運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 班級(jí) 電信2014 姓名 張慶迎 學(xué)號(hào) 142081100079摘要 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了

2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用matlab軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真,同時(shí)查看仿真波形,以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。關(guān)鍵詞 直流電機(jī) 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) abstract :dc motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and dc motor has b

3、een widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. beginning with the theory of dc motor, this dissertation builts up the mathematic model of dc speed control system with doub

4、le closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of simulink. the results of simulation are co

5、nsistent with theory calculation. some experience was acquired through simulation. based on the theory and simulation, this dissertation designs a dc speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. the r

6、esults of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the requirements.computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using tool box and simulink.keywords dc moto

7、r, dc governing system, speed governor, current governor, double loop control system. 1、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào),直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電

8、動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過(guò)整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖11 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

9、系統(tǒng)其中：asr-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr-電流調(diào)節(jié)器 tg-測(cè)速發(fā)電機(jī) ta-電流互感器 upe-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性圖12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說(shuō)，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi的作用使輸入偏差電壓u在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。 實(shí)際上，

10、在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達(dá)到時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 ,這時(shí),電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差,得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù).這就是采用了兩個(gè)pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見(jiàn)圖13中虛線。圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和

11、整流器的相關(guān)內(nèi)容。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓uct與整流輸出電壓ua0的關(guān)系為：其中：a-整流器系數(shù)； -整流器輸入交流電壓； -整流器觸發(fā)角；-觸發(fā)器移項(xiàng)控制電壓；k-觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率；整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：k=。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及步驟1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則: 概念清楚、易懂； 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式； 適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。參數(shù)

12、： 2、電流環(huán)設(shè)計(jì)（1） 確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：。電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和：（2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成pi型的。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都可接受。所以電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：。 （3） 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：電流反饋系數(shù)：電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此 所以， 。 因此：（4） 校驗(yàn)近似條件 （5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，各電阻和電容值計(jì)算如下： uf uf 按上述參數(shù)，查表知，電流環(huán)可達(dá)到動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：3

13、、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)（1） 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速換小時(shí)間常數(shù)： （2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)pi調(diào)節(jié)器。所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：。（3） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)取h=5，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：于是求的asr的比例系數(shù)為： 因此：（4） 檢驗(yàn)近似條件（5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電容和電阻調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則 三、matlab和simulink簡(jiǎn)介1

14、、matlab簡(jiǎn)介matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。matlab是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式

15、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2、simulink簡(jiǎn)介（1）簡(jiǎn)介simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于simulink。（2）功能simulink是matlab中的一種可視化仿真工

16、具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 simulink®是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種

17、時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。. 構(gòu)架在simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。simulink與matlab® 緊密集成，可以直接訪問(wèn)matlab大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 四、simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析1、開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：分

18、析：轉(zhuǎn)速只能通過(guò)給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法通過(guò)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，抗擾作用很弱。不能通過(guò)自身調(diào)節(jié)達(dá)到給定值。2單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：?jiǎn)伍]環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)速電流分析：圖中是的仿真圖形，減小，超調(diào)量隨著減小，但靜差越大；增大，靜差隨著減小，但還是很大，同時(shí)振蕩也越劇烈。3、單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型：?jiǎn)伍]環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速分析：若調(diào)節(jié)器參數(shù)是：k_p=0.56， 1/=3，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)無(wú)超調(diào)，但調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)；若是：k_p=1.6， 1/=8，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)的超調(diào)較大，但快速性較好。和比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器能很好的消除靜差。六、總結(jié) 通過(guò)對(duì)電流環(huán)、電壓環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)等的設(shè)計(jì)，利用matlab及其中的仿真工具simulink，對(duì)所設(shè)計(jì)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍信號(hào)進(jìn)行了仿真計(jì)算，很容易繪制出各單位擾動(dòng)曲線，并計(jì)算出階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)，從階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線及其指標(biāo)得出:對(duì)擾動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗擾性能。 由仿真計(jì)算