基于matlab的单闭环直流调速系统设计

目录一、摘要……………………2二、总体方案设计………31、控制原理2、控制结构图三、参数计算………………51、静态参数设计计算2、动态参数设计计算四、稳定性分析……………81、基于经典自控理论得分析2、利用MATLAB辅助分析A、利用根轨迹分析B、在频域内分析奈氏曲线：bode图利用单输入单输出仿真工具箱分析用Simulink仿真五、系统校正………………141、系统校正的工具2、调节器的选择3、校正环节的设计4、限流装置的选择六、系统验证………………151、分析系统的各项指标2、单位阶跃响应3、Simulink仿真系统验证系统运行情况七、心得体会………………20八、参考文献………………20一、摘要运动控制课是后续于自动控制原理课的课程，是更加接近本专业实现应用的一门课程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。另外，设计过程中还要以matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。二、总体方案设计1、控制原理根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。所以，设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。所以，更具体的原理图如下：图2、单闭环直流调速系统具体原理图2、控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。所以，可以得到如下的框图：图4、单闭环直流调速系统动态结构框图三、参数计算设计完系统框图，就可以用已知的传递函数结合设计要求中给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。以便于后续步骤利用经典控制论对系统的分析。为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先列出设计要求中给出的参数及大小：电动机：PN=10kwUN=220vIdN=55AnN=1000rpmRa=0.5Ω晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230vKs=44主回路总电阻：R=1Ω测速发电机：PNc=23.1kwUNc=110vIdN=0.21AnNc=1900rpm系统运动部分：飞轮矩GD2=10Nm2电枢回路总电感量：要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续生产机械：D=10s≤5﹪1、静态参数设计计算A、空载到额定负载的速降ΔnN由公式：（其中D，s已知）得：ΔnN≤5.26rpmB、系统开环放大倍数K由公式：（由公式可算出Ce=0.1925Vmin/r）得：K=53.3C、测速反馈环节放大系数a设：测速发电机电动势系数=UNc/nNc=0.0579Vmin/r测速发电机输出电位器RP2分压系数a2根据经验，人为选定a2=0.2则a=Ceca2=0.01158注：1、a2正确性的验证：反馈通道的输出用于和给定比较，参照图3的标注，Un略小于Un※即可，当a2=0.2时，Un=11.58v满足要求（图1中，3为-，2为+，7要求+，也可验证）2、RP2的选择主要从功耗方面考虑，以不致过热为原则。D、运算放大器的放大系数Kp由公式（其中α即a）Kp≥20.14取Kp=21（若向小方向取，可能影响快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）此处的近似，使k由53.3变为55.582、动态参数设计计算在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传函，所以要求出传函并根据已知求的传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。由图4，得系统开环传函其中,Ts晶闸管装置滞后时间常数Tm机电时间常数Tl：电磁时间常数eq\o\ac(○,1)主电路电感值L根据要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续。结合抑制电流脉动的措施中关于L的讨论，得：公式：其中，整流变压器副边额定相电压（二次相电压）得：L=0.017Heq\o\ac(○,2)其他未知参数计算电磁时间常数机电时间常数对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts=0.00167s系统传函为：四、稳定性分析稳定是系统首要的条件，一切的分析只有建立在稳定的基础上才有意义。1、基于经典自控理论得分析根据系统闭环传函特征方程应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是代入整理得：或所以：把所得参数代入就是说，k小于49.4系统才稳定。但是，按稳态调速性能指标要求计算出的要K≥53.3它们是矛盾的。所以，当前的系统是不满足要求的。2、利用MATLAB辅助分析设计使用MATLAB版本：7.2.0.232（R2021a）【SimulinkV7.2ControlSystemToolboxV7.0】A、利用根轨迹分析系统传函可化为w=26123577/((s+20.4)*(s+38.5)*(s+600)){此处对原传函稍作近似，把原传函s2系数由0.001275近似为0.001275，即可得到本传函}eq\o\ac(○,1)化成LTI标准型传函程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);------------------卷积函数s1=tf(k,d)---------------------------------------------------------化成LIT标准型函数运行结果：eq\o\ac(○,2)求零极点：程序：num=[2.612e007];den=[1658.93.613e0042.659e007];[z,p,k]=tf2zp(num,den)------------------------------------------解出零极点运行结果:显然，在虚轴右半面有极点系统不稳定eq\o\ac(○,3)绘制根轨迹:程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);rlocus(s1)-----------------------------------------------------------------绘制根轨迹函数运行结果:上图右下方极点放大图从根轨迹图上很直观地看到位于在虚轴右半面有极点，系统不稳定。B、在频域内分析eq\o\ac(○,1)奈氏曲线：程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);figure(1);nyquist(s1)运行结果：eq\o\ac(○,2)bode图程序：k=26123577;d=conv(conv([120.4],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);figure(1);bode(s1);margin(s1);grid运行结果：所得参数：eq\o\ac(○,3)利用单输入单输出仿真工具箱分析rltool和sisotool命令都能调用单输入单输出仿真程序，只是rltool仅通过根轨迹来分析，sisotool还包括bode图。菜单DesignsEditcompensator可修改增益，修改的值为当前增益的倍数（图5）。图5图6K=21时的阶跃响应：图6菜单tools下可以直接调出输出波形，可见系统振荡（图7）。图7eq\o\ac(○,4)用Simulink仿真图8Simulink仿真连接图输出示波器波形：很明显系统振荡（由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的）图9、当前系统输出曲线五、系统校正为了满足要求，还保证系统的稳定性，一般采用加调节器校正的方法来整定系统。1、系统校正的工具在设计校正装置时，主要的研究工具是Bode图，即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。因此，Bode图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。伯德图与系统性能的关系中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。相角裕度g和以分贝表示的增益裕度Gm。一般要求：g=30°－60°GM>6dB实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。2、调节器的选择P调节器：采用比例（P）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。I调节器：采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。PI调节器：比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。3、校正环节的设计根据经验并验证，本系统加PI调节器可满足要求，调节器的传函为：用Simulink仿真:电机环节经分解，可等效成：Simulink中创建的模型：转速波形：系统的阶跃响应：查看阶跃响应的菜单最大转速：1130rpm调节时间：0.293s超调量：11.3％图9、单位阶跃响应由下图可见，电枢电流峰值达到了250多安，实际电机允许的瞬间最大电压为额定值的1.5倍，即82.5A，所以此系统还需加限流装置。图10、电机电枢电压及转速曲线4、限流装置的选择：Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取Idbl=（1.5~2）IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr≥（1.1~1.2）IN本系统限流值应为：82.5A六、系统验证1、分析系统的各项指标程序：k=692670;d=conv(conv([10],[138.5]),[1600]);s1=tf(k,d);[mag,phas,w]=bode(s1);figure(1);margin(mag,phas,w);sisotool(s1)仿真结果：其中：即：增益余度:Gm=26.6dB幅值穿越频率：ωc=152rad/sec相角余度：γ=54.5相角穿越频率：ωg=25rad/sec系统为1型，速度误差系数：Kv=ω=252、Simulink仿真系统验证系统运行情况系统可以作如下连接：给定：11.58图11、单位阶跃响应超调15.28％峰值时间0.285s调节时间0.5s可见，电机转速快速稳定在1000rpm，符合要求。至此，本设计基本结束。七、心得体会通过对单闭环直流电机调速系统的全面设计，复习和巩固了专业知识，使自己能更加熟练地运用自控理论分析和解决问题。设计过程中，涉及的matlab仿真技术，使自控原理中的各参数得以更直观的反映，更重要的是matlab为系统设计与整定提供了一个十分强大而简便的工具，帮助我们解决了复杂运算、测绘等问题，使设计者更加集中精力解决相关的控制问题，也使控制过程的脉络更加清晰。八、参考文献运动控制讲义唐树森电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社自动控制原理胡寿松科学出版社自动控制原理的matlab实现黄忠霖国防工业出版社matlab控制系统应用实例樊京清华大学出版社

社会实践报告系别：班级：学号：姓名：作为祖国未来的事业的继承人，我们这些大学生应该及早树立自己的历史责任感，提高自己的社会适应能力。假期的社会实践就是很好的锻炼自己的机会。当下，挣钱早已不是打工的唯一目的，更多的人将其视为参加社会实践、提高自身能力的机会。许多学校也积极鼓励大学生多接触社会、了解社会，一方面可以把学到的理论知识应用到实践中去，提高各方面的能力；另一方面可以积累工作经验对日后的就业大有裨益。进行社会实践，最理想的就是找到与本专业对口单位进行实习，从而提高自己的实战水平，同时可以将课本知识在实践中得到运用，从而更好的指导自己今后的学习。但是作为一名尚未毕业的大学生，由于本身具备的专业知识还十分的有限，所以我选择了打散工作为第一次社会实践的方式。目的在于熟悉社会。就职业本身而言，并无高低贵贱之分，存在即为合理。通过短短几天的打工经历可以让长期处于校园的我们对社会有一种更直观的认识。实践过程：自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，我开始了我这个假期的社会实践-走进天源休闲餐厅。实践，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。在餐厅里,别人一眼就能把我人出是一名正在读书的学生,我问他们为什么,他们总说从我的脸上就能看出来,也许没有经历过社会的人都有我这种不知名遭遇吧!我并没有因为我在他们面前没有经验而退后,我相信我也能做的像他们一样好.我的工作是在那做传菜生,每天9点钟-下午2点再从下午的4点-晚上8:30分上班,虽然时间长了点但,热情而年轻的我并没有丝毫的感到过累,我觉得这是一种激励,明白了人生,感悟了生活,接触了社会,了解了未来.在餐厅里虽然我是以传菜为主,但我不时还要做一些工作以外的事情，有时要做一些清洁的工作，在学校里也许有老师分配说今天做些什么，明天做些什么，但在这里，不一定有人会告诉你这些，你必须自觉地去做，而且要尽自已的努力做到最好，一件工作的效率就会得到别人不同的评价。在学校，只有学习的氛围，毕竟学校是学习的场所，每一个学生都在为取得更高的成绩而努力。而这里是工作的场所，每个人都会为了获得更多的报酬而努力，无论是学习还是工作，都存在着竞争，在竞争中就要不断学习别人先进的地方，也要不断学习别人怎样做人，以提高自已的能力！记得老师曾经说过大学是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生的身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但我得去面对我从未面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校理论学习有一定的差距。在这次实践中，这一点我感受很深。在学校，理论的学习很多，而且是多方面的，几乎是面面俱到；而在实际工作中，可能会遇到书本上没学到的，又可能是书本上的知识一点都用不上的情况。或许工作中运用到的只是很简单的问题，只要套公式似的就能完成一项任务。有时候我会埋怨，实际操作这么简单，但为什么书本上的知识让人学得这么吃力呢？这是社会与学校脱轨了吗？也许老师是正确的，虽然大学生生活不像踏入社会，但是总算是社会的一个部分，这是不可否认的事实。但是有时也要感谢老师孜孜不倦地教导，有些问题有了有课堂上地认真消化，有平时作业作补充，我比一部人具有更高的起点，有了更多的知识层面去应付各种工作上的问题，作为一名大学生，应该懂得与社会上各方面的人交往，处理社会上所发生的各方面的事情，这就意味着大学生要注意到社会实践，社会实践必不可少。毕竟，很快我就不再是一名大学生，而是社会中的一分子，要与社会交流，为社会做贡献。只懂得纸上谈兵是远远不及的，以后的人生旅途是漫长的，为了锻炼自己成为一名合格的、对社会有用的人才.很多在学校读书的人都说宁愿出去工作，不愿在校读书；而已在社会的人都宁愿回校读书。我们上学，学习先进的科学知识，为的都是将来走进社会，献出自己的一份力量，我们应该在今天努力掌握专业知识，明天才能更好地为社会服务。实践心得：虽然这次的实践只有短短的几天，而且从事的是比较简单的服务工作，但是通过与各种各样的人接触，还是让我学会了很多道理。首先是明白了守时的重要性。工作和上学是两种完全不同的概念，上学是不迟到很多时候是因为惧怕老师的责怪，而当你走上了工作岗位，这里更多的是由于自己内心的一种责任。这种责任是我学会客服自己的惰性，准时走上自己的岗位。这对我以后的学习生活也是一种鞭策，时刻牢记自己的责任，并努力加强自己的时间观念。其次让我真实的体会到了合作的重要性。虽然我工作的只是小小的一家餐厅，但是从点单到制作到递送到结帐这一环环的工作都是有分工的，只有这样才能使整家店的工作效率都大大的提高。以前虽然在书上看见过很多的团