matlab課程設(shè)計(jì)報(bào)告他勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

1、Matlab課程設(shè)計(jì)報(bào)告他勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 中英1101班設(shè)計(jì)者：學(xué)號(hào): U2011155368/8/2020自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)15目錄世設(shè)計(jì)要求 32. 他勵(lì)直流電機(jī)建模 43. 控制器設(shè)計(jì) 64. SIMULINK 仿真 85. 負(fù)載擾動(dòng)分析 106. 文件代碼 11乙設(shè)計(jì)小結(jié) 128.參考文獻(xiàn) 131. 設(shè)計(jì)要求對(duì)5馬力他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器的輸入為轉(zhuǎn)速偏差，輸出為施加于電機(jī)上的電樞電壓。指令轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 rad/s （1911 rpm）。電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 1所示1. 建立直流電機(jī)以電樞電壓為輸入、角轉(zhuǎn)速為輸出的傳遞

2、函數(shù)，用MATLAB軟件編制m程序進(jìn)行Bode圖輔助設(shè)計(jì)，選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)及參數(shù)，使系統(tǒng)滿足以下基本要求：1）系統(tǒng)對(duì)階躍型轉(zhuǎn)速指令無靜差；2） 開環(huán)系統(tǒng)增益穿越頻率為1015rad/s （此值影響電機(jī)啟動(dòng)電流）；3 ）相角裕度45 °2. 用Simulink搭建mdl仿真模型（采用分解模型，否則無法觀察電樞電流）對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、完善，使最終設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步滿足下述要求：1 ）空載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速爬升到指令值90%的時(shí)間0.5s；2）空載啟動(dòng)電流（以過渡過程中的最大值計(jì)）不超過額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)的數(shù)值。3. 在電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行中突加階躍型額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，觀察轉(zhuǎn)速跌落情況并與無閉環(huán)控制的

3、電機(jī)做對(duì)比，分析、體會(huì)閉環(huán)控制在抗擾性方面的優(yōu)勢(shì)。表15馬力（3.7千瓦）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)額定電壓？?： 240 V電樞電感？ 0.028 H額定電流？?： 19.7 A轉(zhuǎn)矩常數(shù)？?？ 1.03 N m/A額定轉(zhuǎn)速：？?= 183 rad/s(?= 1750 rpm )電勢(shì)常數(shù)? 1.03 V s/rad額定轉(zhuǎn)矩?: 20.4 N m轉(zhuǎn)動(dòng)慣量？ 0.02215 Kg m2電樞電阻? 2.581 Q粘性摩擦系數(shù)？ 0.002953 N m-s? ?+ (?+ 初?*? ? 從電樞電壓到轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)為? 空？ ? ?d?+ (?+ ?*? ? 從負(fù)載轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)為?一? ?一? 少扌

4、? ?+(?+ ?* ?篤?將(3)(4)表示為框圖形式，有2. 他勵(lì)直流電機(jī)建模設(shè)?為電樞電壓，i為電樞電流， 為轉(zhuǎn)子角速度，？?為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。?電勢(shì)平衡方程L + ?= ? ?轉(zhuǎn)矩平衡方程J + ?+ ?= ?轉(zhuǎn)換到 s域，有 LsI + RI = ?- ?JsQ + cQ + ?= ?聯(lián)立(4)兩式，消去I，得? ?翁(？扌?TlU圖1電機(jī)系統(tǒng)本身傳遞函數(shù)表達(dá)式1 1其中方框中的表達(dá)式分別是以及。?+? ?+? 3. 控制器設(shè)計(jì)將表1中的數(shù)據(jù)代入方程（6），得?G（S）=云1661?+ 92.31?+ 1723從方程的分子部分可以確定電機(jī)系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，對(duì)階躍指令響應(yīng)有靜差，所以控制器至少

5、要包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)要求既對(duì)增益穿越頻率有要求，也對(duì)相角裕度有不同的要求，?而如果僅僅把控制環(huán)節(jié)改成一個(gè)積分環(huán)節(jié),由自動(dòng)控制原理課程的知識(shí)我們知道數(shù)值K只?能調(diào)節(jié)增益穿越頻率，而改變?cè)鲆娌⒉粫?huì)影響開環(huán)系統(tǒng)的相頻響應(yīng)，故為滿足相角裕度要求，可以考慮將控制器的形式設(shè)為比例-積分（PI）控制器 ?= ?+ ?則開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為考慮到系統(tǒng)的開環(huán)系統(tǒng)增益穿越頻率越大，啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流也越大， 但是過低的穿越頻率會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，綜合考慮設(shè)定開環(huán)系統(tǒng)增益穿越頻率定為0=70° .令?13rad/s，相角裕度GH(j? = ?(?-?)? 1661GH(s)='?*?=(再

6、"？?？+ 92.31?” 1723聯(lián)立（9）（ 10）兩式，可以解出 ?=0.3589, ?=14.64.所以最終得到的開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為?:? o)=(0.3589 +14.641661? )?+ 92.31?告 1723加入PI控制器之后得到的電機(jī)系統(tǒng)的bode圖如下Eile Kdit ti ew Ijissrt tools 應(yīng) mktop 址 indo* Elp50lbuw】QJKr口 匚&加入PI控制黑的電機(jī)系境加*目O-50jrl-180-204m=1 Orati/sljl 5rad/s：的Bede 國細(xì)節(jié)2 10-ES魯縣匚惡壬SM3心«町 LidO

7、1-114101101.1Freciuency frad/sec)Frequency fradfeec')圖2加入PI控制器后的開環(huán)系統(tǒng)的bode圖4. Simulink仿真搭建的simulink電機(jī)系統(tǒng)仿真模型如下圖2000.3589S+14.64Tran sfer Fcn21.00.028S+2.581Tran sfer FenTran sfer FCFTl 20.4Gainl0.02215S+0.002953GainScopeScope124010.028s+2.581MP1.03Tran sfer Fcn3Gai n20.02215s+0.002953:pHScope2l 20

8、.4Tran sfer Fc n4Gai n3圖3電機(jī)系統(tǒng)仿真模型圖中三個(gè)不同的scope分別反應(yīng)了電樞電壓階躍響應(yīng)，電樞電流階躍響應(yīng)以及轉(zhuǎn)速階躍 響應(yīng)。它們代表了系統(tǒng)的啟動(dòng)過程。三個(gè)不同的階躍響應(yīng)的圖示如下。圖4轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)（注明：紅色為無閉環(huán)系統(tǒng)，黃色為閉環(huán)系統(tǒng).下同）圖5電樞電流階躍響應(yīng)圖6電樞電壓階躍響應(yīng)從上述三個(gè)圖可以看出，設(shè)計(jì)的控制器已經(jīng)滿足以下的兩個(gè)附加要求：1）空載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速爬升到指令值 90%的時(shí)間0.5s ；2）空載啟動(dòng)電流（以過渡過程中的最大值計(jì)）不超過額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)的數(shù)值。5.負(fù)載擾動(dòng)分析為了得到負(fù)載擾動(dòng)分析，我們?cè)?的圖形如下：t=0.5s時(shí)加入額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩？?

9、可觀察到轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)圖7突加階躍型額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)從圖7中兩個(gè)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)可以看出，有閉環(huán)控制的電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速在負(fù)載階躍變化的 情況下可以經(jīng)短暫的小幅跌落后迅速調(diào)整回設(shè)定值，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗擾動(dòng)性；而無閉環(huán)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速則是大幅跌落且不會(huì)回復(fù)到原值，抗擾動(dòng)性較弱。綜合上述現(xiàn)象，我們可以得到，有閉環(huán)控制的系統(tǒng)在受到負(fù)載擾動(dòng)的時(shí)候表現(xiàn)出明顯的 抗干擾能力，這是由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，出現(xiàn)擾動(dòng)的同時(shí)，系統(tǒng)1通過反饋及時(shí)的將擾動(dòng)量傳送到輸入端，使得系統(tǒng)在原有的信號(hào)上附加額外的信息以使系統(tǒng)盡快的從偏離 設(shè)定值到恢復(fù)為設(shè)定值，由此可以消除擾動(dòng)帶來的影響； 但是無閉環(huán)控制的系統(tǒng)則比較吃虧， 在

10、沒有反饋的情況下，系統(tǒng)無法根據(jù)輸出量進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，因此，抗擾動(dòng)性能比較差。 從中我們也可以看到二者之間的差別。6. 文件代碼以下文件代碼先是元件模型的代碼，然后是開環(huán)系統(tǒng)bode圖的M文件代碼。% fin dPIclose allclearclc%電機(jī)參數(shù)設(shè)置Kt=1.03;Kv=1.03;J=0.02215;L=0.028;R=2.581;C=0.002953;dcmotor=tf(Kt/(J*L),1,R/L+C/J,(C*R+Kv*Kt)/(J*L)(上面是元件建模時(shí)的代碼)(以下是設(shè)計(jì)PI控制器的代碼)%假設(shè)初始控制器的參數(shù)K=1;gh=series(tf(K,1 0),dcmotor

11、);w0=logspace(-1,4,1000);%設(shè)定PI控制器參數(shù)PM=70;%設(shè)相位裕度70度w_set=13;%設(shè)增益穿越頻率為 13rad/s%以下是計(jì)算校正函數(shù)的代碼%求原系統(tǒng)在設(shè)定穿越頻率(13 rad/s )處的響應(yīng)ghresp=freqresp(gh,w_set);ghresp=ghresp(1,1,1);phi=-180/pi*a ngle(ghresp);%計(jì)算在滿足相位裕度要求時(shí)的補(bǔ)償點(diǎn)。delta_PM=PM-(180-phi);wz=w_set/ta n(delta_PM/180*pi);amp=abs(ghresp);%計(jì)算正確的傳遞函數(shù)之后使穿越頻率滿足要求。K

12、=1/amp/sqrt(ta n(delta_PM/180*pi)A2+1);%figuregc=tf(K*1/wz 1,1 0)gh=series(gc,dcmotor);subplot(1,2,1),bode(gh,w0),grid,title ('加入 PI控制器的電機(jī)系統(tǒng) Bode圖')subplot(1,2,2),bode(gh,w),grid,title ('omega=10rad/s到 15rad/s 的 Bode圖細(xì)節(jié)')7. 設(shè)計(jì)小結(jié)本次Matlab課程設(shè)計(jì)要求我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)校正器， 該電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)基本已經(jīng)給出

13、，因此我們可以根據(jù)已經(jīng)給出的電機(jī)參數(shù)實(shí)行建模，先建立起電機(jī)參數(shù)原本自身系統(tǒng)的模型，這樣我們?cè)俳?jīng)過進(jìn)一步的調(diào)整和修正對(duì)直流電機(jī)做出校正。此次設(shè)計(jì)過程也幫助我更好的復(fù)習(xí)了自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的知識(shí)，我們必須充分復(fù)習(xí)和掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)中有關(guān)伯德圖的畫法，PI積分控制器，增益，系統(tǒng)的增益穿越頻率，相角裕度和幅值裕度等等知識(shí)，才能正確設(shè)計(jì)出我們需要的校正系統(tǒng)，PI控制器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我在設(shè)計(jì)時(shí)所取的增益穿越頻率為13rad/s,相角裕度為70度，系統(tǒng)本身的初始傳遞函數(shù)為一個(gè)0型系統(tǒng)，而設(shè)計(jì)要求要使系統(tǒng)無靜差，所以我們加入校正器使系統(tǒng)變?yōu)?型系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)，我們針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)PI控制器，并給出了校正器的表達(dá)式。由此通過一些計(jì)算算得了校正器的參數(shù)？?？?？由此確定了校正后的開環(huán)系統(tǒng)。此時(shí)我們通過對(duì)Matlab軟件的學(xué)習(xí)，在軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，做出了整個(gè)校正后的閉環(huán)控制系統(tǒng)和加入校正器之前的系統(tǒng)的模型圖，并進(jìn)行了仿真，并得到了建模和伯德圖設(shè)計(jì)程序的M代碼。做出前后的對(duì)比，得到了伯德圖的結(jié)果，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，最終完成了設(shè)計(jì)。感覺設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)系統(tǒng)校正器的參數(shù)設(shè)計(jì)是一大難點(diǎn)，而最終M代碼的編寫也是整個(gè)課程設(shè)計(jì)