【正文】 15 頁(yè) 共 36頁(yè) 工具。 Simulink 作為面向框圖的仿真軟件，具有以下功能： (1)用方框圖的繪制代替程序的編寫(xiě)。 (3)輸入輸出信號(hào)來(lái)源形式的多樣化。最常用的有電力系統(tǒng) (Powersys)模塊工具箱，數(shù)字信號(hào)處理 (DSP Blocks)模塊工具箱，定點(diǎn)處理 (FixPointBlocks)模塊工具箱和通信系統(tǒng) (Comm)模塊工具箱。 數(shù)字信號(hào)處理 (DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號(hào)源庫(kù)、信號(hào)漏 (終端庫(kù) )、通用 DSP 庫(kù)、數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、濾波器庫(kù)、頻譜分析庫(kù)及演示庫(kù)。 通信系統(tǒng) (Comm)模塊工具箱主要包括信號(hào)源和信號(hào)終端庫(kù)、信源編碼和信源解碼庫(kù)、糾錯(cuò)編碼和糾錯(cuò)解碼庫(kù)、調(diào)制和解調(diào)庫(kù)、多路存取庫(kù)、發(fā)送濾波和接收濾波庫(kù)以及信道庫(kù)等。第一階段是用圖形方式來(lái)畫(huà)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行編輯；第二 階段是進(jìn)行運(yùn)算仿真。要注意在系統(tǒng)輸入端加上信號(hào)源，在用戶(hù)關(guān)心的輸出端加中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 16 頁(yè) 共 36頁(yè) 上信號(hào)終端 (即觀測(cè)或記錄信號(hào)的設(shè)備，如示波器、電壓表或文件等 )。 ⑵ Simulink 特點(diǎn) ① 豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù) 、 交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理 。 ③ 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成 。 ⑤ 使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯 C 代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型 。 ⑦ 模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤 。 所以，設(shè)計(jì)步驟流程圖如下： 計(jì)算所需參數(shù) 建立帶比例放大器的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得出需改進(jìn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器 驗(yàn)證校正后的系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 17 頁(yè) 共 36頁(yè) 設(shè)計(jì)原理 帶比例放大的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由圖可知：轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) ： *n n nU U U? ? ? 放大器： c p nU K U?? 電力電子變換器： 0d s cU KU? 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性： 0ddU I Rn Ce?? 測(cè)速反饋環(huán)節(jié)： Un n?? 整理后可得系統(tǒng)的靜特性方程式： *(1 )P s n dK K U RIn Ce k CeR??? () 其中 /p s eK K K C?? 如果斷開(kāi)反饋回路，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為： 0ddU I Rn Ce?? 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 18 頁(yè) 共 36頁(yè) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為： Nop IRn Ce?? (1 )dcl RIn Ce k?? ? 它們之間的關(guān)系為： 1 opcl nn k???? 將各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)帶入穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中，即可得其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖： 3 參數(shù)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)完系統(tǒng)框圖后，就可以用已知的傳遞函數(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)中要求給定的進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)參數(shù) 的計(jì)算。 例出設(shè)計(jì)要求給出的參數(shù)大小： 用 線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路是 VM 系統(tǒng)。 m2， 設(shè)測(cè)速發(fā)電機(jī)的參數(shù)：永磁式， ， 110v,， 1900r/min； 生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍 D=10， S5%。 E 運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 運(yùn)算放大器的放大系數(shù)： 2 0 .1 4/p sekK KC???，取 Kp=21 取 R0=40k? ，則 R1= pK R0=21? 40k? =840k? 動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算 在經(jīng)典控制理論中，動(dòng)態(tài)分析基于傳遞函數(shù)的確定，所以要求出傳遞函數(shù)，需根據(jù)已知求出動(dòng)態(tài)參數(shù)，后再判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 基于經(jīng)典控制理論的穩(wěn)態(tài)分析 設(shè)繞動(dòng) Idl=0，則閉環(huán)直流調(diào)速的閉環(huán)傳函是 32( 1 )()11 1 1cl m l s m l sK p K sC e kWsT T T T T T Tm TsS S Sk k k???? ? ?? ? ? 由此可知，其特征方程為 32 101 1 1m l s m l sT T T T T T T m T sS S Sk k k?? ? ? ?? ? ? 可根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯赫爾維 茨判據(jù)，系統(tǒng)的充分必要條件為 2()m l slsT T T TsK TT??? () 將所得數(shù)據(jù)帶入上式中，可得： K 而穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求 K,因此閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的 。在該調(diào)速系統(tǒng)中系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾。所以，該閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不會(huì)太高，這是系統(tǒng)存在的第一個(gè)問(wèn)題。這也是我們必須要解決的問(wèn)題，因此，我們有必要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。 den=conv(conv([ 1],[ 1]),[ 1])。 den=conv(conv([ 1],[ 1]),[ 1])。 rlocus(s1) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 23 頁(yè) 共 36頁(yè) 由圖可知系統(tǒng)的 s 平面有極點(diǎn)位于右半平面， 系統(tǒng)不穩(wěn)定 。 den=conv(conv([ 1],[ 1]),[ 1])。 bode(s1)。 grid ⑶利用奈奎斯特圖分析 根據(jù)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)畫(huà)出奈奎斯特圖： 程序如下： num=。 s1=tf(num,den)。 奈奎斯特圖 由奈奎斯特圖可知，開(kāi)環(huán)頻率特性的軌跡在 ( ) ( )G jw H jw 平面內(nèi)包圍（ 1， j0）的圈數(shù)為 2，而開(kāi)環(huán)頻率特特征方程式在 s 右半平面的根的個(gè)數(shù)為 3，根據(jù)奈奎斯特判據(jù)可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定。 對(duì)于帶電力電子變換器的直流 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于傳函階次較低，一般采用 PID 調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成校正任務(wù)。由 PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，快速性卻受限制。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須采用 PD 或 PID，本系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，所以采用 PI 調(diào)節(jié)器。用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度 r 和增益裕度 GM。 ② 截止頻率 Wc 越高，則系統(tǒng)的快速性越好。 ④ 高頻帶衰減越快，說(shuō)明 系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強(qiáng) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 27 頁(yè) 共 36頁(yè) 2 0 d B / d e cWc0低頻段中頻段高頻段L / d B 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定裕度，確定校正后的預(yù)期對(duì)數(shù)頻率特性，與原始特性相減，即得校正特性環(huán)節(jié)，具體方法較靈活，有時(shí)需要反復(fù)試做，才能獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 28 頁(yè) 共 36頁(yè) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 串聯(lián)遲后校正設(shè)計(jì)步驟： ⑴ 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求，確定開(kāi)環(huán)增益 k； ⑵ 利用已確定的開(kāi)環(huán)增益，畫(huà)出未校正系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性，確定未校正系統(tǒng)的 Wc， r 和 h（ dB）。 考慮到遲后網(wǎng)絡(luò)在新的截止頻率處會(huì)產(chǎn)生一定的相角遲后 ( 39。 ( 39。)c c cr r W W??? 式中， 39。)ccW? 在確定 39。cW 值 ⑷ 根據(jù)下述關(guān)系式確定遲 后網(wǎng)絡(luò)參數(shù) b 和 T 20 lg ( 39。wbT? 根據(jù)以上串聯(lián)遲后校正設(shè)計(jì)步驟，寫(xiě)出以下程序，求出校正器的傳遞函數(shù)。 k0=。 na=polyval(k0,j*wc)。 g=na/da。 h=20*log10(g1)。 T=1/(*wc)。 Gc=tf([T 1],[bt 1]) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 29 頁(yè) 共 36頁(yè) Transfer function: s + 1 s + 1 取 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 0 .3 3 3 3 1() 8 .2 0 6pi sWs s?? 根據(jù)其畫(huà)出伯德圖進(jìn)行分析可得： 程序如下： k1=。 s1=tf(k1,d1)。 d2=[ 1]。 sope=s1*s2。但快速性有影響太大，以致快速性不能滿(mǎn)足要求 用 simulink 仿真： Simulink仿真模型圖 輸出示波器 圖形 從圖中可知：轉(zhuǎn)速啟動(dòng)較慢，快速性達(dá)不到要求，于是減小調(diào)節(jié)器的積分作用，將調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)改設(shè)為： 0 .0 3 3 3 3 1() 0 .8 2 0 6pi sWs s??。 畫(huà)出改動(dòng)后的伯德圖 程序如下： k1=。 s1=tf(k1,d1)。 d2=[ 0]。 sope=s1*s2?？焖傩员唤档土撕芏?，顯然這是一個(gè)偏于穩(wěn)定的方案。 查看其零極點(diǎn)圖： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 33 頁(yè) 共 36頁(yè) 系統(tǒng)的右半平面沒(méi)有極點(diǎn)，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的，符合以上分析。 d1=conv(conv([ 1],[ 1]),[ 1])。 k2=[ 1]。 s2=tf(k2,d2)。 sisotool(sope) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 34 頁(yè) 共 36頁(yè) 查看其階躍響應(yīng)： 單位階躍響應(yīng) 由圖可知：系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速為： 1390rpm。超調(diào)量為： 計(jì)算 PI 調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù)。 由 ?? ? ? 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 35 頁(yè) 共 36頁(yè) 可得： 0 .0 3 3 3 3 0 .0 4 1 5 20 .8 0 2 6piK ?? 而 10 0 . 0 4 1 5 2 4 0 1 . 6 6 0 8piR K R k k? ? ? ? ? ?，取 1R =2k? 300 . 8 0 2 61 1 0 2 0 . 0 6 540C f fR? ??? ? ? ?，取 1C? 20 f? 物理實(shí)體模型仿真 ： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)論文 第 36 頁(yè) 共 36頁(yè) 結(jié) 論 本文通過(guò)計(jì)算和 MATLAB 仿真比較 了開(kāi)環(huán)直流電機(jī)調(diào)速，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速以及帶 PI 調(diào)節(jié)器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的不同。 而只帶比例放大器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)往往不能滿(mǎn)足要求。只要電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行，就必須有控制電壓 Uc，因而也必須有轉(zhuǎn)速偏差電壓。雖然其快速性受到了影響，但是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度達(dá)到了要求。 Nonliner． closed— loop direct identification of a DC motor with load. for low speed two 在此，我得感謝郝騫和楊風(fēng)老師，他們?yōu)槲姨峁┝艘粋€(gè)學(xué)習(xí)氣氛很濃厚的實(shí)驗(yàn)室，使我的畢設(shè)能迅速的完成。在我做畢設(shè)期間，他們都給予我很大的幫助。 當(dāng)然，畢設(shè)能順利完成，少不了那些書(shū)籍，論文的作者與編者，是他們的感慨無(wú)私的精神，為了科學(xué)與教育事業(yè)奮斗的精神，才有社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)的進(jìn)步。對(duì)此，我們得向他們作出最真摯的謝意