轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真課件

1、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作業(yè)（一） 轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真直流電機(jī)模型框圖如下圖所示，仿真參數(shù)為R=0.6，Tl=0.00833，Tm=0.045，Ce=0.1925。本次仿真采用算法為ode45，仿真時(shí)間5s。圖1 直流電機(jī)模型1、開(kāi)環(huán)仿真：用simul ink實(shí)現(xiàn)上述直流電機(jī)模型，直流電壓Ud0取220V，02.5s，電機(jī)空載，即Id=0；2.5s5s，電機(jī)滿載，即Id=55A。畫(huà)出轉(zhuǎn)速n的波形，根據(jù)仿真結(jié)果求出空載和負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速n以及靜差率s。改變仿真算法，觀察效果（運(yùn)算時(shí)間、精度等）。 模型建立1) Ode45算法空載轉(zhuǎn)速為1142n/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速為972n/min，運(yùn)算時(shí)間為T(mén)=9

2、.134*10-7s。分析：這可以看出來(lái)在加入負(fù)載之后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)差率的公式s=（n0-n）/ n0=(1142-972)/1142=0.149。轉(zhuǎn)差率還是比較小的，說(shuō)明該電機(jī)效率比較高。通過(guò)觀察該仿真的時(shí)間，其運(yùn)算時(shí)間為T(mén)=9.134*10-7s。2) Ode23算法分析：由圖我們可以看出來(lái)，結(jié)果基本上和計(jì)算方法為ode45的結(jié)果一樣，但是運(yùn)算時(shí)間卻不一樣，該算法的運(yùn)算時(shí)間為T(mén)=3.636*10-7s。運(yùn)算時(shí)間比ode45的時(shí)間短。但是ode23的計(jì)算精度不太高，所以ode23一般用于計(jì)算精度不太高的場(chǎng)合。在求解的不太難的時(shí)候ode23可能比ode45有效。3) Ode1

3、13算法仿真結(jié)果也大致和上面兩種運(yùn)算方法的結(jié)果一致。ode113是一種階數(shù)可變的解法器，它在誤差容許要求嚴(yán)格的情況下通常比ode45有效。ode113是一種多步解法器，也就是在計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻輸出時(shí)，它需要以前多個(gè)時(shí)刻的解。運(yùn)算時(shí)間為T(mén)=3.593*10-8s。運(yùn)算時(shí)間比上述兩種方法的運(yùn)算時(shí)間都要短。這種計(jì)算方法使用于高低精度的運(yùn)算?？偨Y(jié)：對(duì)mat lab中不同的計(jì)算方法，其結(jié)果基本上相差不多，但是其計(jì)算精度卻是不相同的，此時(shí)我們就可以根據(jù)我們所需要的精度選擇我們需要的運(yùn)算方法。在某些場(chǎng)合可能有點(diǎn)運(yùn)算方法會(huì)失效，此時(shí)就只能選擇另外的計(jì)算的方法。2、閉環(huán)仿真： 在上述仿真基礎(chǔ)上，添加轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器，

4、轉(zhuǎn)速指令為1130rpm，02.5s，電機(jī)空載，即Id=0；2.5s5s，電機(jī)滿載，即Id=55A。圖2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制框圖v 控制器為比例環(huán)節(jié)：試取不同KP值，畫(huà)出轉(zhuǎn)速波形，求穩(wěn)態(tài)時(shí)n和s并進(jìn)行比較。Ø 當(dāng)KP=100時(shí)仿真結(jié)果分析：由仿真結(jié)果可以看出來(lái)，在剛開(kāi)始的時(shí)候文波比較大，并且超調(diào)量也比較大，在穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)也是比較大的，在穩(wěn)定時(shí)可以看出來(lái)基本上在1130n/min左右，基本上算是達(dá)到我們希望的結(jié)果。Ø 當(dāng)KP=50時(shí)仿真結(jié)果分析：當(dāng)KP=50時(shí)，效果比100時(shí)好的多，且在穩(wěn)定之后，波動(dòng)也并不是太大。但是在未穩(wěn)定之前，超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間等都比較大，還是不能達(dá)到要

5、求。還需要繼續(xù)減小KP的值。此時(shí)輸出的轉(zhuǎn)數(shù)比價(jià)接近我們希望的轉(zhuǎn)速。Ø 當(dāng)KP=10時(shí)仿真結(jié)果分析：效果雖然比上面的都好，但是開(kāi)始的超調(diào)都比較大，所以還是達(dá)不到一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)的要求。再繼續(xù)調(diào)小KP的值。Ø 當(dāng)KP=1時(shí)仿真結(jié)果分析：根據(jù)上面的各種KP的仿真結(jié)果我們可以看出來(lái)當(dāng)KP越小時(shí)，超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間等越小。但是離我們跟定的輸入值就越大，此時(shí)就需要并且當(dāng)KP越小時(shí)，其轉(zhuǎn)差率也會(huì)隨之增大。Ø 當(dāng)KP=5時(shí)仿真結(jié)果分析：通過(guò)放大觀察，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)始是波動(dòng)也比較大，并且超調(diào)也比較大，因此還是不能達(dá)到我們的要求，還需要把KP值調(diào)小。Ø 當(dāng)KP=2.5時(shí)仿真結(jié)果分析：當(dāng)K

6、P=2.5時(shí)，空載轉(zhuǎn)速為1050n/min。離我們所希望的轉(zhuǎn)速不是太遠(yuǎn)，負(fù)載轉(zhuǎn)速為1040n/min。所以轉(zhuǎn)差率s=0.009524，轉(zhuǎn)差率比較小。總結(jié)：我們一般都是希望轉(zhuǎn)差率盡量小一定，這樣電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的效率高一點(diǎn)，所以根據(jù)綜合各方面的因數(shù)，我們選擇當(dāng)KP=2.5。雖然此時(shí)的離我們所希望的輸出還有一定的差值，但是相對(duì)比較好。因此我們可以看出來(lái)只是用比例環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，依然還是不能達(dá)到我們所希望的要求。因此下面用比例積分環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。v 控制器為比例積分環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)腒P和ki值，并與其它不同的KP和ki值比較，畫(huà)出不同控制參數(shù)下的轉(zhuǎn)速波形，比較靜差率、超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間和抗擾性。Ø 當(dāng)K

7、P=10，Ki=10時(shí)仿真結(jié)果Ø 當(dāng)KP=10，Ki=5時(shí)仿真結(jié)果Ø 當(dāng)KP=10，Ki=2.5時(shí)仿真結(jié)果分析：由仿真結(jié)果可知，空載轉(zhuǎn)速為1100n/min，與我們希望轉(zhuǎn)速比較相近。峰值為1400n/min，峰值時(shí)間tp=0.16s，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=0.6s。因此超調(diào)量為27.27%，負(fù)載轉(zhuǎn)速為1100n/min。因此轉(zhuǎn)差率為0，與空載時(shí)的轉(zhuǎn)速相同，只是在加入負(fù)載時(shí)有一個(gè)波動(dòng)。波動(dòng)時(shí)間為0.3s左右，這個(gè)對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)應(yīng)該是不太利的。該控制環(huán)節(jié)使系統(tǒng)的的調(diào)節(jié)時(shí)間變得比較長(zhǎng)，我們希望一個(gè)系統(tǒng)能夠盡快達(dá)到穩(wěn)定，因此調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)該盡量小一點(diǎn)。并且超調(diào)量也比較大，這對(duì)電機(jī)的工作也不太利。&

8、#216; 當(dāng)KP=5，Ki=2.5時(shí)仿真結(jié)果Ø 當(dāng)KP=2.5，Ki=2.5時(shí)仿真結(jié)果分析：由仿真結(jié)果可知，空載轉(zhuǎn)速為1090n/min，這比我們所希望的轉(zhuǎn)速更低，轉(zhuǎn)速峰值為1169n/min，峰值時(shí)間為0.222s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.5s，超調(diào)量為（1169-1090）/1090=7.25%，負(fù)載轉(zhuǎn)速為1090n/min。轉(zhuǎn)差率為0，加入負(fù)載的波動(dòng)時(shí)間依然為0.3s左右。因此可以看出來(lái)當(dāng)KP減小時(shí)，超調(diào)量減小調(diào)節(jié)時(shí)間也有所減小，只是輸出的轉(zhuǎn)速與我們所希望相差更大。從上面的結(jié)果我們可以看出來(lái)，如果我們希望輸出結(jié)果盡量接近我們所希望的值，那么我們就應(yīng)該把KP調(diào)大，但是超調(diào)量會(huì)變大，并且調(diào)

9、節(jié)時(shí)，間會(huì)相應(yīng)的增加，這樣對(duì)電機(jī)的要求也就越高，而如果把KP調(diào)小，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等會(huì)減小，但是離我們所希望值就越遠(yuǎn)，此時(shí)就應(yīng)該根據(jù)我們的要求來(lái)選擇相應(yīng)的KP和Ki。Ø 當(dāng)KP=2.5，Ki=5時(shí)仿真結(jié)果Ø 當(dāng)KP=20，Ki=2.5時(shí)仿真結(jié)果分析：當(dāng)增大KP的值時(shí)，超調(diào)量有所增加，并且調(diào)節(jié)時(shí)間也有所增加，但是空載轉(zhuǎn)速增加的并不是太大，因此我們還是不選擇這個(gè)參數(shù)的控制環(huán)節(jié)。Ø 當(dāng)KP=20，Ki=5時(shí)仿真結(jié)果分析：空載轉(zhuǎn)速為1120n/min，離我們所希望的輸出值比較相近，負(fù)載轉(zhuǎn)速為1117n/min，因此轉(zhuǎn)差率s=0.0027，轉(zhuǎn)差率比較小。峰值轉(zhuǎn)速為1155n

10、/min，峰值時(shí)間為0.268s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.46s，超調(diào)量為3.125%，超調(diào)量也相對(duì)較小。Ø 當(dāng)KP=20，Ki=10時(shí)仿真結(jié)果分析：沒(méi)有超調(diào)，相同的KP值，Ki值越大，則其超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)時(shí)間增大到0.8s。這是我們所不希望的?？垢蓴_性比較好?？偨Y(jié)：通過(guò)以上仿真和分析我們可以知道，當(dāng)Ki相同，Kp越大時(shí)，超調(diào)量越大，輸出結(jié)果越接近于我們所希望的結(jié)果值，即被放大的倍數(shù)就越大。當(dāng)Kp相同時(shí)，超調(diào)量越小，且有的可能沒(méi)有超調(diào)。峰值轉(zhuǎn)速也會(huì)相對(duì)小一點(diǎn)。此時(shí)我們就需要根據(jù)具體的要求來(lái)選擇相應(yīng)參數(shù)來(lái)控制輸出。3、 總體分析v 在開(kāi)環(huán)仿真中，在t=2.5s加入負(fù)載，而在自控中，相當(dāng)于在此時(shí)加

11、入一個(gè)擾動(dòng)。此時(shí)可以把輸入看做兩個(gè)輸入，不過(guò)此時(shí)由于擾動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)負(fù)的輸入量，所以相對(duì)在沒(méi)有擾動(dòng)加入之前，其輸出量減少了。v 比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真，不延遲，成比例地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化。在仿真過(guò)程中，通過(guò)不同的K可以看出來(lái)，其放大的效果是不一樣的，總體上對(duì)輸入信號(hào)有放大，但是由于在輸入和反饋之間有個(gè)波動(dòng)，把這個(gè)波動(dòng)放大，這樣使得在開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)波動(dòng)比較大，且調(diào)節(jié)時(shí)間也比較大。由仿真我們也可以看出來(lái)，當(dāng)KP太大時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，而逐漸減小KP值時(shí)，系統(tǒng)逐漸變得穩(wěn)定，不過(guò)隨著KP的減小，增益也隨之減小。始終不能達(dá)到我們所希望的情況。v 比例積分環(huán)節(jié)只要積分時(shí)間足夠大，PI控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在控制工程中，PI控