1、运动控制实验报告罗才宝运 动 控 制MATLAB-SIMULINK仿真实验 实验报告 姓名:罗才宝 学号:0953505008 班级:09自动化 时间:2014年4月15日一、 实验目的:(1)、熟悉MATLAB在单、双闭环直流调速系统中的应用。(2)、了解单、双闭环直流调速系统的组成。(3)、掌握单、双闭环直流调速系统的调试及参数整定。(4)、了解调节器参数对系统动态性能的影响。二、实验内容:本实验采用工程设计方法对单、双闭环直流调速系统进行设计,WASR和WACR均用PI调节器(仿真中采用PID模块,将其设计成PI调节器),其中,双闭环采用带限幅的PI调节器,并对对应参数进行计算和校验。本
2、次实验用MATLABSIMULINK对单、双闭环直流调速统计系统进行仿真,实验中建立起动态和抗负载扰动的MATLABSIMULINK仿真模型,并进行调试,使得单、双闭环直流调速系统趋于合理与完善,最终对仿真结果进行分析总结。三、实验过程与分析:1、 单闭环直流调速系统仿真:1.1实验说明:本次试验采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统,在保证系统稳定的前提下实现转速无静差调速。1.2系统参数设计:系统用三相桥式全空整流电路供电的单闭环直流调速系统仿真,则Ts=0.0017s。其中:uN=220v,IN=13.6A,nN=1480r/min,Ce=0.131v/(r/min),电流允许过载倍数,
3、Ks=76,电枢回路总电阻:,时间常数:Tl=0.018s,Tm=0.25s,uNm *=5v。 计算反馈转速系数:= uNm */ nN=5v/(1480r/min)=0.00337v/(r/min)。1.3单闭环直流调速系统仿真过程、结果及分析:1.3.1无负载扰动时的单闭环直流调速系统仿真图:1.3.1.1系统施加阶跃信号(uNm*=5v)后的输出转速结果波形图:1.3.1.2更改系统电压放大系数Ks后转速输出结果波形图: Ks:76200 Ks:7620 1.3.1.3更改系统电磁时间常数Tl后转速输出结果波形图: Tl:0.0180.5 Tl:0.0180.0002 1.3.1.4结
4、果分析:该转速单闭环直流调速系统显然按典型II型系统进行设计的,转速调节器ASR采用PI调节器(传递函数为:WASR(s)=KPi(ns+1)/ ns),系统用PI调节器进行串联校正,牺牲了系统快速性,可抗扰性能、稳态精度变好。分析输出波形不难得出:系统启动后经过ts=4s达到稳定,可见单闭环直流调速系统具有服从给定的跟随性能;当 Ks:76200时,系统调节时间ts明显变短,系统快速性、稳定性变好;Ks:7620时,系统调节时间ts大大变长,系统快速性变差;当Tl:0.0180.5时,ASR明显变得不饱和了,转速起初出现了一定程度的波动,不过ts没变;Tl:0.0180.0002时,系统起始
5、时系统并没有转速,但到6.7s时系统转速突增到1479r/min,并有波动现象,说明此时系统不稳定。可见只有各项参数都设计合理,才能使系统性能趋于完善。1.3.2加负载扰动时的单闭环直流调速系统仿真图:1.3.2.1系统施加阶跃给定信号和阶跃扰动后的转速输出结果波形图:1.3.2.2结果分析:从上述实验输出波形可以得知:与1.3.1实验对比不难发现,在系统稳定运行后加负载扰动,系统输出转速先出现一定程度的下降(即:出现动态速降n)然后通过系统自行调节后恢复到给定转速,说明外加负载扰动后,转速调节器能自行跟随同步响应,最终达到调速的目的,也反映出了闭环调速系统的动态跟随性能和抗扰性能。2、 双闭
6、环直流调速系统仿真:2.1实验说明:此次实验按工程设计方法进行设计。其中,电流环(内环)按典型I型系统进行设计,转速环(外环)按典型II型系统进行设计。2.2系统参数设计:系统用三相桥式全空整流电路供电的双闭环直流调速系统仿真,则Ts=0.0017s。其中:uN=220v,IN=13.6A,nN=1480r/min,Ce=0.131v/(r/min);电流允许过载倍数;Ks=76,电枢回路总电阻:,时间常数:Tl=0.018s,Tm=0.25s;uNm*=5v,=0.4V/A,=0.00337v/(r/min),Toi=0.005s,Ton=0.005s。 2.3双闭环直流调速系统仿真过程、结
7、果及分析:2.3.1无外加负载扰动且无滤波时的双闭环直流调速系统仿真图:2.3.1.1系统施加阶跃给定信号后的输出转速结果波形图:2.3.1.2更改系统电压放大系数Ks后转速输出结果波形图:Ks:76200 Ks:76302.3.1.3更改系统电磁时间常数Tl后转速输出结果波形图: Tl:0.0182 Tl:0.0180.00012.3.1.4改变限幅环节参数后的转速输出波形结果图: 限幅:-66-2020 限幅:-66-222.3.1.5结果分析:为了保证WASR和WACR的运算放大器工作在线性区及保护系统元、部件与装置的安全,在WASR和WACR的输出端加了限幅环节(-6+6)。从上述实验
8、输出转速波形可以得知:系统启动后,tr=1.3s,ts=5s,=(1800-1480)/1480=21.6%,系统快速性、稳定性较好,系统最终服从给定,体现了控制系统动态跟随性能;当 Ks:76200时,系统上升时间tr、调节时间ts明显变短,系统快速性优化了;Ks:7630时,系统调节时间ts大大变短,可输出转速(1380r/min)没达到给定值,此性质是与转速单闭环调速系统所不同的;当Tl:0.0182时,转速起始段出现了一定程度的波动,超调量=(2040-1480)/1480=37.8%明显变大,系统的稳定性变差;Tl:0.0180.0001时,系统起始时系统并没有转速,但到8.31s时
9、系统转速突增到1468r/min,并有波动现象,此时的系统是不稳定的;限幅值从-66-2020时系统没变化;从-66-22时,ts=2s, =0%,快速性、稳定性变好,可输出转速只有1180r/min,远没达到给定值。于是可得:系统各项参数只有合理取舍,优化设计,才能使系统性能趋于合理完善。2.3.2外加阶跃负载扰动时的双闭环直流调速系统仿真图:2.3.2.1系统施加阶跃信号和阶跃负载扰动后的输出转速结果波形图:2.3.2.2结果分析:从输出波形对比分析可得:此系统稳定后加负载扰动,输出转速出现了较大程度的下降(即动态速降n),WASR和WACR的调节量都相应曾加, 可几秒钟后系统又恢复稳定,
10、服从给定。可见双闭环直流调速系统的动态跟随性能和抗扰动性能较好。四、实验整体分析总结:1、做双闭环直流调速系统仿真时,构造WASR和WACR模块时采用了PID控制器(设计成PI控制器)和限幅器(设计相应参数)二者串联,但此种组合属于外限幅方式,PI控制其中的电容在限幅时并未停止充电,导致输入端反向退饱和时加长了反向充电时间,使得仿真结果与理论并不十分吻合。2、MATLAB设计和分析功能十分强大,但其并不是万能的,比如有些模块我们需要自行构造才能满足需要。3、仿真模块图搭建之后,实验过程中发现,双闭环直流调速系统的限幅环节十分重要,它的参数设计直接影响着调节时间和输出转速。还有就是某些参数需要实验中不但调试才能满足要求。4、此次仿真试验不仅加强了我对所学知识的理解,也培养了我的自学与独立思考问题的能力。5、通过实验让我意识到了,虽然很多试验在实际中无法实现,但可用仿真软件进行调试、分析,使所设计的系统性能得到优化。
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