《机电控制系统分析与设计》课程大作业-基于matlab的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.doc

《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一 基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真 1 计算电流和转速反馈系数 2 按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果 根据设计的一般原则“先内环后外环”，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 电流调节器设计分为以下几个步骤： a 电流环结构图的简化 忽略反电动势的动态影响 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即(E≈0。这时，电流环如下图所示。 等效成单位负反馈系统 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) / 小惯性环节近似处理 由于Ts T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T∑i = Ts + Toi 简化的近似条件为 电流环结构图最终简化成图。 b 电流调节器结构的选择 典型系统的选择： 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统 电流调节器选择 电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 Ki — 电流调节器的比例系数； (i — 电流调节器的超前时间常数 校正后电流环的结构和特性 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 则电流环的动态结构图便成为图a a) 动态结构图: b) 开环对数幅频特性 c. 电流调节器的参数计算 电流调节器的参数有：Ki 和 (i， 其中 (i 已选定，剩下的只有比例系数 Ki， 可根据所需要的动态性能指标选取。 参数选择 在一般情况下，希望电流超调量i 5%，由第二章可选 ( =0.707，KI T(i =0.5，则 PWM功率变换器的开关频率为，故其时间常数 将已知数据代入公式中，得 3 编制Matlab 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线 图1 图2 图3 图4 分析：在ACR电流调节环节，超调量，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。在这里，ACR作用力图使尽快地跟随起给定值，电流内环的作用就是一个电流随动子系统。对电网的电压的波动起及时的抗干扰作用。 4 编制Matlab 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线 图 6 图7 图8 图 9 分析：在ACR电流调节环节，超调量，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。在这里，ACR作用力图使尽快地跟随起给定值，电流内环的作用就是一个电流随动子系统。对电网的电压的波动起及时的抗干扰作用。这里只是调节器未化简。 5 按工程设计方法，详细写出转速环的动态校正过程和设计结果。 电流环的等效闭环传递函数 电流环闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。 传递函数化简 忽略高次项，上式可降阶近似为 近似条件 式中 (cn — 转速环开环频率特性的截止频率。 电流环等效传递函数 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s) 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 转速调节器结构的选择 1) 转速环的动态结构 用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图所示。 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为TΣn的惯性环节，其中 转速环结构简化 4) 转速调节器选择 转速环等效成典型IIII型系统。再从动态性能方面考虑，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型II型系统恰好能够满足此项要求。 5) 调速系统的开环传递函数 由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn — 转速调节器的比例系数； ( n — 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为 令转速环开环增益为 则 校正后的系统结构 转速调节器参数的选择 转速调节器