機電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計課程大作業(yè)基于MATLAB的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、機電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計課程大作業(yè)一基于matlab的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真姓名： 班級： 學號：年月一 設(shè)計要求與設(shè)計參數(shù)：設(shè)一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式h橋pwm方式驅(qū)動，已知電動機參數(shù)為：額定功率200w；額定轉(zhuǎn)速48v；額定電流4a；額定轉(zhuǎn)速=500r/min；電樞回路總電阻w；允許電流過載倍數(shù)l=2；電勢系數(shù)0.04vmin/r；電磁時間常數(shù)0.008s；機電時間常數(shù)0.5；電流反饋濾波時間常數(shù)0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)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10v；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10v；pwm功率變換器的開關(guān)頻率10khz；放大倍數(shù)4

2、.8。試對該系統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設(shè)計，設(shè)計指標：穩(wěn)態(tài)無靜差；電流超調(diào)量5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s £ 25%；過渡過程時間0.5 s。二. 設(shè)計過程1. 計算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：2. 電流環(huán)的動態(tài)校正過程和設(shè)計結(jié)果(1) 確定時間常數(shù)由已知條件知濾波時間常數(shù)0.2ms=0.0002s，按電流環(huán)小時間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，取(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型i型系統(tǒng)進行設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為gacrs=kiis+1is(3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時間常數(shù)i=tl=0.008s。電流環(huán)超調(diào)量5%考慮，電流環(huán)開環(huán)增益：取，因

3、此于是，電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為ki=ki×irks=1666.67×0.008×81.25×4.8=17.78(4) 檢驗近似條件電流環(huán)的截止頻率ci=ki=1666.67 1/s1) 近似條件一：現(xiàn)在，13ts=13×0.0001=3333.3>ci，滿足近似條件。2) 近似條件二： 現(xiàn)在，滿足近似條件。3) 近似條件三：現(xiàn)在，滿足近似條件。(5) 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)曲線根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制ma

4、rlab程序進行仿真，程序如下：>>sys0=1/1.25;>> sys1=tf(6,0.0003 1);>> sys2=tf(0.125,0.008 1);>> w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2* w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys1=sys0*sys1*sys2 *w/(1+sys1*sys2* w);>> t=0:0

5、.0001:0.0035;>> step(closys1,t);>> grid on通過matlab仿真，獲得如下圖所示的經(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：經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的單位階躍響應(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進行分析，如下圖所示，可知電流超調(diào)量=4.32%5%，滿足設(shè)計指標要求。(6) 編制matlab程序，未經(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)曲線根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制marlab程序

6、進行仿真，程序如下：>> sys0=tf(1,0.0002 1);>> sys1=tf(1.25,0.0002 1);>> sys2=tf(4.8,0.0001 1);>> sys3=tf(0.125,0.008 1);>> w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2*sys3*w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys1=sys0* sy

7、s2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);>> t=0:0.0001:0.008;>> step(closys1,t);>> grid on通過matlab仿真，獲得如下圖所示的未經(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：未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進行分析，如下圖所示，可知電流超調(diào)量=4.57%5%，滿足設(shè)計指標要求。比較經(jīng)過經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線和未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線可

8、知，在滿足近似條件的前提下，可以按小慣性環(huán)節(jié)的降階處理方法，將小慣性環(huán)節(jié)合并成一個慣性環(huán)節(jié)，從而簡化電流環(huán)，并且不影響結(jié)果。3. 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)校正過程和設(shè)計結(jié)果(1) 確定時間常數(shù)電流環(huán)的等效時間常數(shù)2。轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)ton=1ms=0.001s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：。(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差由轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)該按典型型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該選擇pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：gasrs=knns+1ns(3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能均分比較好的原則，又通過校核，發(fā)現(xiàn)取h=5時，轉(zhuǎn)速超調(diào)量s=37.6

9、%25%，不符合設(shè)計指標要求，故取h=10, 則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為：(4) 校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截止頻率為cn=kn1=kn×n=46875×0.008=375 1/s1) 近似條件一：現(xiàn)在，滿足近似條件。2) 近似條件二：現(xiàn)在，滿足近似條件。(5) 編制matlab曲線，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)曲線根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制marlab程序進行仿真，程序如下：>> n=50;>> sys1

10、=tf(0.016,0.0016 1);>> sys2=tf(8,0.02 0);>> w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2*w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys1=n* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*w);>> t=0:0.001:0.06;>> step(closys1,t);>> grid on通過ma

11、tlab仿真，獲得如下圖所示的經(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：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)頻率特性曲線經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進行分析，如下圖所示，可知轉(zhuǎn)速超調(diào)量=23.3%25%，過渡過程遠小于0.5s，滿足設(shè)計指標要求。(6) 未經(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matlab根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制marlab程序進行仿真，程序如下：>> sys0=tf(1,0.001 1);>> s

12、ys1=tf(0.8,0.0003/1666.67 1/1666.67 1);>> sys2=tf(8,0.02 0);>> sys3=tf(0.02,0.001 1);>> w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2*sys3*w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys1=sys0* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);>&g

13、t; t=0:0.001:0.05;>> step(closys1,t);>> grid on通過matlab仿真，獲得如下圖所示的未經(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：未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進行分析，如下圖所示，可知轉(zhuǎn)速超調(diào)量=24.7%25%，滿足設(shè)計指標要求。比較經(jīng)過經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線和未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線可知，在滿足近似條件的前提下，可以按小慣性環(huán)節(jié)的降階處理方法，將小慣性環(huán)節(jié)合并成一個慣性環(huán)節(jié)，從而簡化轉(zhuǎn)速環(huán)，并且不影響結(jié)