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Matlab课程设计报告他励直流电机的转速闭环控制专业：电气工程及其自动化班级：中英1101班设计者：朱少波学号：U201115536设计要求对5马力他励直流电动机进行转速单闭环控制。转速闭环控制器的输入为转速偏差，输出为施加于电机上的电枢电压。指令转速设定为200 rad/s (1911 rpm)。电动机参数如表1所示1. 建立直流电机以电枢电压为输入、角转速为输出的传递函数，用MATLAB软件编制m程序进行Bode图辅助设计，选择合适的控制器结构及参数，使系统满足以下基本要求：1）系统对阶跃型转速指令无静差；2）开环系统增益穿越频率为10~15rad/s（此值影响电机启动电流）；3）相角裕度45°。2. 用Simulink搭建mdl仿真模型（采用分解模型，否则无法观察电枢电流）对设计结果进行验证、完善，使最终设计结果进一步满足下述要求：1）空载启动，转速爬升到指令值90%的时间0.5s；2）空载启动电流（以过渡过程中的最大值计）不超过额定电压下直接启动时的数值。3. 在电机空载稳定运行中突加阶跃型额定负载转矩，观察转速跌落情况并与无闭环控制的电机做对比，分析、体会闭环控制在抗扰性方面的优势。表1 5马力（3.7千瓦）他励直流电动机数据额定电压：240 V电枢电感：0.028 H额定电流：19.7 A转矩常数：1.03 N·m/A额定转速： () 电势常数：1.03 V·s/rad额定转矩：20.4 N·m转动惯量：0.02215 Kg·m2电枢电阻：2.581 Ω粘性摩擦系数：0.002953 N·m·s他励直流电机建模设为电枢电压，i为电枢电流，ω为转子角速度，为负载转矩。电势平衡方程 转矩平衡方程 转换到s域，有 联立(3)(4)两式，消去I，得从电枢电压到转速的传递函数为从负载转矩到转速的传递函数为 将(3)(4)表示为框图形式，有图1 电机系统本身传递函数表达式其中方框中的表达式分别是以及。控制器设计将表1 中的数据代入方程(6)，得从方程的分子部分可以确定电机系统为0 型系统，对阶跃指令响应有静差，所以控制器至少要包含一个积分环节。 设计要求既对增益穿越频率有要求，也对相角裕度有不同的要求，而如果仅仅把控制环节改成一个积分环节,由自动控制原理课程的知识我们知道数值K只能调节增益穿越频率，而改变增益并不会影响开环系统的相频响应，故为满足相角裕度要求，可以考虑将控制器的形式设为比例-积分(PI)控制器则开环系统的传递函数为考虑到系统的开环系统增益穿越频率越大，启动时的冲击电流也越大，但是过低的穿越频率会影响系统的动态响应性能，综合考虑设定开环系统增益穿越频率=13rad/s,相角裕度定为=70°.令联立（9）（10）两式，可以解出=0.3589,=14.64.所以最终得到的开环系统的传递函数为加入PI控制器之后得到的电机系统的bode图如下图2 加入PI控制器后的开环系统的bode图Simulink 仿真搭建的simulink电机系统仿真模型如下图图3 电机系统仿真模型图中三个不同的scope分别反应了电枢电压阶跃响应，电枢电流阶跃响应以及转速阶跃响应。它们代表了系统的启动过程。三个不同的阶跃响应的图示如下。图4 转速阶跃响应(注明：红色为无闭环系统，黄色为闭环系统.下同)图5电枢电流阶跃响应图6电枢电压阶跃响应从上述三个图可以看出，设计的控制器已经满足以下的两个附加要求：1）空载启动，转速爬升到指令值90%的时间0.5s；2）空载启动电流（以过渡过程中的最大值计）不超过额定电压下直接启动时的数值。负载扰动分析为了得到负载扰动分析，我们在t=0.5s时加入额定负载转矩,可观察到转速阶跃响应的图形如下:图7 突加阶跃型额定负载转矩的转速阶跃响应从图7中两个系统的阶跃响应可以看出，有闭环控制的电机系统转速在负载阶跃变化的情况下可以经短暂的小幅跌落后迅速调整回设定值，表现出较强的抗扰动性；而无闭环控制的电机转速则是大幅跌落且不会回复到原值，抗扰动性较弱。 综合上述现象,我们可以得到，有闭环控制的系统在受到负载扰动的时候表现出明显的抗干扰能力，这是由于闭环控制系统具有反馈环节，出现扰动的同时，系统1通过反馈及时的将扰动量传送到输入端，使得系统在原有的信号上附加额外的信息以使系统尽快的从偏离设定值到恢复为设定值，由此可以消除扰动带来的影响；但是无闭环控制的系统则比较吃亏，在没有反馈的情况下，系统无法根据输出量进行自我调节，因此，抗扰动性能比较差。从中我们也可以看到二者之间的差别。文件代码以下文件代码先是元件模型的代码，然后是开环系统bode图的M文件代码。%% findPIclose all clearclc% 电机参数设置Kt=1.03; Kv=1.03; J=0.02215; L=0.028; R