直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1、基于MATLAB的直流電機(jī) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 設(shè)計(jì)任務(wù)書：1. 設(shè)置該大作業(yè)的目的在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)對電樞電流加以保 護(hù)，缺少對電樞電流的精確控制，也就無法充分發(fā)揮直流伺服電動機(jī)的過載能力， 因而也就達(dá)不到調(diào)速系統(tǒng)的快速起動和制動的效果。通過在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電流閉環(huán)，即按照快速起動和制動的要求，實(shí)現(xiàn)對電樞電流的精 確控制，實(shí)質(zhì)上是在起動或制動過程的主要階段， 實(shí)現(xiàn)一種以電動機(jī)最大電磁力 矩輸出能力進(jìn)行啟動或制動的過程。 此外，通過完成本大作業(yè)題目，讓學(xué)生體會 反饋校正方法所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：改造受控對象的固有特性，使其滿足更高的動 態(tài)品

2、質(zhì)指標(biāo)。2. 大作業(yè)具體內(nèi)容設(shè)一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，米用雙極式H橋PWM方式驅(qū)動，已知 電動機(jī)參數(shù)為：額定功率200W額定電壓48V;額定電流4A;額定轉(zhuǎn)速=500r/min ；電樞回路總電阻R 8;允許電流過載倍數(shù) =2;電勢系數(shù)Ce r;電磁時(shí)間常數(shù)Tl ;機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm ;電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi ;轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton 1ms要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓 U：m U i*m 10V；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10V;PW功率變換器的開關(guān)頻率f 10kHz;放大倍數(shù)Ks 。試對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差；電流超調(diào)量j 5%空載起動到額定轉(zhuǎn)速

3、時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%；過渡過程時(shí)間ts s。3. 具體要求(1) 計(jì)算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；(2) 按工程設(shè)計(jì)法，詳細(xì)寫出電流環(huán)的動態(tài)校正過程和設(shè)計(jì)結(jié)果；(3) 編制Matlab程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率 特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；(4) 編制Matlab程序，繪制未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流環(huán)開環(huán) 頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；(5) 按工程設(shè)計(jì)法，詳細(xì)寫出轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)校正過程和設(shè)計(jì)結(jié)果；(6) 編制Matlab程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率 特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；(7) 編制Matlab程序，繪制未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)

4、開環(huán) 頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；(8) 建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 Simulink仿真模型，對上述分析 設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真；(9) 給出階躍信號速度輸入條件下的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、電流調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線，分析設(shè)計(jì)結(jié)果與要求指標(biāo)的符合性；設(shè)計(jì)說明書：雙閉環(huán)直流電機(jī)控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖：圖一（不考慮電壓和電流濾波）W5-45轉(zhuǎn)遠(yuǎn)電渣J503耳賈證謝速系址功恵結(jié)構(gòu)悄圖二（考慮電壓和電流濾波）砂”d刊點(diǎn)旳二叮:一桿花1.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算:電流反饋系數(shù):1102 X 41.25V/A電壓反饋系數(shù):0 02V/r2.電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和簡化過程:（1）確定時(shí)間常數(shù)電流濾波的時(shí)

5、間常數(shù)為Toi ，按照電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法,取為:1100000.0002 二 0, 0003s(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)的要求超調(diào)量不超過 5%因此在設(shè)計(jì)時(shí)按照典型I型進(jìn)行設(shè)計(jì) 電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：T.s + 1Gacr(s)二 K,T.s電流環(huán)動態(tài)框圖及其簡化過程LG_" ££T.s 4-7M'|pi/Ra)u：b)u.(3) 選擇調(diào)節(jié)器：= TI二0.008s電流環(huán)按照超調(diào)量為5%計(jì)算，考慮電流環(huán)：取開環(huán)增益I-門二因此，可以得出PI調(diào)節(jié)器的增益為:0.5Ki 二瓦二 1666 7Ki = K) *TiRpK0

6、.50T,RPKs17.78(4) 檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截至頻率:芮=K| = 1666. 71) 近似條件一：引2 3 帀現(xiàn)在：3揺二昭4 < wci，滿足近似條件2) 近似條件二：小W ?，F(xiàn)在，滿足近似條件。3) 近似條件三：叫 W扌倚現(xiàn)在：二2357, 0 > Wei，滿足近似條件。于是根據(jù)以上的計(jì)算，最終確定的 PI調(diào)節(jié)器為:0. 008s + 1 甌矗)=,7 78-5758故不經(jīng)小時(shí)間常數(shù)合并的系統(tǒng)模型如下:*GD將model文件另存為文件，M文件編輯如下的代碼:a,b,c,d=li nm od('C_hua n');sys二ss(a,b,c,d);st

7、ep(sys)grid繪制出對應(yīng)的bode圖和單位階躍響應(yīng)的曲線如下所示：(繪制bode圖示將 反虧斷開，從反饋端out輸出)a,b,c,d=li nm od('C_hua n2');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)gridbode 圖:Bode C .3gram1»r I S f 1T1P !廠r- 1 11Ii 1 1 h1111 1i 1111 i< aiir 11 亠|1 i| |liI| I a1 1ii1| Ii |l 11 I1TIlli1i lili1 i1I11111 l> 1l!1 111 1 k 4 l> i

8、i1 81 h il>i 11 IA11 u 11rm-十-r ' r iH1fanahrrr l'I-H-in-i-I1i1 h 11111! U1 -nL,11 HI1H 11 I1i1 a >1 i>i114 1 I1 1f1 » 4l>1 11 -1II11 1 h 1111 E U1 l11y nn 1i I11i1 1 >1 Hi11 lilt1 11111i 111 "11111 1 it i111 I 1 II1 11111 « "l 11 1h1a1 -ij>111 J J J_pJ|

9、L l> 4Lj 11 ii iiIT 1 n li 1 Il111I aP11111 lil111 I 1 11 1Ii11>11 r 1宀* 1i1 "1111i 1 i li1111 1 !l1 11111i i nhr-P 11 1Pli| P i| |ii| | 1 |> | 1ii11 p 1)1 l1 aIl1i 1 ll II1ii ill1 11111 ii Iii 11111 1 l| |i11|1 | II1 11111I li 1prx1 d_ J_二1LlU -_L_ 1 _ L JL 1 Jj 1 _ _ J-_LLLML_三L-J_ L

10、 Jji1i n ii11 n 111 1iIil| II |l I1i!1 k 4 l>I11 ii 1 11 IF111 kl>i 11 11111 1 H |111 1 nI 111111 II 111 11 1111!1 fe 1 l>!1i Illi1 1i1111 l> 4H« 111 "1I111 1 11 1111 E U1 1111 HI1n 11 1 1 |i114 14 11« 1' | 11 11 4IIIlliI11 III1I11 1I1 11aojp) ReeLE:101010Freqjencry r

11、radj'&10單位階躍響應(yīng)曲線:Tinie (seconds)乂旳"lipnualuw從電流圖中可以看出，電流迅速響應(yīng)，而且超調(diào)量不大，具體數(shù)值在以后的動態(tài)分 析中會給出分析。經(jīng)過小時(shí)間常數(shù)合并，即將 PWM環(huán)節(jié)和電流濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)合并后，再次建模 圖如下：將上述模型保存為，M文件編寫下列語言可以得出經(jīng)過小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)合并后的 bode圖(開環(huán))，和單位階躍響應(yīng)圖形：a,b,c,d=linmod('C hebing');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)grida,b,c,d=linm od('C_hebi ng2'

12、;);sys=ss(a,b,c,d);step(sys)gridbode 圖：fiode DiacranOFrequency raars單位階躍響應(yīng)曲線0.9DprundE兀0051152Z533.54Time seconds)工忙話Step Response0.10可以對比分析是否合并小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的bode圖，以及單位階躍響應(yīng)圖形，我們可以看出，兩組圖形基本沒有差別，這說明我們的電流環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)以及相關(guān)的近似都 是合理的。3.轉(zhuǎn)速環(huán)的控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和簡化過程:有電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便等效為:13a)R 酬$ >b)(1)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)

13、：2丁嘗=轉(zhuǎn)速濾波的時(shí)間常數(shù)：Ton 1ms=轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似處理：二丁卸+ Ton 0(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，由于要去轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須具有積分環(huán)節(jié);同時(shí)有根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按照典型n型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)同樣要求利用選擇pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:Tns + 1WS)二心百(3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨性和抗干擾性能均較好的原則，取h=10,則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為:Tn = h * Ty 二 10 * 0.0016 二 0.016s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)的增益為:m 二* = 214842h2TV 2(h * 1) 3 CeTw是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為:6 X 1.2

14、5 X 0.04 X 0.5二 53. 70 2h a RTv 2X5X0. 02 XSX 0. 0016Z.n校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截至頻率為:= K|Tu = 345rad/s1)近似條件一:現(xiàn)在:応二666一 了3嘰滿足近似條件。:-,2)近似條件二:on W現(xiàn)在:,滿足近似條件。經(jīng)過上述計(jì)算我們所獲得的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 PI控制器的傳函為:0. 016s + 1GM)二 53. 70 0 016s根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)的建模圖，和計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)，利用仿真平臺我們可以得到如下的仿真圖形：將上述模型保存為，M文件編寫下列語言可以得出經(jīng)過小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)合并后的 bode圖(開環(huán))，和單位階躍響應(yīng)圖形：a,b

15、,c,d=li nm od('U_weiheb in g');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)；grid ；a,b,c,d=li nm od('U_weihebi ng2');sys=ss(a,b,c,d);step(sys)；grid ；bode 圖：O20Boce Diagrammp) MPTJIUmE?苣0D00藥-2C-1-F"''''Iiii i i 1111 1!1r rIII|1 1i| I H | Iii|1 |i 1 | il 1il1| 11 1 iiiil1 |I | I1) 1)

16、| | H 1|i 1Ii i> 1 Iiii1 l< 1 1 I> >1 i1 Ri t1 I* pdIIii i i ii<ii 1 i> I i11 111 lllllliii i i i i i iii n1 1II 1 01niii i i iiii iiii|>l< 11 >111114 l< 4 1 M 14 1 p>1 l<"!*41 11 1 Pi<i<1 1 l> 4 1hii ii1i namii ii ii ii i i n i!l I1 1ii ii 1rili i n

17、 iiiii i n a i1)1 |l" 11 1 P*ll -rrriir - “i T 1>> l> f 1 » 1-i- 丫廣 f M r i 1 1 -r i1 p 1 1 III r r r r r J1 1 " -|j ii | | |i p j r r r n t I)i1 1 |i 1 ° r t r rrii1 Hillii ii |i n i a a ia i iii n iiiit ii|i I1 |i i|i|i i a iiTfl1>1 l< 4 1 M 14 i i>1 Mi*fe>

18、i1 iI I fel>l<a i i> 411iiii uIil I I I I I Iii i ii ii 1nu iii i ii iii i i a il< 11 Ii 4 IIt 4 1 M 14 1 V1 Ml'41 I1 1 Pl<l<I 1 k 4 IIi 1i1 1! 1 1ii i"*r ii n-_ 一_«i 1 1il ii at1!lI i i IiIi i r iii1 ii H 1 1 rr-ir i h 11i11 11 1 i nl J It TTrHIr"" vici i 1

19、11 ii i i jy -1IIi i i I fl T 'i i iii I i -r T IlliI* 1I b 4 IIi14 l> 4 1 M 14 1 9i i>"iXi41 11 I fn i>I 1 h 4 !ii ii1 H I 1 |iiii ii >i i ii i!l II ii ii I> 1i i i< iii; i r i|i4i| B | |ii1J |i a | a |il | i| |i <i-XI |> p|l|iI | H 1l! 1t,1 II till'i1 i l> &

20、gt;i 1 in 1d Ii i1 liBltaF iiIiTt1.l>l! 1 b ri i,%亠ILUL-.i.-L>_i J L- L亠L(fēng) LL L 1 _ ._ J _.R.JLL L-L £ LU.|>1' 11 Hilli14 l> ! 1 M 14 1 1 1 411 91 1E 1 1* 1 !11 111 1 1iI1 I i I i III Ii II II 1Kij iiI i ii 1 H 11' 1k1 Mili14 l> < 1 M 1i| 1 P1 Ml*l> *1 11 1 1Fl>1I

21、l 1!i h a i i1iiri Ii >i i q i1 Ii I Ii atIii1 1 I1 iil> iTt_|it|11 | iiiiJ p a i a iil i pif |l i|i ii|i | |i |l|i11 I 1I-111ri i-11i aiili1-i I- -i 1 it i111 Illi!ihLIibiiiA 1Ti ai HII-”111 k il iEIlli-13-225J屈J4ID101010Frequency (radl/s)單位階躍響應(yīng)曲線：7CStap RdtporLOfliajpn£dlw1CMO.0.C&* 0-M6 0tM8 ft.01012 OU 0.016 001S0*2Tine rseDnas:將小時(shí)間常數(shù)參數(shù)合并時(shí)對應(yīng)的仿真圖形為：Ini*GDOut1將上述模型保存為，M文件編寫下列語言可以得出經(jīng)過小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)合并后的 bode圖(開環(huán))，和單位階躍響應(yīng)圖形：a,b,c,d=li nm od('U_h