机电控制系统分析与设计大作业之一基于matlab的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.doc

《机电控制系统分析与设计》
课程大作业一
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

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1.前言

从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用MATLAB做了双闭环直流调速系统仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。本文还对实际中可能出现的各种干扰信号进行了仿真，另外本文还介绍了实物验证的一些情况。

关键词：MATLAB 直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器

一、 应用现状
带电流截止负反馈环节、采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了电动机的安全运行，又具有较好的动、静态性能。然而仅靠电流截止环节来限制起动和升速时的冲击电流，性能并不令人满意，为充分利用电动机的过载能力来加快起动过程，专门设置一个电流调节器，从而构成电流、转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。本节介绍双闭环调速系统。

二、 设计参数
转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动。
电机参数：
额定功率 200W；
额定电压 48V；
额定电流 4A；
额定转速 500r/min；
电枢回路总电阻 R=8Ω；
允许电流过载倍数 λ=2；
电势系数Ce=0.04V·min/r；
电磁时间常数TL=0.008s；
机电时间常数 Tm=0.5；
电流反馈滤波时间常数Toi=0.2ms；
转速反馈滤波时间常数Ton=1ms
要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压U*nm=U*im=10V；
两调节器的输出限幅电压为10V；
PWM功率变换器的的开关频率f=10kHz；
放大倍数K=4.8；
动态参数设计指标：
稳态无静差；
电流超调量5%；
空载启动到额定转速时的转速超调量25%；
过渡过程时间ts=0.5s。
三、 设计计算
1. 稳态参数计算
根据两调节器都选用PI调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V
电流反馈系数；
转速反馈系数：
2. 电流环设计
（1）确定时间常数
电流滤波时间常数T=0.2ms，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则

（2）选择电流调节器结构
电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为

（3）选择调节器参数
超前时间常数：=T=0.008s
电流环超调量为σ5%，电流环开环增益：应取，则
===1666.67
于是，电流调节器比例系数为

（4）检验近似条件
电流环截止频率==1666. 67 1/s
1） 近似条件1：
现在，==3333.33>，满足近似条件。
2）近似条件2：
现在，==47.43 <，满足近似条件。
3） 近似条件3：
现在，==2357.02>，满足近似条件。
2.1MATLAB仿真绘制未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线和开环频率特性曲线
1、未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线

图1未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线

图2未经过小参数环节近似后的电流环Simulink动态结构

2、未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线

图3未经过小参数环节近似后的电流环对数频率特性

图4未经过小参数环节近似后的电流环开环结构图

源程序
>> sys1=tf(1,[0.0002 1]);
>> sys2=tf(1,[0.0001 1]);
>> sys3=tf(1666.67,[1 0]);
>> figure(1);
>> margin(sys1*sys2*sys3);
>> hold on
>> figure(2)
>> closys1=sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3);
>> t=0:0.001:0.08;
>> step(closys1,t);
>>grid on;

2.2绘制经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应线
1、经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线

图5经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应

图6 经过小参数环节近似后的电流环Simulink动态结构图
2、经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线

图7经过小参数环节合并的电流环频率响应

图8 经过小参数环节近似后的电流环开环结构图

源程序
>> sys1=tf(1,[0.0003 1]);
>> sys2=tf(1666.67,[1 0]);
>> figure(3);
>> margin(sys1*sys2);
>> hold on
>> figure(4)
>> closys2=sys1*sys2/(1+sys1*sys2);
>> t=0:0.001:0.08;
>> step(closys2,t);
>> grid on
3.转速环设计
（1）确定时间常数
电流环的等效时间常数：2=0.0006s
转速滤波时间常数：T=1ms=0.001，
转速环小时间常数近似处理：=2+ T=0.0006+0.001=0.0016s
（2）选择转速调节器结构
由转速稳态无静差要求，转速调节器中必须包含积分环节；又根据动态要求，应该按典型Ⅱ型系统校正转速环，因此转速调节器应该选择PI调节器，其传递函数为

（3）选择调节器参数
因要求超调量小于等于百分之二十五，取h=10，则转速调节器的超前时间常数为
=h·T=100.0016=0.016s
转速环开环增益
==21484 1/
于是，转速调节器比例系数为
==53.71
（4）校验近似条件
转速环的开环截止频率为
==·=214840.016=344 1/s
1)近似条件1：
现在，==666. 67>，满足近似条件。
2） 近似条件2：
现在，==430.33 >，满足近似条件。
3.1绘制经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
1、 经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线

图9 经过小参数环节近似后的转速环对数频率特性

图10 经过小参数环节近似后的转速环开环结构图

2、 经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线

图11 经过小参数环节近似后的转速环单位阶跃响应曲线

图12 经过小参数环节近似后的转速环Simulink动态结构图

程序：
>> sys1=tf(0.02/1.25,[0.0016 1]);
>> sys2=tf(8,[0.5 0]);
>> n=1/0.04;
>> s=tf([0.016 1],[0.016/53.71 0]);
>> figure(7);
>> margin(sys1*sys2*n*s);
>> hold on
>> grid on;
>> figure(8);
>> closys1=sys1*sys2*n*s/(1+sys1*sys2*n*s);
>> t=0:0.001:0.08;
>> step(closys1,t)
>> grid on;

3.2绘制未经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
1、 未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线

图13 未经过小参数环节近似后的转速环对数频率特性

图14 未经过小参数环节近似后的转速环开环结构图

2、 未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线

图15 未经过小参数环节近似后的转速环单位阶跃响应曲线

图16 未经过小参数环节近似后的转速环Simulink动态结构

程序：
>> sys1=tf(0.02,[0.001 1]);
>> sys2=tf(0.8,[0.0006 1]);
>> sys3=tf(8,[0.5 0]);
>> n=1/0.04;
>> s=tf([0.016 1],[0.016/53.71 0]);
>> figure(5);
>> margin(sys1*sys2*sys3*n*s);
>> hold on
>> grid on;
>> figure(6);
>> closys1=sys1*sys2*sys3*n*s/(1+sys1*sys2*sys3*n*s);
>> t=0:0.001:0.08;
>> step(closys1,t)
>> grid on;

四、阶跃信号速度输入条件下的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输出过渡过程曲线与其设计结果分析
4.1转速

图17 双闭环系统转速输出Simulink动态结构图
图18 双闭环系统阶跃信号输入下转速输出过渡过程曲线

4.2电流

图19 双闭环系统电流输出Simulink动态结构图

图20 双闭环系统阶跃信号输入下电流输出过渡过程曲线

4.3转速调节器输出

图21 双闭环系统转速调节器输出Simulink动态结构图

图22 双闭环系统阶跃信号输入下转速调节器输出过渡过程曲线

4.4电流调节器输出

图23 双闭环系统电流调节器输出Simulink动态结构
图24 双闭环系统阶跃信号输入下电流调节器输出过渡过程曲线

分析设计结果与要求指标的符合性
（1） 由图22、24可以看出，转速调节器和电流调节器的输出过渡曲线在达到稳态时稳态值都为零，即符合稳态无静差设计指标。
（2） 由图18可以看出，转速输出过渡过程曲线的超调量为，符合设计指标。
（3） 由图8可以看出，电流环电流超调量约为，符合设计指标。
（4） 由图18可以看出，过渡过程时间，符合设计指标。
五、仿真结果分析：
根据设计结果的模拟仿真，可以得到设计的调节系统稳态时转速无误差。可以看出：作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
在实际系统中，电网电压的波动和外负载的波动会对系统的超调与稳定有一定的影响，在仿真的时候可以加以考虑，最终可以看出系统对于外界干扰的协调能力很强。

程序流程框图

目 录
第一章 总论 1
一、项目概况 1
二、项目提出的理由与过程 6
三、项目建设的必要性 8
四、项目的可行性 12
第二章 市场预测 15
一、市场分析 15
二、市场预测 16
三、产品市场竞争力分析 19
第三章 建设规模与产品方案 22
一、建设规模 22
二、产品方案 22
三、质量标准 22
第四章 项目建设地点 25
一、项目建设地点选择 25
二、项目建设地条件 25
第五章 技术方案、设备方案和工程方案 28
一、技术方案 28
二、产品特点 30
三、主要设备方案 32
四、工程方案 32
第六章 原材料与原料供应 35
一、原料来源及运输方式 35
二、燃料供应与运输方式 35
第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 37
一、总图布置 37
二、 运输 38
三、总体布局 38
四、公用辅助工程 39
第八章 节能、节水与安全措施 44
一、主要依据及标准 44
二、节能 44
三、节水 45
四、消防与安全 45
第九章 环境影响与评价 47
一、法规依据 47
二、项目建设对环境影响 48
三、环境保护措施 48
四、环境影响评价 49
第十章 项目组织管理与运行 50
一、项目建设期管理 50
二、项目运行期组织管理 52
第十一章 项目实施进度 55
第十二章 投资估算和资金筹措 56
一、投资估算 56
二、资金筹措 58
第十三章 财务评价与效益分析 61
一、项目财务评价 61
二、财务评价结论 65
三、社会效益 68
四、生态效益 68
第十四章 风险分析 70
一、主要风险分析识别 70
二、风险程度分析及防范风险的措施 70
第十五章 招标方案 72
一、招标范围 72
二、招标组织形式 72
三、招标方式 72
第十六章 结论与建议 74
一、可行性研究结论 74
二、建议 75
附 件 77
一、附表 77
二、附件 77
三、附图 77