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(duì)電樞電流加以保護(hù)，缺少對(duì)電樞電流的精確控制，也就無(wú)法充分發(fā)揮直流伺服電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，因而也就達(dá)不到調(diào)速系統(tǒng)的快速起動(dòng)和制動(dòng)的效果。通過(guò)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(dòng)和制動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電流的精確控制，實(shí)質(zhì)上是在起動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程的主要階段，實(shí)現(xiàn)一種以電動(dòng)機(jī)最大電磁力矩輸出能力進(jìn)行啟動(dòng)或制動(dòng)的過(guò)程。此外，通過(guò)完成本大作業(yè)題目，讓學(xué)生體會(huì)反饋校正方法所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：改造受控對(duì)象的固有特性，使其滿足更高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。2. 大作業(yè)具

2、體內(nèi)容設(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(dòng)，已知電動(dòng)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W；允許電流過(guò)載倍數(shù)l=2；電勢(shì)系數(shù)0.04Vmin/r；電磁時(shí)間常數(shù)0.008s；機(jī)電時(shí)間常數(shù)0.5s；電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)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)4.8。試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；電流超調(diào)量5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s 25%；過(guò)渡過(guò)程時(shí)間

3、0.5 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(dòng)態(tài)校正過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果；(3) 編制Matlab程序，繪制經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)態(tài)校正過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果；(6) 編制Matlab程序，繪制經(jīng)過(guò)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(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；(

4、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(duì)上述分析設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真；(9) 給出階躍信號(hào)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(guò)渡過(guò)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(shuō)明書：雙閉環(huán)直流電機(jī)控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：圖一（不考慮電壓和電流濾波）圖二（考慮電壓和電流濾波）1. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算：電流反饋系數(shù)：=Uim*Inom=1024=1.25V/A電壓反饋系數(shù)：=Unm*nnom=10500=0.02V/r2. 電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和簡(jiǎn)化過(guò)程：(1) 確定時(shí)間常數(shù)電流濾波的時(shí)間常數(shù)為0.2ms，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:

5、Ti=Ts+Toi=110000+0.0002=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(guò)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：GACRs=KiTis+1Tis電流環(huán)動(dòng)態(tài)框圖及其簡(jiǎn)化過(guò)程 (3) 選擇調(diào)節(jié)器：Ti=Tl=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KITi=0.5，因此，可以得出PI調(diào)節(jié)器的增益為：KI=0.5Ti=1666.7Ki=KI*TiRKs=0.5Ti*TiRKs=17.78(4) 檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截至頻率：ci=KI=1666.71) 近似條件一：ci31TmTl現(xiàn)在：310.5

6、*0.008=47.4ci，滿足近似條件。3) 近似條件三：ci131TsToi現(xiàn)在：131TsT0i=2357.0ci，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：GACRs=17.780.008s+10.008s故不經(jīng)小時(shí)間常數(shù)合并的系統(tǒng)模型如下：將model文件另存為C_huan.mdl文件，M文件編輯如下的代碼：a,b,c,d=linmod(C_huan);sys=ss(a,b,c,d);step(sys)grid繪制出對(duì)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=linmod(C_huan2);sys=s

7、s(a,b,c,d);step(sys)gridbode圖：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)曲線：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(dòng)態(tài)分析中會(huì)給出分析。經(jīng)過(guò)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C_hebing.mdl，M文件編寫下列語(yǔ)言可以得出經(jīng)過(guò)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=linmod(C_hebing2); sys=ss(a,b,c,d);step(sys)gr

8、idbode圖：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)曲線：可以對(duì)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(shuō)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和簡(jiǎn)化過(guò)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便等效為：(1) 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)：2Ti=0.0006s。轉(zhuǎn)速濾波的時(shí)間常數(shù)：1ms=0.001s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似處理：Tn=2Ti+0.0016s。(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(wú)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(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按照典型型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速

9、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：GASRs=KnTns+1Tns(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*Tn=10*0.0016=0.016s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)的增益為：KN=h+12h2Tn2=21484 于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為：Kn=(h+1)CeTm2hRTn=61.250.040.5250.0280.0016=53.70(4) 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截至頻率為：cn=KITN=345rad/s1) 近似條件一：cn15Ti現(xiàn)在：15Ti=666.7cn,滿足近似條件。2) 近似條件二：cn1312TiT

10、on現(xiàn)在：1312TiTon=430cn,滿足近似條件。經(jīng)過(guò)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：GACRs=53.700.016s+10.016s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(tái)我們可以得到如下的仿真圖形：將上述模型保存為U_weihebing.mdl，M文件編寫下列語(yǔ)言可以得出經(jīng)過(guò)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(U_weihebing); sys=ss(a,b,c,d);step(sys)；grid；a,b,c,d=linmod(U_weihebing2); sys=ss(a,b,c,d);step(sys)；grid；bode圖：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)曲線：將小時(shí)間常數(shù)參數(shù)合并時(shí)對(duì)應(yīng)的仿真圖形為：將上述模型保存為U_hebing.mdl，M文件編寫下列語(yǔ)言可以得出經(jīng)過(guò)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(U_hebing); sys=ss(a,b,c,d);step(sys)；grid；a,b,c,d=linmod(U_hebing2); sys=ss(a,b,c,d);step(sys)；grid；單位階躍響應(yīng)曲線：bode圖4. 轉(zhuǎn)換環(huán)和電流環(huán)分別建立后，整個(gè)電機(jī)拖動(dòng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)已