快地跟随起给定值，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，绘制经过小参数环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图 6图7 图8 图 9分析：在ACR电流调节环节，超调量，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。在这里，ACR作用力图使尽快地跟随起给定值，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环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。2) 传递函数化简忽略高次项，上式可降阶近似为 近似条件式中 wcn 转速环开环频率特性的截止频率。3) 电流环等效传递函数接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 b. 转速调节器结构的选择1) 转速环的动态结构 用电流环的等效环节代替电流环后，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，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中3) 转速环结构简化 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，由结构图可知，在负载扰动作用点之后已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积分环节，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可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为式中 Kn 转速调节器的比例系数； t n 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令转速环开环增益为则6) 校正后的系统结构c. 转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括 Kn 和 tn。按照典型型系统的参数关系， 再由式 ，因此至于中频宽 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；6编制Matlab 程序，绘制经过小参数环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图10 图11 图12 图13 由上图可知，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，稳态时可减小转速误差，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和单位阶跃响应曲线图14图15 图16 图17 由上图可知，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，稳态时可减小转速误差，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 建立转速电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真模型，对上述分析设计结果进行仿真。图18 图19图20图21 分析：由上图可知，由上图可知，超调量，稳态时间，幅值裕度，相位裕度均满足要求。9 给出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，分析设计结果与要求指标的符合性；图22 图23 注释：out1口是转速输出口，out2口是电流输出口，out3口是ACR输出口，out4口是ASR输出口。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下图所示，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，当电流时，电机开始转动，在本仿真中，是空载启动，故电流，即初始时刻，电机就开始转动。当电流达到限幅值时，由于滞后延时的原因，会有小范围的超调，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，直线部分的电流略小于，转速直线上升。当转速达到额定转速后，电流依旧处在最大值附近，转速继续上升，当电流下降至以下时，反馈调节作用，使转速退出饱和状态。最后，趋于稳定。