基于Matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

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目錄1前言 22雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 42.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 42.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 52.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性 52.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 72.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析 72.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析 92.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 112.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析 132.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 133MATLAB語言及Simulink 153.1仿真技術(shù)的背景 153.2Matlab和Simulink簡介 153.3Matlab建模與仿真 163.4Simulink仿真工具 163.5控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程 174Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析 194.1電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真 204.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計(jì)算及仿真 204.1.2繪制單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo) 214.1.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線 224.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真 234.2轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真 244.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應(yīng)的MATLAB計(jì)算及仿真 244.2.2繪制單位階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo) 264.2.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線 284.2.4轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真 285總結(jié) 31附錄 32參考文獻(xiàn)： 371前言許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制器可調(diào)參數(shù)較多，所以整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正比較困難，需要有一個(gè)功能全面、分析方便的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)。傳統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)主要是VC和Delphi等高級(jí)語言環(huán)境，需要做大量的底層代碼編寫工作，很不方便，效率不高，仿真結(jié)果也不直觀。自從MATLAB的Simulink推出以后，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真就變得非常容易了。因其含有極為豐富的專用于控制工程與系統(tǒng)分析的函數(shù)，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，編寫極簡單的程序，即可對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，效率極高，環(huán)境友好，從而給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正帶來很大的方便。Matlab在學(xué)術(shù)和許多實(shí)際領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，已成為國際控制界應(yīng)用最廣的語言和工具。本課題主要是在Simulink環(huán)境中對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容有：對(duì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正設(shè)計(jì)；對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。

2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過程波形如圖2-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。IdLntIIdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)Currentdeadlinewithasinglenegativefeedbackloop(b)anidealquickstartprocessspeedcontrolsystemstartingprocess圖2-1調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形Fig2-1speedsystemstartofthecurrentprocessandspeedwaveform實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。2.2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，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2-2所示，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。nnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG環(huán)ni外環(huán)內(nèi)環(huán)圖2-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Fig2-2rotation、currentdoubleclosedloopDCrotationregulationsystemU*n、Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器TG—測速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3a，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：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，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓[1]在穩(wěn)太時(shí)總是為零。Ks1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE圖2-3aFig2-3aDouble-loopspeedcontrolsystemofsteady-statechart—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)—電流反饋系數(shù)—Speedfeedbackcoefficient—Currentfeedbackcoefficient實(shí)際上，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)靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都為零，即由得：從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。由，且ASR不飽和得：，說明n0-A段靜特性從(理想空載狀態(tài))一直延續(xù)到，而一般都大于額定電流的。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)有：從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。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)速無靜差[1]，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。nn0IdIdmIdNOnABC圖2-3b雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性Fig2-3bDouble-loopspeedcontrolsystemofstaticcharacteristics2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)[2]或零極點(diǎn)模型[2]為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-4所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。UU*nUct-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Fig2-4doubleclosedloopDCrotationregulationsystemofdynamicstructurediagram2.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程如圖2-5所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。（一）第I階段（0～t1）是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，使、、都上升，但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流之前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到，,電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了不再迅速增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形Fig2-5doubleclosedloopDCrotationregulationsystemstartingprocessofrotationandcurrentprofilennOOttIdmIdLIdIIIIIIt4t3t2t1（二）第II階段（t1～t2）是恒流升速階段。恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（圖2-5）。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量（圖2-4）。為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長，才能保持Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中ACR不應(yīng)飽和。（三）第III階段（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，輸出電壓和主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速將在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)上升。直到=時(shí)，轉(zhuǎn)矩=，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才能到達(dá)峰值。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng),電流出現(xiàn)一段小于的過程,直到穩(wěn)定。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的三個(gè)特點(diǎn)：1．飽和非線性控制當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。2．準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最大值，并保持恒定，使系統(tǒng)最快起動(dòng)，即在電流受限制條件下使系統(tǒng)最短時(shí)間內(nèi)起動(dòng)。3．轉(zhuǎn)速超調(diào)由于PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，即在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。所以采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。2.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)性能可分為動(dòng)態(tài)跟隨性能和動(dòng)態(tài)抗擾性能兩種。其中動(dòng)態(tài)抗擾性能對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。動(dòng)態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。在設(shè)計(jì)ACR時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)具有良好的跟隨性能。動(dòng)態(tài)抗擾性能1．抗負(fù)載擾動(dòng)由圖2-6a可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在突加（突減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（速升）。為了減少動(dòng)態(tài)速降（速升），所以要求ASR具有較好的抗擾性能。1/CeU*n±?IdLnUn+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACRU*iUi--EUd0圖2-6a雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)Fig2-6aDoubleLoopDCMotorControlSystem-loaddisturbance1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACRU*iUi--E±?Ud-IdLId圖2-6b直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用Fig2-6bDCrotationregulationsystemofdynamicturbulence-prooffunction±?Ud—電網(wǎng)電壓波動(dòng)在可控電源電壓上的反映±?Ud—Fluctuationsinthepowergridvoltagepowersupplyvoltagecontrolledreflectonthe2．抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它們的動(dòng)態(tài)抗擾效果就不同。如圖2-6b所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。從動(dòng)態(tài)性能上看，負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量n的前面，可以通過測速發(fā)電機(jī)檢測出來，使負(fù)載擾動(dòng)通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得到及時(shí)調(diào)節(jié)。而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)作用在離被調(diào)量n更遠(yuǎn)的位置，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不能及時(shí)對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是因?yàn)樗饔迷诒浑娏髫?fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，使電壓波動(dòng)可以直接通過電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能高。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化比起單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)兩類。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。（一）跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號(hào)變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)，如圖2-7a所示。圖2-7a典型的階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)Fig2-7athetypicalstepresponseprocessand一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達(dá)到的時(shí)間越短越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)下列各項(xiàng)：1．上升時(shí)間圖2-7a繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的是輸出量C的穩(wěn)態(tài)值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到所經(jīng)過的時(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。2．超調(diào)量σ與峰值時(shí)間在階躍響應(yīng)過程中，超過以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時(shí)間時(shí)達(dá)到輸出量最大值，然后回落。超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。3．調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到才穩(wěn)定，但實(shí)際上由于存在各種非線性因素，過渡過程到一定時(shí)間就終止了。為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時(shí)間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下±5%(或取±2%)的范圍為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。顯然，調(diào)節(jié)時(shí)間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。（二）抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量F以后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖2-7b所示。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。圖2-7b突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)Fig2-7bsuddenplusturbulenceofdynamicprocessandturbulence-proofpropertyindex1．動(dòng)態(tài)降落系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，所引起的輸出量最大降落值稱作動(dòng)態(tài)降落。一般用占輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示（或用某基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)來表示）。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，（）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落，即靜差。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)速降。2．恢復(fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的±5%（或取±2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，見圖2-4b。其中稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值作為基準(zhǔn)值。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較小，則按進(jìn)入±5%范圍來定義的恢復(fù)時(shí)間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個(gè)比新穩(wěn)態(tài)值更小的作為基準(zhǔn)。2.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram）如圖2-8所示，即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。00L/dBc/s-1-20dB/dec高頻段低頻段中頻段圖2-8典型的控制系統(tǒng)伯德圖Fig2-8TypicalcontrolsystemBodeDiagram在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，從上圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：(1)中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；(2)截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；(3)低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；(4)高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。在伯德圖，穩(wěn)定裕度是衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度（即相對(duì)穩(wěn)定性）的重要指標(biāo)，保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度可以防止系統(tǒng)在各元件參數(shù)發(fā)生變化后導(dǎo)致不穩(wěn)定，穩(wěn)定裕度也能間接地反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著震蕩弱、超調(diào)小。穩(wěn)定裕度包括模穩(wěn)定裕度和相穩(wěn)定裕度γ，一般要求：≥6dBγ≥2.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當(dāng)偏差電壓為零時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2．電流調(diào)節(jié)器的作用（1）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。（3）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動(dòng)。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護(hù)作用。當(dāng)故障消失時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。

3MATLAB語言及Simulink3.1仿真技術(shù)的背景仿真技術(shù)作為一門綜合性的科學(xué)已有四十多年的發(fā)展歷史,其間經(jīng)歷了物理模型仿真,模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真。早期,人們采用計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,如BASIC、FORTRAN、PASCAL等。近些年,C語言用得最為普遍。用計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語言編制的系統(tǒng)仿真程序,不但要詳盡描述各類事件的發(fā)生和處理情況,還要規(guī)定各類事件的處理順序。這樣,即便是一個(gè)很簡單的系統(tǒng),程序也會(huì)很長,難于調(diào)試。同時(shí),為了設(shè)計(jì)出優(yōu)良的人機(jī)界面,對(duì)數(shù)據(jù)輸入方式和仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)打印格式或圖形表達(dá)形式要大費(fèi)心思。3.2Matlab和Simulink簡介電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的巨大成就之一。它對(duì)科學(xué)計(jì)術(shù)的幾乎一切領(lǐng)域，特別對(duì)數(shù)值計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析，人工智能以及自動(dòng)控制等方面產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。熟練掌握利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)研究和工程應(yīng)用的技術(shù)，已經(jīng)成為廣大科研設(shè)技人員必須具備的基本能力之一。大部分從事科學(xué)研究和工程應(yīng)用的讀者朋友可能都已經(jīng)注意到并為之所困擾的是，當(dāng)我們的計(jì)算涉及矩陣運(yùn)算或畫圖時(shí)，利用FORTRAN和C語言等計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很麻煩的工作。Matlab正是為了免除無數(shù)類似上述的尷尬局面而產(chǎn)生的。在1980年前后，美國的Cleve博士在NewMexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了Matlab（MATrixLABoratory，即矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。為了準(zhǔn)確的把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計(jì)算機(jī)，然后對(duì)之進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為Matlab提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為Simulnk，該工具很快在控制界得到了廣泛的應(yīng)用。但因其名字與著名的軟件Simula類似，所以在1992年正式改名為Simulink。此軟件有兩個(gè)明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。很明顯，這種做法使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。Simulink的出現(xiàn)，更使得Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。目前的Matlab已經(jīng)成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程外，還提供了豐富可的矩陣運(yùn)算，圖形繪制，數(shù)據(jù)處理，圖像處理，方便的Windows編程等便利工具，由各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者相繼推出了以Matlab為基礎(chǔ)的實(shí)用工具箱工具箱,其中主要有信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)化、μ分析與綜合、模糊邏輯、小波、樣條等工具箱,而且工具箱還在不斷增加。借助其強(qiáng)大的功能，Matlab廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理，生物醫(yī)學(xué)工程，語音處理，雷達(dá)工程，信號(hào)分析，振動(dòng)理論，時(shí)序分析與建模，化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)，優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級(jí)語言難以比擬的優(yōu)勢(shì)。3.3Matlab建模與仿真長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)在仿真模型建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后，要設(shè)計(jì)一種算法以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再將其編制成程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，因此，建模通常需要很長一段時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析必須依賴有關(guān)專家，而對(duì)決策者缺乏直接的指導(dǎo)。Matlab提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink可有效解決上述仿真技術(shù)問題。在Simulink中，建立系統(tǒng)模型，可以隨意改變仿真參數(shù)，即時(shí)得到修改后的仿真結(jié)果。Matlab中的分析與可視化工具多種多樣且易于操作。利用Simulink對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)做適當(dāng)仿真和分析，可以在實(shí)際做出系統(tǒng)之前進(jìn)行，以便對(duì)不符合要求的系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)校正，增強(qiáng)系統(tǒng)性能，減少系統(tǒng)反復(fù)修改的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果用圖形方式顯示在示波器的窗口或?qū)?shù)據(jù)以數(shù)字方式顯示出來。常用的3種示波器為Scope，XYGraph和Display。3.4Simulink仿真工具為了準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計(jì)算機(jī),然后對(duì)之進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真,MathWorks公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具,并定名為Simulink。MATLAB軟件的Toolbox工具箱與Simulink仿真工具，為控制系統(tǒng)的計(jì)算與仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使控制系統(tǒng)的計(jì)算與仿真的傳統(tǒng)方式發(fā)生了革命性的變化。MATLAB已經(jīng)成為國際、國內(nèi)控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的計(jì)算與仿真軟件。Simulink有兩個(gè)明顯的功能:仿真與連接,亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型,然后利用該軟件提供的功能來對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。很明顯,這種做法使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。Simulink的出現(xiàn),更使得Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包,不僅界面友好且支持更靈活的模型描述手段。用戶既可直接用方塊圖來輸入仿真模型,也可用Matlab語言編寫M-文件來輸入。既可以純圖形方式輸入,也可以純文本方式來輸入。還可將上述兩種方法交叉混合使用。既可對(duì)連續(xù)系統(tǒng)也可對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真,還適合于采樣保持系統(tǒng)。同時(shí),它也具有能在仿真進(jìn)行的過程中動(dòng)態(tài)改變仿真參數(shù)的功能。因此可以不難理解它自推出以后,就一直受到歐美和日本等國家或地區(qū)的控制界學(xué)者的青睞。Simulink為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口,采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink包含有Sinks(輸出方式)、Source(輸入源)、Linear(線性環(huán)節(jié))、Nonlinear(非線性環(huán)節(jié))、Connections(連接與接口)和Extra(其它環(huán)節(jié))子模型庫,而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自已的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu),因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級(jí)的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型以后,用戶可以通過Simulink的菜單或Matlab命令窗口鍵入命令來對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便,而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一類仿真非常有用。采用Scope模塊和其它的畫圖模塊,在仿真進(jìn)行的同時(shí),就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到Matlab的Workspace(工作空間)里做事后處理。由于Matlab和Simulink是集成在一起的,因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自已的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。3.5控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程控制系統(tǒng)仿真，就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，主要用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的一種方法。通?？刂葡到y(tǒng)仿真的過程按以下步驟進(jìn)行：第一步，建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。描述系統(tǒng)諸變量間靜態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為靜態(tài)模型；描述自控系統(tǒng)諸變量間動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為動(dòng)態(tài)模型。常用最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學(xué)基本定律，例如牛頓定律、克?；舴蚨伞⑦\(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)定律、焦耳楞次定律等來列寫出變量間的數(shù)學(xué)模型。這是解析法建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)于很多復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須通過實(shí)驗(yàn)方法并利用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，考慮計(jì)算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)本質(zhì)，又能簡化分析計(jì)算的工作。這是實(shí)驗(yàn)法建立數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的主要依據(jù)。第二步，建立自控系統(tǒng)的仿真模型原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比如微分方程，并不能用來直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。還得將其轉(zhuǎn)換為能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)而言，有像微分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型，在零初始條件下進(jìn)行拉普拉斯變換，求得自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型。以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)，等效變換為狀態(tài)空間模型，或者將其圖形化為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，這些模型都是自控系統(tǒng)的仿真模型。對(duì)于離散控制系統(tǒng)而言，有像差分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型以及類似連續(xù)系統(tǒng)的各種模型，這些模型都可以對(duì)離散系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。第三步，編制自控系統(tǒng)仿真程序?qū)τ诜菍?shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級(jí)語言，例如Basic、Fortran或C等語言編制仿真程序。對(duì)于快速的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當(dāng)然也可以直接利用仿真語言。如果應(yīng)用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是MATLAB仿真?？刂葡到y(tǒng)的MATLAB仿真是控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真一個(gè)特殊軟件工具的子集。第四步，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，而后按照系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結(jié)果。

4Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用極其廣泛，現(xiàn)對(duì)一個(gè)直流拖動(dòng)雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。晶閘管—直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。圖中直流電機(jī)數(shù)據(jù)有：=10kW,=220V,=53.5A,=1500r/min,電樞電阻=0.31Ω，路總電阻R=0.4Ω,電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)=0.0128s,三相橋平均失控時(shí)間=0.00167s；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)=20；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.042s，系統(tǒng)測速反饋系數(shù)=0.0067Vmin/r,系統(tǒng)電流反饋系數(shù)=0.072V/A，電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.002s；轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s。忽略系統(tǒng)的非線性，分別對(duì)系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)的計(jì)算及仿真如下。圖4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig4doubleclosedlooprotationregulationsystemofSimulinkdynamicstructurediagram首先，計(jì)算額定磁通下的電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比：然后選擇電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)類型。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的主要作用就是保證電機(jī)起動(dòng)時(shí)獲得允許的最大電流，保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，突加控制作用時(shí)超調(diào)量越小越好。根據(jù)自動(dòng)控制理論[2]，將電流環(huán)設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)[1]，因?yàn)榈湫虸型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能的超調(diào)量很小，符合電流環(huán)的設(shè)計(jì)要求；而轉(zhuǎn)速環(huán)在系統(tǒng)中主要發(fā)揮其抗擾動(dòng)作用，根據(jù)自動(dòng)控制理論，將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)[1]，因?yàn)榈湫虸I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能的動(dòng)態(tài)速降小，符合轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)要求。為保證電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的運(yùn)算放大器工作在線性特性段[3]以及保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)元件、部件與裝置不致?lián)p壞，在電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出端都設(shè)置了限幅裝置。4.1電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真4.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計(jì)算及仿真因?yàn)殡娏鳈z測信號(hào)中常含有交流分量，所以須添加低通濾波器，但是由低通濾波器產(chǎn)生的反饋濾波同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來延遲，為平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道也添加一個(gè)與反饋濾波相同時(shí)間數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，使得給定信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)過同樣的延滯。其傳遞函數(shù)為：按照把電流環(huán)設(shè)計(jì)成I型系統(tǒng)的要求，根據(jù)自動(dòng)控制理論，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇比例積分調(diào)節(jié)器，即PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：(s)==,=0.32，=0.0128=電流環(huán)的校正主要是對(duì)晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置的放大倍數(shù)進(jìn)行校正，校正前=20，構(gòu)成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx010.mdl；校正后=30，構(gòu)成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx010a.mdl。其他參數(shù)不變，校正前、后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型只是的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx010a.mdl文件的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的模型，如圖4-1-1A所示。圖4-1-1A帶參數(shù)電流環(huán)的Simulink的模型為mx010a.mdl文件Fig4-1-1Athebeltparametercurrentisthemx010.mdldocument在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157.m：%MATLABPROGRAML157.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)[y,t]=step(s1);[mp,tf]=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sgm=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf)運(yùn)行該程序可得模型mx010.mdl與mx010a.mdl的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-1-1B的(a)與(b)所示,并對(duì)于圖4-1-1B的(b)圖求出性能指標(biāo)：超調(diào)量：(a)(b)圖4-1-Fig4-1-1Bthecurrentloop圖4-1-1B(a)是=20時(shí)的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，階躍響應(yīng)曲線單調(diào)上升，完全無超調(diào)，并且在0.04s內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束。這樣的電流環(huán)階躍響應(yīng)很理想,但是電機(jī)的加速起動(dòng)不夠快。圖4-1-1B(b)是=30時(shí)的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，響應(yīng)曲線略有超調(diào)4.4403%，符合I型系統(tǒng)超調(diào)量小的特點(diǎn)，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時(shí)間（0.0209s4.1.2繪制單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)在圖4-1-1A中兩個(gè)擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)分別施加單位階躍信號(hào)，繪制其擾動(dòng)響應(yīng)曲線，并求其最大動(dòng)態(tài)降落與最大動(dòng)態(tài)降落的時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間。為進(jìn)行仿真，在信號(hào)綜合點(diǎn)1與2施加擾動(dòng)信號(hào)是分別構(gòu)成MATLAB里的結(jié)構(gòu)圖模型mx010b.mdl與mx010c.mdl。，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖模型中的數(shù)據(jù)和圖4-1-1A相同，只是擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)不同。單位階躍擾動(dòng)信號(hào)的極性為負(fù)。在程序文件方式下執(zhí)行以下調(diào)用函數(shù)dist()的MATLAB程序L157a.m：%MATLABPROGRAML157a.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)[y1,t1]=step(s1);[detac,tp,tv]=dist(1,y1,t1);[detac0,tp0,tv0]=dist(2,y1,t1);t=[0:0.01:0.2];[y2,t2]=step(s2,t);[detac1,tp1,tv1]=dist(1,y2,t2);[detac2,tp2,tv2]=dist(2,y1,t1);程序執(zhí)行后，可得圖4-1-2(a)所示電流環(huán)在信號(hào)綜合點(diǎn)2施加單位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線，并有性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：=-0.9061；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.0092s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.0459s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.0580s(a)(b)圖4-1Fig4-1-2currentloopunitstepsignalturbulence將程序中的模型mx010b.mdl改為mx010c.mdl，執(zhí)行后得圖4-1-2(b)所示電流環(huán)在信號(hào)綜合點(diǎn)1施加單位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖，并有性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：=-26.3855；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.0106s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.0900s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.1000s。由兩個(gè)擾動(dòng)響應(yīng)曲線及抗擾性能指標(biāo)值可知，改系具有良好的抗擾性能，對(duì)比兩組性能指標(biāo)值可知，系統(tǒng)對(duì)施加在信號(hào)綜合點(diǎn)2擾動(dòng)信號(hào)的抗擾作用比施加在信號(hào)綜合點(diǎn)1擾動(dòng)信號(hào)的抗擾作用強(qiáng)，表明施加擾動(dòng)作用點(diǎn)離被調(diào)量越近，電流環(huán)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抗擾能力越好。4.1.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線在圖4-1-1A中兩個(gè)單位沖激擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)分別施加單位沖激信號(hào)，繪制起沖激擾動(dòng)響應(yīng)曲線。在動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中單位沖激信號(hào)的信號(hào)疊加點(diǎn)極性為正。在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157b.m：%MATLABPROGRAML157b.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);impulse(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);impulse(s2)程序執(zhí)行后，可得電流環(huán)在信號(hào)綜合點(diǎn)2與信號(hào)綜合點(diǎn)1施加單位沖激信號(hào)時(shí)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖4-1-3(a)與(b)所示。(a)(b)圖4-1Fig4-1-3currentloopunitimpulsesignalturbulenceresponse電流環(huán)沖激擾動(dòng)響應(yīng)過程呈單調(diào)衰減如圖4-1-3(a)所示或者呈一次衰減振蕩如圖4-1-34.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真根據(jù)自動(dòng)控制原理，頻域分析的特點(diǎn)是運(yùn)用閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線來分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)及其性能。頻域分析的主要內(nèi)容是畫Bode圖與計(jì)算頻域性能指標(biāo)。電流閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1-4圖4-1-4aFig4-1-4acurrentclosed-loopsystemsplit-在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157c.m:%MATLABPROGRAML157c.mn1=1;d1=[0.0021];s1=tf(n1,d1);n2=[0.01281];d2=[0.040];s2=tf(n2,d2);n3=30;d3=[0.001671];s3=tf(n3,d3);n4=2.5;d4=[0.01281];s4=tf(n4,d4);n5=0.072;d5=[1];s5=tf(n5,d5);sys=s1*s2*s3*s4*s5;margin(sys)執(zhí)行語句后，可得電流環(huán)的Bode圖如圖4-1-4b所示，在圖上就附有經(jīng)計(jì)算出電流環(huán)的頻域性能指標(biāo)：模穩(wěn)定裕度=18.2dB-π穿越頻率=547rad/s相穩(wěn)定裕度γ=剪切頻率=128rad/s圖4-1-4b電流環(huán)的Bode圖Fig4-1-4bcurrentloopofBodediagram工程上，一般要求模穩(wěn)定裕度≥6dB,相穩(wěn)定裕度γ≥。可見電流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其頻域性能是優(yōu)良的，反映了電流環(huán)具有良好的相對(duì)穩(wěn)定性。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真4.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應(yīng)的MATLAB計(jì)算及仿真與電流環(huán)添加低通濾波器措施一樣，在轉(zhuǎn)速環(huán)反饋通道與給定信號(hào)通道都添加了濾波慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：按照把轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成II型系統(tǒng)的要求，根據(jù)自動(dòng)控制理論，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應(yīng)選擇比例積分調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：(s)=，轉(zhuǎn)速環(huán)的校正主要是對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)以及對(duì)晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置的放大倍數(shù)進(jìn)行校正。校正前=，=100，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：(s)==，構(gòu)成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011.mdl；校正后=5.3，=30，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：(s)==，構(gòu)成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011a.mdl。其他參數(shù)不變，校正前、后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型只是與的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx011a.mdl文件的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的模型，如圖4-2-1A所示。圖4-2-1AFig4-2-1AtheSimulinkdynamicstructurediagrammodelmx011.mdl用linmod()與step()函數(shù)命令并調(diào)用函數(shù)perf()編寫求其階躍響應(yīng)與性能指標(biāo)的MATLAB程序L157d.m如下。在程序文件方式下執(zhí)行以下的MATLAB程序L157d.m:%MATLABPROGRAML157d.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1,'k')holdon[y1,t1]=step(s1);[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2,'k')[y2,t2]=step(s2);[sigma1,tp1,ts1]=perf(1,y1,t1);[sigma2,tp2,ts2]=perf(1,y2,t2);程序執(zhí)行后，可得轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-2-1B所示。(a)(b)圖4-2-1B轉(zhuǎn)速環(huán)階Fig4-2-1Btherotationloopstepresponsecurve校正前轉(zhuǎn)速環(huán)的單位階躍響應(yīng)仿真曲線如圖4-2-1B(a)所示，此時(shí)響應(yīng)產(chǎn)生了衰減振蕩，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性差。程序運(yùn)行后，可得到圖14-2-1B(a)超調(diào)量：σ%=67.7645%；峰值時(shí)間：=0.0258s；調(diào)節(jié)時(shí)間：=0.1048s。同時(shí)可得到圖4-2-1B(b)階躍響應(yīng)性能指標(biāo):超調(diào)量：σ%=34.1602%；峰值時(shí)間：=0.0897s；調(diào)節(jié)時(shí)間：=0.1876s。調(diào)節(jié)時(shí)間數(shù)值均對(duì)應(yīng)于5%的誤差帶。由計(jì)算圖4-2-1B(b)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)可見轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍響應(yīng)超調(diào)量σ%<35%,峰值時(shí)間<0.1s,調(diào)節(jié)時(shí)間<0.2s,表明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，這樣的系統(tǒng)響應(yīng)是非常理想的。4.2.2繪制單位階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)在圖4-2-1A中兩個(gè)擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)分別施加單位階躍信號(hào)，繪制其擾動(dòng)響應(yīng)曲線，并求其最大動(dòng)態(tài)降落與最大動(dòng)態(tài)降落的時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間。為進(jìn)行仿真，在作用點(diǎn)1與2施加擾動(dòng)信號(hào)時(shí)分別構(gòu)成MATLAB里的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖mx011b.mdl與mx011c.mdl。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖模型中的數(shù)據(jù)和圖4-2-1A相同，只是擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)不同。在程序文件方式下執(zhí)行以下用linmod()與step()函數(shù)并調(diào)用dist()的程序L157e.m:%MATLABPROGRAML157e.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);t=[0:0.01:0.5];[y1,t1]=step(s1,t);figure(1);step(s1,t);holdon[detac,tp,tv]=dist(1,y1,t1)[detac0,tp0,tv0]=dist(2,y1,t1)[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);t=[0:0.01:0.5];[y2,t2]=step(s2,t);figure(2);step(s2,t);[detac1,tp1,tv1]=dist(1,y2,t2)[detac2,tp2,tv2]=dist(2,y2,t2)程序執(zhí)行后，可得轉(zhuǎn)速環(huán)的單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖4-2-2所示。(a)與(b)圖分別對(duì)應(yīng)著擾動(dòng)信號(hào)作用于1與2兩個(gè)不同的點(diǎn)。對(duì)于圖4-2-2(a)，計(jì)算其階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：detac=-1.8724；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.05s;基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.19s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.21s。對(duì)于圖4-2-2(b)計(jì)算其階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：detac=-26.1314;最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.03s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.28s;基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.29s。由階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)值可知，該系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)具有良好的動(dòng)態(tài)抗擾作用，對(duì)比兩個(gè)階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)值可知，對(duì)作用在1點(diǎn)的擾動(dòng)信號(hào)的抗擾作用比對(duì)作用在2點(diǎn)的擾動(dòng)信號(hào)的抗擾作用強(qiáng)，再次表明擾動(dòng)作用點(diǎn)離被調(diào)量越近，轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抗擾能力越好。(a)(b)圖4-2-2轉(zhuǎn)速環(huán)的單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線Fig4-2-2rotationloopunitstepturbulenceresponsecurve(a)與(b)圖分別對(duì)應(yīng)著擾動(dòng)信號(hào)作用于1與2兩個(gè)不同的點(diǎn)。對(duì)于圖4-2-2(a)，計(jì)算其階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：detac=-1.8724；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.05s;基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.19s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.21s。對(duì)于圖4-2-2(b)計(jì)算其階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：detac=-26.1314;最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.03s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.28s;基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.29s。由階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)值可知，該系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)具有良好的動(dòng)態(tài)抗擾作用，對(duì)比兩個(gè)階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)值可知，對(duì)作用在1點(diǎn)的擾動(dòng)信號(hào)的抗擾作用比對(duì)作用在2點(diǎn)的擾動(dòng)信號(hào)的抗擾作用強(qiáng)，再次表明擾動(dòng)作用點(diǎn)離被調(diào)量越近，轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抗擾能力越好。4.2.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線在圖4-2-1A中兩個(gè)擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)分別施加單位沖激信號(hào)，繪制其擾動(dòng)響應(yīng)曲線。在程序文件方式下執(zhí)行以下MATLAB程序L157f.m:%MATLABPROGRAML157f.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011b');figure(1);impulse(a1,b1,c1,d1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011c');figure(2);impulse(a2,b2,c2,d2)程序執(zhí)行后，可得轉(zhuǎn)速環(huán)在擾動(dòng)作用點(diǎn)1與擾動(dòng)作用點(diǎn)2施加單位沖激信號(hào)時(shí)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖4-2-3(a)與(b)所示。(a)(b)圖4-2-3Fig4-2-3rotationloopunitimpulsesignalturbulenceresponsecurve轉(zhuǎn)速環(huán)單位沖激擾動(dòng)響應(yīng)過程如圖4-2-3(a)所示呈單調(diào)衰減或者如圖4-2-3(b)所示呈一次衰減振蕩在0.2s內(nèi)就結(jié)束了，抗擾動(dòng)過程亦非常短暫，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速外環(huán)已經(jīng)感覺到擾動(dòng)，但經(jīng)0.2s擾動(dòng)響應(yīng)的過程已經(jīng)結(jié)束。說明系統(tǒng)的抗擾性能好4.2.4轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真頻域分析是運(yùn)用閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線來分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)與性能的。頻域分析的主要內(nèi)容是繪制Bode圖與計(jì)算頻域性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2-4a(未畫出轉(zhuǎn)速環(huán)給定平衡濾波環(huán)節(jié)),此圖即為mx011d.mdl動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，對(duì)mx011d.mdl進(jìn)行仿真操作圖4-2-4a轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig4-2-4arotationclosed-loopsystemsplit-根據(jù)題目要求，用函數(shù)命令linmod()與margin()給出MATLAB指令如下。在程序文件方式下執(zhí)行以下MATLAB程序L157g.m:%MATLABPROGRAML157g.m[a,b,c,d]=linmod('mx011d');sys=ss(a,b,c,d);margin(sys)語句指令執(zhí)行后可得Bode圖如圖4-2-4b所示。圖4-2-4b電流環(huán)的Bode圖Fig4-2-4brotationloopofBodediagram從由圖上可得轉(zhuǎn)速環(huán)頻域性能指標(biāo)：模穩(wěn)定裕度=12.6dB-π穿越頻率=99.7rad/s相穩(wěn)定裕度γ=剪切頻率=30.6rad/s數(shù)據(jù)顯示，模穩(wěn)定裕度>6dB,相穩(wěn)定裕度γ>,說明控制系統(tǒng)有較大的穩(wěn)定裕度，反映了該系統(tǒng)具有良好的相對(duì)穩(wěn)定性。

5總結(jié)通過對(duì)電流環(huán)內(nèi)的觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)的校正，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，使電流環(huán)階躍響應(yīng)Simulink曲線的峰值時(shí)間縮短，提高系統(tǒng)的加速起動(dòng)性能，通過對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)PI調(diào)節(jié)器比例部分放大系數(shù)及觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)的校正，使轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng)性能指標(biāo)的超調(diào)量σ%<35%,峰值時(shí)間<0.1s,調(diào)節(jié)時(shí)間<0.2s，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)更平穩(wěn)。由電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng)Simulink曲線及相應(yīng)的性能指標(biāo)得出：該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。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)的單位階躍擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了仿真計(jì)算，很容易繪制出各單位擾動(dòng)響應(yīng)曲線，并計(jì)算出階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落detac、最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，從階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線及其性能指標(biāo)得出：對(duì)擾動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾能力。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)的頻域進(jìn)行了仿真計(jì)算，繪制出Bode圖并計(jì)算頻域性能指標(biāo)，結(jié)果顯示模穩(wěn)定裕度>6dB,相穩(wěn)定裕度γ>，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)都有足夠的穩(wěn)定裕度，符合實(shí)際工程的設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)有良好的相對(duì)穩(wěn)定性。由仿真計(jì)算結(jié)果表明，利用MATLAB7的Simulink對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性能、抗擾性能及穩(wěn)定性，使得對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)及校正變得更簡單方便，大大縮短了系統(tǒng)的調(diào)試周期，提高了開發(fā)系統(tǒng)的效率。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，MATLAB7的Simulink確實(shí)是個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡單、快速、高效的工具。

附錄部分函數(shù)的源程序函數(shù)perf的源程序如下：function[sigma,tp,ts]=perf（key,y,t）%MATLABFUNCTIONPROGRAMperf.m%%Countsigmaandtp[mp,tf]=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sigma=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf);%Counttsi=cs+1;n=0;whilen==0;i=i-1;ifkey==1;ifi==1;n=1;elseify(i)>1.05*yss,n=1;end;elseifkey==2;ifi==1;n=1;elseify(i)>1.02*yss,n=1;end;end;end;t1=t(i);cs=length(t);j=cs+1;n=0;whilen==0;j=j-1;ifkey==1;ifj==1;n=1;elseify(j)<0.95*yss,n=1;end;elseifkey==2;ifj==1;n=1;elseify(j)<0.98*yss;n=1;end;end;end;t2=t(j);ift2<tp;ift1>t2;ts=t1;end;elseift2>tp;ift2<t1;ts=t2;elsets=t1;endend函數(shù)dist的源程序如下：fuction[detac,tp,tv]=dist(key,y,t)%MATLABFUNCTIONPROGRAMdist.m%%Countsgmandtp[mp,tp]=min(y);cs=length(t);yss=y(cs);detac=mptp=t(tf)tm=max(t);%Counttsi=cs+1;n=0;whilen==0,i=i-1;ifkey==1,ifi==1,n=1;elseify(i)>=0.05,n=1;end;elseifkey==2,ifi==1,n=1;elseify(i)>=0.02,n=1;end;endend;t1=t(i)ics=length(t);j=cs+1;n=0;whilen==0,j=j-1;ifkey==1ifj==1,n=1;elseify(j)<=(-0.05),n=1;end;elseifkey==2,ifj==1,n=1;elseify(j)<=(-0.02),n=1;end;endend;t2=t(j)jift2<tpift1>t2tv=t1endelseift2>tp,ift2<t1,ift1~=0tv=t1elsetv=t2endelseift1~=0tv=t1elsetv=t2endendend圖形對(duì)象句柄命令figure命令1figure功能創(chuàng)建一個(gè)新的圖形對(duì)象。圖形對(duì)象為在屏幕上單獨(dú)的窗口，在窗口中可以輸出圖形。用法figure用缺省的屬性值創(chuàng)建一個(gè)新的圖形對(duì)象。figure('PropertyName',PropertyValue,…)對(duì)指定的屬性PropertyName用指定的屬性值，PropertyValue（屬性名與屬性值成對(duì)出現(xiàn)）創(chuàng)建一個(gè)新的圖形窗口，對(duì)于那些沒有指定的屬性，則用缺省值。Figure（h）1.若h為一個(gè)已經(jīng)存在的圖形的句柄，則figure(h)使由h標(biāo)記的圖形成為當(dāng)前圖形，使它可見，且在屏幕上把它顯示到所有圖形之前。當(dāng)前圖形為圖像輸出的地方。2.若h不是已經(jīng)存在圖形的句柄，但是為一整數(shù)，則該命令生成一圖形窗口，同時(shí)把該窗口的句柄賦值為h；若h不是一圖形窗口的句柄，也不是一整數(shù)，則返回一錯(cuò)誤信息。h=figure(…)返回圖形窗口對(duì)象的句柄給h。

參考文獻(xiàn)：[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第2版）.機(jī)械工業(yè)出版社,2004[2]楊庚辰.自動(dòng)控制原理.西安電子科技大學(xué)出版社，2005[3]黃忠霖,周向明.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真.國防工業(yè)出版社,2006[4]黃忠霖,周向明.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn).國防工業(yè)出版社,2006

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

獨(dú)創(chuàng)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭議。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。

作者簽名:二〇一〇年九月二十日

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明本人完全了解**學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)（論文）；同意學(xué)校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部內(nèi)容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）

作者簽名:二〇一〇年九月二十日

基本要求：寫畢業(yè)論文主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，理論聯(lián)系實(shí)際，獨(dú)立分析，解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生得到從事本專業(yè)工作和進(jìn)行相關(guān)的基本訓(xùn)練。畢業(yè)論文應(yīng)反映出作者能夠準(zhǔn)確地掌握所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，基本學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)研究的方法，對(duì)所研究的題目有一定的心得體會(huì)，論文題目的范圍不宜過寬，一般選擇本學(xué)科某一重要問題的一個(gè)側(cè)面。畢業(yè)論文的基本教學(xué)要求是：1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用、鞏固與擴(kuò)展所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、解決實(shí)際問題能力、培養(yǎng)學(xué)生處理數(shù)據(jù)和信息的能力。2、培養(yǎng)學(xué)生正確的理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。3、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行社會(huì)調(diào)查研究；文獻(xiàn)資料收集、閱讀和整理、使用；提出論點(diǎn)、綜合論證、總結(jié)寫作等基本技能。畢業(yè)論文是畢業(yè)生總結(jié)性的獨(dú)立作業(yè)，是學(xué)生運(yùn)用在校學(xué)習(xí)的基本知識(shí)和基礎(chǔ)理論，去分析、解決一兩個(gè)實(shí)際問題的實(shí)踐鍛煉過程，也是學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間學(xué)習(xí)成果的綜合性總結(jié)，是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。撰寫畢業(yè)論文對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生初步的科學(xué)研究能力，提高其綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題能力有著重要意義。畢業(yè)論文在進(jìn)行編寫的過程中，需要經(jīng)過開題報(bào)告、論文編寫、論文上交評(píng)定、論文答辯以及論文評(píng)分五個(gè)過程，其中開題報(bào)告是論文進(jìn)行的最重要的一個(gè)過程，也是論文能否進(jìn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。撰寫