带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统设计

1、带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统设计1设计目的（1）了解带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的工作原理，熟悉组成环节及每个环节的作用。（2）应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。（3）应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。2设计参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机UN=220V， IN=65A，nN =1000r/min，电枢电阻Ra=0.15，电枢电感La=0.0002H，励磁

2、电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A，电枢绕组和励磁绕组互感Laf=0.82H，供电电源电压U2=130V；晶闸管装置Ts=0.00167s，放大系数Ks=40；电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=12.5Nm2；转速调节器最大给定值=10V；3 设计任务(1)分析电流截止负反馈环节的工作原理，画出系统稳态结构图；(2)在MATLAB中建立带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统；(3调节控制器参数，确定最佳调节参数。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。比较带电流截止负反馈环节和不带电流截止负反馈环

3、节启动过程的差异。4设计要求1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：启动电流的最大值150 A。空载启动到额定转速的转速超调量n15%。4 设计基本内容4.1问题的提出在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在启动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消，让电流随着负载的增减而变化。这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。4.2电流截止负反馈环节为了实现截止负反馈，必须在系统中引入

4、电流负反馈截止环节。电流负反馈截止环节的具体线路有不同形式，但是无论哪种形式，其基本思想都是将电流反馈信号转换成电压信号，然后去和一个比较电压Ucom进行比较。最简单的是在电动机电枢回路串入一个小阻值的电阻Rs，IdRs是正比于电流的电压信号，用它去和比较电压Ucom进行比较。当IdRsUcom，电流负反馈信号Ui起作用，当IdRsUcom，电流负反馈信号被截止。比较电压Ucom可以利用独立的电源，在反馈电压IdRs和比较电压Ucom之间串接一个二极管组成电流负反馈截止环节，如图1所示；也可以利用稳压管的击穿电压Ubr作为比较电压，组成电流负反馈截止环节，如图2所示。 图1 利用独立直流电源作

5、比较电压 图2 利用稳压管产生比较电压 4.3带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统的组成带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速稳态系统结构框图及原理图如图3和图4KpKs1/CeRsRUfnUfiUgnIdRs-UbjnUcUnUdoUbj图3 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图图4 含电流截止负反馈的转速负反馈原理图4.4PI调节器参数计算闭环直流调速系统稳态参数的计算1）额定负载时的稳态速降应为: 150r/min2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数：0.2125V.min/r开环系统额定速降为：152.9r/min闭环系统的开环放大系数为：0.0193）计

6、算转速负反馈环节的反馈系数转速反馈系数为：0.01V.min/r 4)判断系统的稳定性计算：电枢回路的总电感为15mH系统中各环节的时间常数：电磁时间常数Tl:0.03S机电时间常数Tm:0.0386S晶闸管装置的滞后时间常数Ts:0.00167S计算出开环放大系数应满足的稳定条件为K24.5，又因为K=0.019，所以系统稳定。6) PI调节器设计原始系统的开环传递函数 由于Tm4Ts因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，T1=0.0386S，T2=0.03S， 原始闭环系统的开环传递函:参数计算： 0.03 PI调节器的传递函数为 Wpi(s)= (0.0384s+1) 0.03s

7、4.4电流截至负反馈环节参数计算由上面两个公式联立可得：Ucom=15VRs=0.1387.心得体会通过本次设计，我了解了带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的工作原理，熟悉组成环节及每个环节的作用。熟悉了对MATLAB软件的运用，在每个环节的参数运算及设定中，更进一步的理解了课堂所学知识，更对带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的应用和工作原理有了本质上的认识。加强了自己的思考与动手能力。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，指导我们学习的方向。如果我们想把所学的用到我们现实的生活中去，则必须要有扎实的理论基础，此次的设计为我奠定了一个理论基础，附录资料：MATLAB Cell

8、函数使用技巧谈谈MATLAB中cell函数如果p为一个数，那么h(1)=p,是没有问题的。如果p为一个向量，那么h(1,:)=p是没有问题的。如果p是一个矩阵的话，上面的两种赋值方法都是会有错误的。那么要如何处理呢？这时就用到了cell数据类型了。cell的每个单元都可以存储任何数据，比如传递函数等。当然，存储矩阵更是没有问题的了。但是用cell数据类型之前，要先初始化。a=cell(n,m)那么就把a初始化为一个n行m列的空cell类型数据。如何赋值呢？a1,1=rand(5)那么a的1行1列的单元中存储的就是一个随机的55的方阵了。那么要用第一个单元中的方阵中的某个值呢？可以如下引用：a1

9、,1(2,3)就可以了，引用cell单元时要用,再引用矩阵的某个数据就要用()了。cell单元中的每个单元都是独立的，可以分别存储不同大小的矩阵或不同类型的数据。下面举个例子：a=cell(2,2);%预分配a1,1=cellclass;a1,2=1 2 2;a2,1=a,b,c;a2,2=9 5 6;a1,1ans =cellclassa1,2ans = 1 2 2a2,:ans =abcans = 9 5 6 b=a1,1b =cellclass元胞数组：元胞数组是MATLAB的一种特殊数据类型，可以将元胞数组看做一种无所不包的通用矩阵，或者叫做广义矩阵。组成元胞数组的元素可以是任何一种数

10、据类型的常数或者常量，每一个元素也可以具有不同的尺寸和内存占用空间，每一个元素的内容也可以完全不同，所以元胞数组的元素叫做元胞（cell）。和一般的数值矩阵一样，元胞数组的内存空间也是动态分配的。（1）元胞数组的创建 a=matlab,20;ones(2,3),1:10a = matlab 20 2x3 double 1x10 double b=matlab,20;ones(2,3),1:10b = matlab 20 2x3 double 1x10 double c=10c = 10c(1,2)=2c = 10 2c(2,2)=5c = 10 2 5isequal(a,b)ans = 1wh

11、osName Size Bytes Class Attributesa 2x2 388 cell ans 1x1 1 logical b 2x2 388 cell c 2x2 208 cell 用cell函数创建元胞数组，创建的数组为空元胞。cell函数创建空元胞数组的主要目的是为数组预先分配连续的存储空间，节约内存占用，提高执行效率。 a=cell(1)a = b=cell(1,2)b = c=cell(3,3)c = d=cell(2,2,2)d(:,:,1) = d(:,:,2) = whosName Size Bytes Class Attributesa 1x1 4 cell ans

12、 1x1 1 logical b 1x2 8 cell c 3x3 36 cell d 2x2x2 32 cell （2）元胞数组的数据获得从元胞数组中读取数据，可保存为一个标准的数组或一个新的单元数组，或取出数组进行计算。元胞数组中数据的访问，可通过元胞内容的下标进行，用元胞数组名加大括号。大括号中数值表示元胞的下标。如a1，2表示元胞数组中第一行第二列的元胞。 a=20,matlab;ones(2,3),1:3a = 20 matlab 2x3 double 1x3 doublestr=a(1,2)str = matlabclass(str)ans =cellstr=a1,2str =ma

13、tlabclass(str)ans =char（）和有着本质的区别，大括号用于表示元胞的内容，小括号表示指定的元胞。a = 20 matlab 2x3 double 1x3 doublea2,1(2,2)ans = 0.9134a2,1(2,3)ans = 0.0975a1,2(2)ans =a使用元胞的下标，可将一个元胞数组的子集赋值给另一个变量，创建新的元胞数组。 a=1,2,3;4,5,6;7,8,9a = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b=a(2:3,2:3)b = 5 6 8 9 c=a(1:3,2:3)c = 2 3 5 6 8 9本例使用元胞下标的方式创建了新的元胞数组b和

14、c，通过结果看出b和c就是元胞数组a的一部分。（3）元胞数组的删除和重塑要删除单元数组中的行或列，可以用冒号表示单元数组中的行或列，然后对其赋一个空矩阵即可。a=20,matlab;ones(2,3),1:3a = 20 matlab 2x3 double 1x3 doublea(1,:)=a = 2x3 double 1x3 double a=20,matlab;ones(2,3),1:3;a1=a = matlab 2x3 double 1x3 doublea(1)=a = 2x3 double matlab 1x3 doublea(2)=a = 2x3 double 1x3 double

15、a(1,2)=? A null assignment can have only one non-colon index.a(1)=a = 1x3 double元宝数组和其他数组一样，也可以通过reshape函数改变形状，改变后的元胞数组与原元胞数组的元素个数相同，不能通过改变形状来添加或删除元胞数组中的元素。 a=cell(4,4)a = size(a)ans = 4 4 b=reshape(a,2,8)b = size(b)ans = 2 8（5）元胞数组中的操作函数 cell：创建空的元胞数组cellfun：为元胞数组的每个元胞执行指定的函数celldisp：显示所有元胞的内容cellp

16、lot：利用图形方式显示元胞数组 cell2mat：将元胞数组转变成为普通的矩阵 mat2cell：将数值矩阵转变成为元胞数组 num2cell：将数值数组转变成为元胞数组 deal：将输入参数赋值给输出 cell2struct：将元胞数组转变成为结构 struct2cell：将结构转变为元胞数组iscell：判断输入是否为元胞数组 a=20,matlab,3-7i;ones(2,3),1:3,0a = 20 matlab 3.0000 - 7.0000i 2x3 double 1x3 double 0 b=cellfun(isreal,a)b = 1 1 0 1 1 1 c=cellfun(

17、length,a)c = 1 6 1 3 3 1 d=cellfun(isclass,a,double)d = 1 0 1 1 1 1（函数的应用）cellfun函数的主要功能是对元胞数组的元素（元胞）分别指定不同的函数，不过，能够在cellfun函数中使用的函数ushuliang是有限的。能在cellfun中使用的函数：isempty：若元胞元素为空，则返回逻辑真islogical：若元胞元素为逻辑类型，则返回逻辑真isreal：若元胞元素为实数，则返回逻辑真 length：元胞元素的长度ndims：元胞元素的维数prodofsize：元胞元素包含的元素个数（7）元胞数组的嵌套元胞数组的元胞

18、中包含其他的元胞数，称为嵌套元胞数组，没有嵌套结构的元胞则称为页元胞。使用嵌套的大括号或cell函数，或直接用赋值表达式，都可以创建嵌套单元数组，另外还可以访问嵌套元胞数组的子数组、元胞或元胞的元素。 a=cell(1,2)a = a(1,2)=cell(2,2)a = 2x2 cella(1,1)=magic(3);a1,2(1,1)=1 2 3;4 5 6;7 8 9;a1,2(2,1)=2-i;4+7i;a1,2(2,2)=cell(1,2);a1,22,2(2)=5;cellplot(a)（8）元胞数组与数值数组间的转化应用循环，可以将元胞数组转化为数值数组。2010-11-08 12:06:44zz: /Lifehacker/archive/2010/05/15/matlab_cell_mode.htmlMatlab Cell功能最近完成模式分类的作业，需要大量使用matlab,期间发现了一个问题，是matlab代码的复用程度。在面向过程编程里，基本的复用单位是函数，程序的复杂度籍此下放到函数的接口上。设计好函