直流調速系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析報告

1、 . . . 畢業(yè)論文直流調速系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析56 / 57畢業(yè)設計任務書畢業(yè)設計題目：直流調速系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析1課題意義與目標學生應該通過本次畢業(yè)設計，綜合運用所學過的基礎理論知識，在深入理解直流調速控制系統(tǒng)工作原理的基礎上，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，并利用MATLAB中的GUI工具，對直流調速系統(tǒng)動態(tài)特性進行仿真，給出仿真實驗結果。為學生在畢業(yè)后從事機電控制系統(tǒng)設計工作打好基礎。2主要任務（1）分析直流調速控制系統(tǒng)的工作原理；（2）建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；（3）編寫MATLAB/GUI仿真程序；（4）調試、分析仿真結果； 3主要參考資料1 伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M. ：機械工業(yè)，2

2、004.2 齊占慶，王振臣. 電氣控制技術M. ：機械工業(yè)，2002.3 阮毅，伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M. ：機械工業(yè)，2011.4進度安排設計各階段名稱起止日期1查閱文獻，總體規(guī)劃，完成開題報告2016.02.292016.03.112分析直流調速控制系統(tǒng)的工作原理2016.03.122016.03.203建立系統(tǒng)的數(shù)學模型2016.03.212016.04.104編寫MATLAB/GUI仿真程序，中期檢查2016.04.112016.04.295調試、分析仿真結果2016.04.302016.05.226整理畢業(yè)論文，準備答辯2016.05.232016.06.05審核人：年月日直流

3、調速系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析摘要：直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大圍實現(xiàn)平滑調速，并且直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，是研究其他調速系統(tǒng)的基礎。用MATLAB軟件中的GUI進行仿真，不僅使用方便，也大大降低了研究成本。本文敘述了直流電動機的基本原理和調速原理，介紹了直流電動機單閉環(huán)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性，并建設立了調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，給出了動態(tài)結構框圖，用工程設計方法設計了直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。最后，用MATLAB/GUI軟件搭建了仿真模型，對所要研究的調速系統(tǒng)進行了仿真研究。通過對直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)特性的研究與仿真，可以清楚地看到，直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有

4、較好的動態(tài)性能。關鍵詞：直流調速；雙閉環(huán)、單閉環(huán)系統(tǒng)；電流調節(jié)器；轉速調節(jié)器；GUI仿真Simulation Research on Speed Regulation System of DC MotorAbstract：DC motor has a good effect, braking performance, appropriate for smooth speed control in a wide range, and DC speed control system both in theory and practice more mature, is to study the b

5、asis of other control system. The DC converter usingMATLAB/GUI software system for simulation of virtual environments is not only easy to use, but also greatly reduce the research costs.This paper describes the basic principle of DC motor and speed control principle, introduced the single return cir

6、cuitDC motor and dual-loop speed control system components and the static and dynamic characteristics, and according to the basic equation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram shows the dynamic structure, designed by engineering design of DC Speed Re

7、gulation system. Finally, the simulation software MATLAB/GUI simulation model built on the speed control system was simulated.By DC Motor Speed Regulation of the dynamic characteristics and simulation, we can see clearly, double-loop DC motor speed control system has good dynamic performance, you ca

8、n within a given speed, a smooth static error-free speedKeywords: Speed control of DC-drivers；Double-closed-loop；Current regulator；Speed regulator；Computer simulation；GUI simulation目錄1 緒論11.1直流調速系統(tǒng)的概述11.2 MATLAB/GUI軟件的介紹11.3論文的主要容22 直流調速系統(tǒng)32.1直流電動機的原理圖32.2直流調速系統(tǒng)的組成42.3 PID控制52.4轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性分

9、析52.5直流調速控制系統(tǒng)的總體設計52.6直流電機參數(shù)和調節(jié)器設計52.7帶轉速微分負反饋環(huán)節(jié)的雙環(huán)系統(tǒng)53 直流調速系統(tǒng)動態(tài)特性與其仿真分析53.1 MATLAB/GUI簡介53.2 GUI設計的步驟53.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖和仿真參數(shù)的設置53.4系統(tǒng)仿真的結果53.5雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性分析53.6電流環(huán)和轉速環(huán)參數(shù)改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響53.7單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的性能分析5參考文獻5致5附錄51 緒論1.1直流調速系統(tǒng)的概述直流電機能在大圍平滑調速，且具有良好的制動和啟動性能，在機械、電氣自動化等許多領域中得到非常普遍的的應用。這幾年，交流調速系統(tǒng)勢頭很猛，但是，直流拖動控制

10、系統(tǒng)畢竟在實踐和理論上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎2。直流調速系統(tǒng)有開環(huán)調速系統(tǒng)、單閉環(huán)調速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)、三環(huán)調速系統(tǒng)、弱磁控制的直流調速系統(tǒng)等。直流調速系統(tǒng)的動態(tài)特性包括：動態(tài)跟隨性能、動態(tài)抗擾性能。動態(tài)抗擾性能又包括：抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。跟隨性能的性能指標有：上升時間、超調量、和調節(jié)時間?？箶_性能在本論文中只分析抗負載擾動的性能?？箶_性能指標包括：動態(tài)降落、恢復時間和峰值時間。在實際的生產(chǎn)活動中對動態(tài)的性能指標要求不同?？赡孳垯C對轉速的動態(tài)跟隨性能和抗擾性能要求都較高，而一般的不可逆調速系統(tǒng)主要要求轉速的抗擾性能，跟隨性能影響不大。1

11、.2 MATLAB/GUI軟件的介紹MATLAB是matrix laboratory的縮寫，意思是矩陣實驗室。MATLAB是一種高效的計算語言,且把編程、計算和可視化等功能集成到一個環(huán)境。在用MATLAB的過程中，我們可以按照我們的思維方式和表達形式來完成自己的工作。MATLAB是一個交互式的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)元素沒有維數(shù)限制，這為我們處理大數(shù)據(jù)提供了方便。MATLAB是一個很有效的數(shù)值計算和可視化軟件，它提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。GUI是實現(xiàn)人機交互的中介，具有強大的功能，可以完成許多復雜的程序模塊。MATLAB的典型應用包括以下幾點：數(shù)學計算、算法開

12、發(fā)、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)建模和仿真、數(shù)據(jù)分析和可視化、科學和工程繪圖和應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）3。本論文接下來要用的仿真軟件是MATLAB中的GUI仿真工具（MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE）。GUI界面給用戶提供一個常見的界面，還提供一些控件，如按鈕、列表框、滑塊、菜單等。用戶圖形界面應易于理解，且操作是可以預告的，所以當用戶進行某一項操作時，它知道如何去做1。創(chuàng)建MATLAB用戶圖形界面必須具有以下三類基本元素：1）組件、2）圖形窗口、3）回應。實現(xiàn)一個GUI的過程包括兩個基本任務：一是GUI的組建布局，另一個是GUI組件編程1。1.3論文的主要容本畢業(yè)設計的題目是：直流調速系統(tǒng)動

13、態(tài)特性的仿真分析。題目中包含兩個任務，即動態(tài)特性和仿真分析。以直流電動機為對象，用工程設計方法設計直流電動機轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，基于直流電動機的基本方程給出動態(tài)結構圖，建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并應用MATLAB進行仿真，對仿真結果分析、研究。主要工作如下：(1) 數(shù)學模型的建立查閱書籍，根據(jù)直流電機的基本方程，建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型并給出動態(tài)結構圖。(2) 系統(tǒng)方案設計通過查看資料，了解直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的最佳工程設計方法，并進行調速系統(tǒng)的設計。采用工程設計方法選擇調節(jié)器時，應該先根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，判定要校正成那一類典型系統(tǒng)。所以，應該深入了解型系統(tǒng)和型系統(tǒng)在性能上的

14、區(qū)別。然后再選擇用PI調節(jié)器還是PID調節(jié)器。(3) 仿真的進行和結果的分析與探究深入學習和掌握MATLAB下的GUI中的各個組件的作用，學習GUI中回調函數(shù)的編寫。學會改變所要對象的屬性值，為后面的編程提供方便。在布局GUI時，盡量使界面美觀。最后，根據(jù)GUI圖像分析直流調速系統(tǒng)的動態(tài)特性，包括時域分析和頻域分析。2直流調速系統(tǒng)2.1直流電動機的原理圖圖2-1表示是一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的定子上，裝設了一對用直流勵磁的主磁極和，在轉子上裝設電樞鐵心。圖2-1 直流電機模型2.1.1直流調速控制系統(tǒng)的分析與比較（1）直流電動機轉速的表達式： （2-1）式中-轉速（r/min）；-電樞

15、電壓（V）；-電樞電流（A）；-電樞回路總電阻（）；-勵磁磁通（）；-由電機結構決定的電勢常數(shù)。由式(2-1)可知，可通過以下方法調速：1)改變電樞回路總電阻R；2)調節(jié)電樞供電電壓U；3)減弱電動機磁通。對于無極調速系統(tǒng)，通過改變電樞電壓的調速方式為最好。減弱磁通調速圍不大，一般很少使用，通常只是配合調壓使用。(2) 直流調速控制系統(tǒng)的發(fā)展階段1)開環(huán)直流調速控制系統(tǒng) 圖2-2 開環(huán)直流調速系統(tǒng)存在的缺點是:第一，電流是不能反向的。第二，開環(huán)調速系統(tǒng)機械特性有有可能是斷續(xù)的，是非線性的。2)閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)圖2-3 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖從各方面實驗，轉速和電流雙閉環(huán)具有良好的靜、動

16、態(tài)特性。2.2直流調速系統(tǒng)的組成典型反饋控制系統(tǒng)的結構中包含三個典型的部分:即對象模型、控制器模型、反饋模型。圖2-4 開環(huán)系統(tǒng)的結構圖圖2-5 閉環(huán)系統(tǒng)的結構圖2.3 PID控制PID在控制工程中使用廣泛，它的結構靈活，在工業(yè)中有很大的優(yōu)勢,如機械、電氣、液壓等方面。它有四種控制，分別是P、PD、PI、PID。PID控制算法的示意圖如圖2-6圖2-6 P1D控制算法的示意圖其中: 比例項的作用是只改變信號的增益而不影響其相位，積分項的作用是減少穩(wěn)態(tài)誤差，微分項能產(chǎn)生超前控制，減少響應的超調。式（2-2）即進行運算形成的：（2-2）相應的傳遞函數(shù)為: （2-3）PID控制器如圖2-7所示圖2-

17、7 PID控制器在實際生產(chǎn)應用時，因為檢測信號中含有很強的干擾信號，只用PI控制，一般不采用微分控制項。圖2-8 P I控制器閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速環(huán)、電流環(huán)大多數(shù)用的是PI控制。PI控制有比例控制、積分控制。圖2-9 采用PI調節(jié)器的自動調節(jié)系統(tǒng)是系統(tǒng)調節(jié)對象的傳遞函數(shù)，是系統(tǒng)的輸入信號，是系統(tǒng)的輸出信號，表示偏差信號，是調節(jié)器輸出的控制信號(各值取絕對值)。是PI調節(jié)器的比例系數(shù)，是PI調節(jié)器的時間常數(shù)，是PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)。從傳遞函數(shù)看，自動調節(jié)系統(tǒng)為： （2-4）可分成比例部分和積分部，其中，比例部分與偏差成正比，積分部分同偏差的積分有關。2.4轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性分

18、析2.4.1轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性圖2-10 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖2-10所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。圖2-11 轉速、電流環(huán)系統(tǒng)電路圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，電流、轉速雙環(huán)系統(tǒng)一般都采用PI調節(jié)器。圖2-11是電路原理圖。從圖2-11可知兩個調節(jié)器的輸出

19、都是帶限幅的。圖2-12 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖一般，電流調節(jié)器不會達到飽和。所以，在靜特性中，就只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.4.2轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性（1）雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖2-14所示。圖中轉速調節(jié)器的傳遞函數(shù)，是電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖2-13 雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結構圖（2）動態(tài)抗擾性能分析 抗負載擾動由圖2-14動態(tài)圖可知，只能靠轉速調節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用，因為，負載擾動在電流環(huán)之后。在設計ASR時，應要注有較好的抗擾性能指標。 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。和都作用在被轉速負反饋環(huán)包圍的前向通道

20、上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否與時調節(jié)的差別。電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調量稍遠，調節(jié)作用就會受到延滯。（3）電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的作用1) 轉速調節(jié)器有以下功能：實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差；在抗負載擾動方面起作用；最大電流是由轉速調節(jié)器的限幅來定的。2) 電流調節(jié)器有以下功能：抗電網(wǎng)電壓擾動；能保證在啟動時有最大電流；能起到安全保護作用。2.5 直流調速控制系統(tǒng)的總體設計控制系統(tǒng)的設計思路如下圖圖2-14 控制系統(tǒng)的設計思路本設計要求按某大中型龍門刨床的參數(shù)設計，下面是設計要求。控制系統(tǒng)設計要求：雙閉環(huán)系統(tǒng)轉數(shù)超調量，帶轉速微分的系統(tǒng)轉

21、速超調量，調節(jié)時間14。2.5.1直流電動機數(shù)學模型直流電動機的等效方框圖如圖2-15所示。圖2-15直流電機的等效方框圖電動機電樞回路的運動方程式: （2-5）取下邊式子的拉斯變換等，在零初始條件下： （2-6）是電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s；電流與電動勢間的傳遞函數(shù)如下： (2-7)再考慮，得出直流電動機的動態(tài)結構圖。如果不需要表現(xiàn)出電流，還可進一步簡化。圖2-16 直流電動機的動態(tài)結構圖2.5.2測速電機數(shù)學模型測速發(fā)電機經(jīng)簡化后，可以認為其輸出電壓同轉速有線性關系，即:式中:是測速發(fā)電機的反饋系數(shù)，單位是伏分/轉。n是電機轉速，單位是轉/分。2.5.3可控硅觸發(fā)和整流裝置的數(shù)學模型2

22、.6直流電機參數(shù)和調節(jié)器設計2.6.1電機參數(shù)直流電機:ZBD-93-BL 型電樞回路總電阻電勢常數(shù)轉矩負載點數(shù)時間常數(shù)機電時間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉速反饋系數(shù)2.6.2轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖在所要研究的系統(tǒng)中設計兩個調節(jié)器，、轉速兩種負反饋分別起作用，分別實現(xiàn)對電流和對轉速的調節(jié)，它們的關系見圖2-17。 雙閉環(huán)調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，是為了獲得較好的靜、動態(tài)性能。 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖見圖2-17。圖2-17 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)圖2.6.3電流調節(jié)器的設計由于和一般都比小得多，可當作小慣性環(huán)節(jié)處理，因此可取將電機的反饋斷開，其電流環(huán)結構圖如圖2-18所示。

23、圖2-18 斷開電機反饋的電流環(huán)的動態(tài)結構圖將其他等效于環(huán)的結構圖如圖2-19。圖2-19 電流調節(jié)環(huán)動態(tài)結構圖簡化和一般都比小，可當成小參數(shù)近似處理，等效系統(tǒng)結構圖如圖2-20所示。圖2-20 電流環(huán)動態(tài)結構簡化圖（1）電流調節(jié)器結構選擇電流調節(jié)器應該采用PI調節(jié)器，因為電流環(huán)要校正成I型系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為： (2-8)式中 ；。 為了讓調節(jié)器零點抵消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇 所以電流環(huán)的動態(tài)結構圖就成為典型形式，見式（2-9）(2-9)校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)結構圖見圖2-21。圖2-21 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)很多時候，希望時，可取，,所以 （2-10） （2-11）(2) 電

24、流調節(jié)器參數(shù)計算1）確定時間常數(shù)在設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結構圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)。最后，和比小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，等效成一個慣性環(huán)節(jié)，取；2）確定電流調節(jié)器所需的結構參數(shù)根據(jù)要求:,而且所以可按典型I型系統(tǒng)設計。電流調節(jié)器選用型，它的傳遞函數(shù)為ACR超前時間常數(shù): =0.014s電流環(huán)開環(huán)增益: 要求,應取2，因此ACR的比例系數(shù)為2.6.4 轉速調節(jié)器的設計將電流環(huán)等效替代前面的電流環(huán)之后，圖2-22轉速調節(jié)器的結構圖。圖2-22 轉速環(huán)動態(tài)結構圖圖2-23是把等效地移到轉速

25、環(huán)后的轉速環(huán)結構圖。圖2-23 轉速環(huán)動態(tài)結構圖在使用中，轉速調節(jié)器一般最好采用PI調節(jié)器，因為轉速環(huán)校是要校正成II型系統(tǒng)，下面是其傳遞函數(shù)： (2-12)可知，圖2-23的開環(huán)傳遞函數(shù)如下： (2-13)式中-轉數(shù)環(huán)的開環(huán)增益: （2-14）由上得，ASR的比例系數(shù)為:(2-15) ASR的參數(shù): (2-16) (2-17)調節(jié)器PI的比例系數(shù): (2-18)如無特殊要求，一般取中頻寬h=5為好2。(1)轉速環(huán)參數(shù)計算選取轉速環(huán)濾波時間常數(shù)，上面已經(jīng)確定，合并轉速環(huán)小時間常數(shù)，最終 (2)選擇轉速調節(jié)器的結構根據(jù)要求，轉速環(huán)應按典型型系統(tǒng)設計。所以轉用，它的傳遞函數(shù)為: (2-19)(3)

26、下面確定轉速調節(jié)器參數(shù)取h=5，ASR時間常數(shù)為:它的開環(huán)增益為：=則它的放大系數(shù)為:2.7帶轉速微分負反饋環(huán)節(jié)的雙環(huán)系統(tǒng)在有些時候系統(tǒng)既不讓轉速超調，對抗擾性能要求高。只采用轉速環(huán)和電流環(huán)就有些不夠用了，所以就引入了轉速微分負反饋。加入他可以減少超調，也能降低，所以采用該種改進對系統(tǒng)是很有好處的。從圖2-24中可以看出，它比一般的轉速調節(jié)器多了兩個器件，分別是和，比原來轉速微分負反饋。這樣兩個作用比普通的系統(tǒng)提前達到平衡。下面是帶轉速微分負反饋的轉速調節(jié)器的原理圖。圖2-24 帶轉速微分負反饋的轉速調節(jié)器原理圖由圖2-24，經(jīng)過公式變換，最終得到轉速微分負反饋環(huán)節(jié)為。有前面已知的，。取，所以

27、3 直流調速系統(tǒng)動態(tài)特性與其仿真分析3.1 MATLAB/GUI簡介MATLAB的數(shù)學運算功能特別強大、界面直觀、人機互動強。在很多領域都用到，如：電工電氣、機械、圖像處理等。圖 3-3 GUI交互組件GUI的組件主要有按鈕（Push Button）、滑動條（Slider）、單選按鈕（Radio Button）、復選框（Check Box）、文本框(Edit Text)、文本標簽（Static Text）、下拉菜單(Pop-Up Menu)、下拉列表框(List Box)、雙位按鈕(Toggle Button)、坐標軸（Axes）、面板（Panel）、按鈕組（Button Group）和Act

28、iveX(ActiveX Control)1 。圖3-4 GUI交互組件面板3.2 GUI設計的步驟圖3-5 GUI設計的步驟3. 3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖和仿真參數(shù)的設置前面已按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器，直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能有兩個，分別是動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能。圖3-6 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖3-7 帶轉速微分負反饋環(huán)節(jié)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖前面已按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器，直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能有兩個，分別是動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能。3.3.1通過MATLAB求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G1=tf(1,0.01 1); G2=tf(Tn 1,T

29、n/Kn 0);G3=tf(1,0.002 1); G4=tf(Ti 1,Ti/Ki 0);G5=tf(40,0.00167 1); G6=tf(25,0.014 1);G7=tf(0.04,0.12 0); G8=4.7019;H1=tf(0.04,0.12 0); H2=tf(0.033,0.002,1);H3=tf(0.01,0.01,1); H4=tf(0.000634 0,0.01 1);P1=minreal(G6/(1+H1*G6);P2=minreal(G4*G5*P1/(1+G4*G5*P1*H2);P3=minreal(G2*G3*P2*G7*G8/(1+G2*G3*P2*G

30、7*G8*H3);P4=minreal(G1*P3);P5=minreal(G6*G7/(1+G6*G7);P6=minreal(G1*G2*G3*P2*G7*G8*H3);P7=minreal(G1*G2*G3*G4*G5*P1*G7*G8*H3);P8=minreal(G4*G5*G6/(1+G4*G5*G6*H2);P11=minreal(-1*G7*G8/(1+G7*G8*G2*G3*H3*P8);P12=minreal(P3/(1+P3*H4);P13=minreal(G1*P12);P14=minreal(G1*P3*H4);P15=parallel(H3,H4);P16=minr

31、eal(-1*G7*G8/(1+G7*G8*G2*G3*P15*P8);其中，P4雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，P6是雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的的開環(huán)傳遞函數(shù)，P11是雙閉環(huán)調速系統(tǒng)負載擾動的傳遞函數(shù)，P13是轉速微分負反饋雙環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，P14是轉速微分負反饋雙環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，P16是轉速微分負反饋雙環(huán)系統(tǒng)負載擾動的傳遞函數(shù)。3.4系統(tǒng)仿真的結果圖 3-8 GUI仿真結果3.5雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性分析3.5.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的時域分析圖3-9 時域分析圖動態(tài)跟隨性能指標是在給定輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。所以給定的信號不同，輸出響應也不同。很多情況下

32、以輸出量的初、給定信號階躍變化的過度過程作為典型的跟隨過程，。階躍響應的跟隨性能指標有：上升時間、超調量、調節(jié)時間。圖3-9中，紅色曲線是雙閉環(huán)調速系統(tǒng)單位階躍響應曲線，藍色曲線是轉速微分負反饋雙環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應曲線。由圖知，紅色曲線的最大超調量，而藍色曲線的最大超調量大為降低，是，所以，轉速微分負反饋作用顯示無疑。紅色曲線的峰值時間，藍色曲線的峰值時間。所以，得出結論：在轉速調節(jié)器上加上轉速微分負反饋環(huán)節(jié)可以顯著的降低系統(tǒng)的最大超調量，雖說加上微分負反饋達到峰值的時間增大，總的來說，加上它系統(tǒng)能獲得非常好的動態(tài)性能。圖3-6的時域分析圖中的最大超調量和峰值時間是通過如下方法實現(xiàn)的：在我電腦

33、的E盤里建立了一個E:MATLABmulu文件夾，在這個文件夾里我設計了一個求上升時間、超調量、調節(jié)時間的程序，文件名為perf.m。function sigma,tp,ts=perf(key,y,t)%MATLAB FUNCTION PROGRAM perf.m%Count sgma and tpmp,tf=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sigma=(mp-yss)/yss;tp=t(tf);%Count tsi=cs+1;n=0;while n=0,i=i-1;if key=1,if i=1n=1;elseif y(i)1.05*yss,n=1;end;els

34、eif key=2,if i=1,n=1;elseif y(i)1.02*yss,n=1;end;endend;t1=t(i);cs=length(t);j=cs+1;n=0;while n=0,j=j-1;if key=1,if j=1,n=1;elseif y(j)0.95*yss,n=1;end;elseif key=2,if j=1,n=1;elseif y(j)0.98*yss,n=1;endendt2=t(j);if t2t2;ts=t1;endelseif t2tp,if t2t1,ts=t2;elsets=t1;endend;end3.5.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的頻分析圖3-10 無

35、轉速微分負反饋雙環(huán)系統(tǒng)的bode圖圖 3-11 有轉速微分負反饋雙環(huán)系統(tǒng)的bode圖由圖3-10的數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的幅值穿越頻率，與其相對應的相位裕量為，與對應的相位穿越頻率，其幅值裕量，所以，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。由圖3-11的數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的幅值穿越頻率，與其相對應的相位裕量為，與對應的相位穿越頻率，其幅值裕量,所以，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖3-10和圖3-11的頻域分析圖中的是否穩(wěn)定性是通過如下方法實現(xiàn)的：Gm, Pm, Wcg, Wcp=margin(P6);margin(P6)Wdz=Wcp-Wcg;if(Wdz=0.05, n=1;end;elseif key=2,if i=1, n=1;el

36、seif y(i)=0.002, n=1;end;endend; t1=t(i); i; cs=length(t);j=cs+1;n=0;while n=0, j=j-1;if key=1,if j=1, n=1;elseif y(j)=-(0.005), n=1;end;elseif key=2,if j=1, n=1;elseif y(j)=(-0.02), n=1;end;endend; t2=t(j); j;if t2t2 tv=t1;endelseif t2tp,if t2t1,if t1=0 tv=t1;else tv=t2;endelseif t1=0 tv=t1;else tv

37、=t2;endendend3.6 電流環(huán)和轉速環(huán)參數(shù)改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響3.6.1電流環(huán)參數(shù)改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響電流環(huán)設計為PI調節(jié)器，將比例系數(shù)適當減小，假定減小為，積分時間常數(shù)適當加大，假定加大為，可以使超調減少。仿真后的曲線如下圖。圖3-13 改變電流環(huán)參數(shù)后GUI仿真結果通過編輯下面m文件，然后在MATLAB中運行，最夠就行很清晰的觀察出在改變電流環(huán)參數(shù)前和后的變化。clcG1=tf(1,0.01 1); G2=tf(0.087 1,0.087/72.6 0);G3=tf(1,0.002 1); G4=tf(0.014 1,0.014/0.057 0);G41=tf(0.3 1

38、,0.3/0.027 0);G5=tf(40,0.00167 1); G6=tf(25,0.014 1);G7=tf(0.04,0.12 0); G8=4.7019;H1=tf(0.04,0.12 0); H2=tf(0.033,0.002,1);H3=tf(0.01,0.01,1); H4=tf(0.000634 0,0.01 1);P1=minreal(G6/(1+H1*G6);P2=minreal(G4*G5*P1/(1+G4*G5*P1*H2);P3=minreal(G2*G3*P2*G7*G8/(1+G2*G3*P2*G7*G8*H3);P4=minreal(G1*P3); P7=m

39、inreal(G1*P6);P5=minreal(G41*G5*P1/(1+G41*G5*P1*H2);P6=minreal(G2*G3*P5*G7*G8/(1+G2*G3*P5*G7*G8*H3);step(P4,r)grid onhold onstep(P7)hold offy,t=step(P4);sigma,tp=perf(2,y,t)y,t=step(P7);sigma,tp=perf(2,y,t)圖3-14 改變電流環(huán)參數(shù)后時域分析圖圖3-14中紅色曲線是原始參數(shù)下出的圖，藍色曲線是將比例系數(shù)適當減小，積分時間常數(shù)適當加大后出的圖。通過觀察圖3-14，可以得出結論：將比例系數(shù)適當減

40、小，積分時間常數(shù)適當加大，可以使輸出超調減少。圖3-15中顯示的是command window窗口，里面的數(shù)值是通調用perf.m計算出來的。其中，第一個sigma是在原始參數(shù)下算出的最大超調量，。第二個sigma是在將比例系數(shù)適當減小，積分時間常數(shù)適當加大下算出的最大超調量，由圖可知。圖3-15 command window窗口3.6.2轉速環(huán)參數(shù)改變對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響轉速環(huán)設計為PI調節(jié)器，將比例系數(shù)適當減小，假定減小為，積分時間常數(shù)適當加大，假定加大為，可以使超調減少。仿真后的曲線如下圖。通過編輯下面m文件，然后在MATLAB中運行，就能夠很清晰的觀察出在改變電流環(huán)參數(shù)前和后的變化。圖

41、3-16 改變轉速環(huán)參數(shù)后GUI仿真結果通過編輯下面m文件，然后在MATLAB中運行，就能夠很清晰的觀察出在改變電流環(huán)參數(shù)前和后的變化。clcG1=tf(1,0.01 1); G2=tf(0.087 1,0.087/72.6 0);G21=tf(0.87 1,0.87/60 0);G3=tf(1,0.002 1); G4=tf(0.014 1,0.014/0.057 0);G5=tf(40,0.00167 1); G6=tf(25,0.014 1);G7=tf(0.04,0.12 0); G8=4.7019;H1=tf(0.04,0.12 0); H2=tf(0.033,0.002,1);H3

42、=tf(0.01,0.01,1); H4=tf(0.000634 0,0.01 1);P1=minreal(G6/(1+H1*G6);P2=minreal(G4*G5*P1/(1+G4*G5*P1*H2);P3=minreal(G2*G3*P2*G7*G8/(1+G2*G3*P2*G7*G8*H3);P4=minreal(G1*P3);P5=minreal(G4*G5*P1/(1+G4*G5*P1*H2);P6=minreal(G21*G3*P5*G7*G8/(1+G21*G3*P5*G7*G8*H3);P7=minreal(G1*P6);step(P4,r)，grid onhold onst

43、ep(P7)hold offy,t=step(P4);sigma,tp=perf(2,y,t)y,t=step(P7);sigma,tp=perf(2,y,t)圖3-17 改變轉速環(huán)參數(shù)后時域分析圖圖3-17中紅色曲線是原始參數(shù)下出的圖，藍色曲線是將比例系數(shù)適當減小，積分時間常數(shù)適當加大后出的圖。通過觀察此圖，可以得出結論：將比例系數(shù)適當減小，積分時間常數(shù)適當加大，可以使輸出超調減少。圖3-18中顯示的是command window窗口，里面的數(shù)值是通調用perf.m計算出來的。其中，第一個sigma是在原始參數(shù)下算出的最大超調量，。第二個sigma是在將比例系數(shù)適當減小，積分時間常數(shù)適當加大

44、下算出的最大超調量，由圖可知。圖3-18 command window窗口3.7單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的性能分析上面重點講了雙閉環(huán)和帶轉速微分負反饋環(huán)節(jié)的仿真曲線，接下來簡單的分析一下單閉環(huán)的動態(tài)性能。3.7.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖圖3-16 校正前的單閉環(huán)調速系統(tǒng)圖3-16 帶轉速調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構圖圖3-17 帶轉速微分負反饋的調速系統(tǒng)結構圖圖3-16 GUI界面圖通過點擊call program可以打開單閉環(huán)調速系統(tǒng)的GUI界面圖3-17 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的GUI界面是放大器的電壓放大系數(shù)，是晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)。圖3-18 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的GUI仿真圖從

45、圖3-18可以看出，校正前的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。校正后的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，切超調量基本沒有，帶轉速微分負反饋的系統(tǒng)動態(tài)特性最好，也比較快速，比前兩種系統(tǒng)更完美，是一種值得推廣的控制系統(tǒng)。參考文獻1 垚光，王玲.精通MATLAB GUI 設計M.：電子工業(yè)，2011.2 伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M. ：機械工業(yè)，2004.3 王克義，路敦民. 機電傳動系控制M. ：工程大學,2012.4 齊占慶，王振臣. 電氣控制技術M. ：機械工業(yè)，2002.5 阮毅，伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M. ：機械工業(yè)，2011.6 祝龍記. 電氣工程與自動化控制系統(tǒng)MATLAB仿真M. ：中國礦業(yè)大學，2014.7

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