李偉-直流他勵電動機調(diào)速控制綜合實驗

1、直流他勵電動機調(diào)速控制綜合實驗 實驗報告報告人：李偉目錄1. 理論分析11.1 參數(shù)設(shè)置11.2 各系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及理論響應(yīng)波形11.2.1 DC motor空載啟動11.2.2加入前饋環(huán)節(jié)21.2.3加入反饋環(huán)節(jié)22. 模型結(jié)果圖及仿真波形52.1 基礎(chǔ)電路搭建及參數(shù)設(shè)置52.2 實驗內(nèi)容62.2.1 DC motor 空載啟動62.2.2加入前饋環(huán)節(jié)102.2.3加入反饋環(huán)節(jié)111. 理論分析1.1 參數(shù)設(shè)置Armature resistance and inductance：Ra=0.6，La=0.012H；Field resistance and inductance：Rf=240，L

2、f=10H；Field-armature mutual inductance：Laf=1.8H；Total inertia：J=1；K=10/50/90/100；1.2 各系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及理論響應(yīng)波形這里為了簡化分析，將勵磁回路電流看做恒定值，忽略空載啟動時勵磁電流的指數(shù)上升過程，即if=1A，只有這樣我們所研究的系統(tǒng)才是LTI系統(tǒng)，否則會是一個時變的系統(tǒng)。在后面的仿真過程中我們會再次考慮到勵磁電流的這種上升過程，并證明這種簡化對系統(tǒng)的影響可以忽略。1.2.1 DC motor空載啟動(s)=kTLas2+Ras+kekTUa(s)圖1.11.2.2加入前饋環(huán)節(jié)(s)=KffkTLas2+Ra

3、s+kekTref(s)+Las+RaLas2+Ras+kekTTL(s)圖1.21.2.3加入反饋環(huán)節(jié)(s)=KkTKkT+s(Las2+Ras+kekT)ref(s)+Las+RaLas2+Ras+kekTTL(s)下面僅對K=10時進行理論計算，其響應(yīng)曲線如下圖，圖1.3僅有ref作用時，該系統(tǒng)是一個三階系統(tǒng)，下面僅針對ref輸入對結(jié)果的影響，分析其暫態(tài)指標(biāo)，并應(yīng)用根軌跡法分析其穩(wěn)定性及相角和幅值裕量：（1） 暫態(tài)指標(biāo)：上升時間：0.633s超調(diào)量：19.76%調(diào)整時間（=2%）：1.455s（2） 根軌跡分析其穩(wěn)定性：作(s)=KkTKkT+s(Las2+Ras+kekT)ref(s)

4、所對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，如下：圖1.4從圖上可以看出，當(dāng)K值大于2.58時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)出現(xiàn)振蕩，當(dāng)K值大于90時，系統(tǒng)將會出現(xiàn)正實部根，這會使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而K=90系統(tǒng)將處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。（3） 相角與幅值裕量：作開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖，如下：圖1.5從圖中可得，相角裕量為：84.2°幅值裕量：39dB系統(tǒng)擁有較好的暫態(tài)性能。2. 模型結(jié)果圖及仿真波形2.1 基礎(chǔ)電路搭建及參數(shù)設(shè)置圖2.1 基本電路圖2.2 DC motor 參數(shù)設(shè)置2.2 實驗內(nèi)容2.2.1 DC motor 空載啟動圖2.3 空載啟動電路圖中powergui（全稱Power Graphi

5、cal User Interface）模塊是分析電力系統(tǒng)模型有效的圖形化用戶接口工具，也是所搭建的模型可以正常仿真所必備的模塊。圖2.4 空載啟動的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)仿真結(jié)果可見，與理論分析所得到的響應(yīng)波形圖1.1相比較，兩者幾乎完全相同。注意，在上述仿真模型的參數(shù)設(shè)置中我們對勵磁電流的初始值做了跟符合實際的調(diào)整，即將其定為0。而在1.2中我們?yōu)榱撕喕嬎銓畲烹娏饕暈榱撕愣ㄖ?A，下面我們將用仿真結(jié)果來說明，兩者之間的誤差是可以忽略的，即我們在1.2中所作的近似是可以接受的。首先將參數(shù)重新設(shè)置，只需將Initial field current改變?yōu)?A，其余不變，如下圖2.5所示：圖2.5 為驗證

6、1.2中所作近似的合理性而修改后的DC motor 參數(shù)修改參數(shù)后的仿真結(jié)果如下圖，圖2.6 修改參數(shù)后的仿真結(jié)果圖2.4和圖2.6高度近似，我們選取其轉(zhuǎn)速上升至50的局部曲線繼續(xù)觀察，圖2.7 修改參數(shù)后（左）和修改參數(shù)前（右）的對比從圖2.7中可以看出，在1.2中我們所做的近似是完全可取的。因此，在下面的仿真分析過程中，我們?nèi)坎捎酶蠈嶋H情況的參數(shù)設(shè)定，即圖2.2所示的參數(shù)設(shè)定。由圖2.4可知，響應(yīng)曲線在1s時已經(jīng)接近穩(wěn)態(tài)值了，所以下面擬選擇以3s為間隔，逐次降低輸入電壓，觀察其轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化過程，以繪制輸入電壓與空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，其電路圖如下圖：圖2.8其中，四個階躍信號分別為

7、Step=240u(t)、Step1=-40u(t-3)、Step2=-40u(t-6)、Step3=-40u(t-12)，Va是一個VCVS由四個階躍信號疊加結(jié)果來控制，輸出電壓跟隨控制信號而變化，相同仿真結(jié)果如下：圖2.9從仿真結(jié)果中我們可以得到對應(yīng)于輸入電壓240V、200V、160V、120V的空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速分別為132、112、89、67，作下圖：圖2.10從擬合結(jié)果來看，w=Ua/1.9+0.545，與理論計算結(jié)果的w=Ua/1.8基本吻合?？梢灶A(yù)見，隨著所取得電壓數(shù)越多，取樣點越多，擬合結(jié)果將會越趨向于理論值。2.2.2加入前饋環(huán)節(jié)加入前饋環(huán)節(jié)的電路接線如下圖：圖2.11其中Step=133.35u(t)，Step1=100u(t-5)，仿真結(jié)果如下圖：圖2.12與理論計算結(jié)果圖1.2對比，二者幾乎完全相同。2.2.3加入反饋環(huán)節(jié)加入反饋環(huán)節(jié)的接線圖如下圖所示：圖2.13其中，Step，Step1同上，增益Gain的值可取10/50/90/100。其相應(yīng)仿真結(jié)果羅列如下：K=10時：圖2.14K=50時：圖