电机调速系统课程设计报告.doc

电机调速系统课程设计报告 本课程设计的目的在于训练我们设计实际电机控制系统的能力。设计使用的仿真工具是MATLAB的SIMULINK软件包。 MATLAB是美国MATHWORKS公司推出的高效的可视化编程软件。它已成为国际上最流行的科学与工程计算软件工具。它有强大而精确的矩阵运算功能，正如其名“矩阵实验室”。此外，它还具有科学绘图、数据处理、数值分析等功能。MATLAB的工具箱功能集成了许多特殊功能，极大地扩展了MATLAB的功能。其中与控制系统有关的一些工具箱，大大简化了控制系统的分析与设计。 本文讨论了状态反馈控制系统设计问题。利用MATLAB软件，对电机拖动系统进行状态反馈控制，提高了控制系统的运行性能，改善了控制系统的鲁棒性。 1. EXERCISE 1 待仿真的电机电枢电路如下面图1所示， 图1 电机电枢电路 本课程设计给出的是电机电枢回路以及负载运动的状态空间描述，如下所示： 将上述状态方程转化成相应的传递函数的表示形式，如下： 图2 电机状态方程相应的传递函数图 事实上，观察传递函数我们就可以发现，状态方程中矩阵的特征值（即状态方程相应传递函数的极值）与图2中相应惯性环节的极值是不同的。这是因为状态方程相应的极值是对应于加了负反馈后的闭环传递函数，惯性环节的极值相应的是开环传递函数的极值。 2. EXERCISE 2 练习2的要求是在练习1给出的状态方程的基础上增加一个电流环，使得加入该环节之后，系统的输入是给定电流（当然也包括负载的力矩），而系统的输出包括调节得到的电枢电流，转速（当然也包括电流的积分）。 2.1 控制原理 设计要求达到2%的调节时间在20ms之内，输出电流与给定电流之间无静差。同时，不妨设电流环的超调不超过5%.电流环是双环调速系统的内环，它跟随给定电流，对电网电压波动起抗干扰作用, 加快动态过程。由于要求输出电流与给定电流之间无静差，因此采用PI调节法，这也是在练习2中状态变量里要包括电流的积分的原理所在。通过调节输出电流、输出转速、输出电流积分三者的反馈系数，一方面调节系统的极点，使系统的动态参数达到要求，另一方面实现PI控制，使系统达到无静差的要求。 2.2 电流调节器（ACR）的设计 参考电流是通过电流调节器（ACR）引入到调速系统中的。下面讨论系统中电流调节器的设计。首先，为了设计的简便直观起见，下面在设计ACR时用的是与状态方程等价的传递函数形式。最后设计完成时，可以将其还原为状态方程的形式。 下面根据根据系统的动态响应指标的要求，设计闭环系统的极点。 由于这是一个3阶闭环系统，因此一共有3个极点。其中两个共轭复数极点可以按照系统的调节时间，超调量的要求确定。同时，可以把第3个负实极点的值取为另两个共轭极点实部的5倍以上。这样这个3阶系统就可以等效成一个2阶系统，并运用2阶系统的规律来确定这两个共轭复数极点。 图3 二阶系统极点图示 设这两个极点分别为：，则： 可以解得：，因此两个极点的坐标为： 对于第3个极点，由于它是一个负实极点，而且与前面两个极点相比，由于距虚轴较远，因此不能从系统的动态性能上确定，而只能从电机调速系统的物理，电路特性上去考虑。 事实上，我们可以看到图2中，转速反馈到输入电压端的反馈系数是-3.4，在这个课程设计中，这个值是有特殊含义的，它是电机常数。有关系式： 从上式中，我们不难找到图2中两个大小为-3.4的增益的物理意义。而对于现在要确定的第3个极点来说，它应使输出转速到输入参考电流端的反馈系数为-，这符合电路规律，事实上考虑通道内增益的合并后，也可以是-的一个相关的倍数。 这里为了确定反馈系数，我们采取这样的策略：首先假定第三个极点为-1000（大概是另两个极点负实部的5倍左右），并结合前面的两个极点用place函数求出相应的三个反馈值，并对加上反馈以后的系统求出其单位阶跃响应。验证阶跃响应的动态特性是否满足指标，若满足，则结束。若不满足，则可把第三个反馈值改为-，再求出系统的单位阶跃响应，并验证阶跃响应的动态特性是否满足指标。之后不停地手动小范围调整系统反馈的值，直到其阶跃响应的动态特性满足要求为止。 另外，参考电流进入ACR之前，要经过一个电流控制装置，即设计要求里的controller模块。联系实际情况，这应该是一个电流的滤波模块。由于设计要求系统状态方程的阶数不变，所以这只能是一个增益环节，经调试，它的增益系数应约为9.96399。 最后的电流环如下所示：（相应的反馈值以及增益均已标于图中，有部分增益环节已与传递函数增益合并） 图4 电流环传递函数图 2.3 设计结果的讨论 上一节中开始用place函数求出的反馈向量为：[3.0612, 3.4, 229.885]，由于第三个极点不一定为-1000，因此接着进行手