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《matlab語言、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)：電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、MATLAB語言、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)：電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：設(shè)計(jì)者：學(xué)號(hào)：華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院200年1月電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真一、簡(jiǎn)介直流電機(jī)是控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可以直接提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或和輪子、滾筒和皮帶等耦合提供運(yùn)動(dòng)的傳遞。電機(jī)的原理框圖如圖1所示。圖1電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖電機(jī)的物理參數(shù)由電機(jī)生產(chǎn)廠家和實(shí)驗(yàn)獲得。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=3.2284′10-6kg.m2/s2；機(jī)械阻尼系數(shù)b=3.5077′10-6Nms；機(jī)電常數(shù)K=Ke=Kt=0.0274Nm/Amp；電樞電阻R=4ohm；電樞電感L=2.75′10-
2、6H。輸入信號(hào)電樞電壓V，輸出信號(hào)為軸的位移q。假定轉(zhuǎn)子和軸均為剛性。1．電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立分析電機(jī)工作原理，可根據(jù)基爾霍夫定理和牛頓定理建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：（1）將式1-1取拉氏變換整理后可得電機(jī)的傳遞函數(shù)：（2）如選擇電機(jī)位置、速度和電樞電流作為狀態(tài)變量，可建立其狀態(tài)空間模型為：（3）2．設(shè)計(jì)目標(biāo)希望能精確控制電機(jī)的位置，即要求電機(jī)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，同時(shí)希望因擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差也能為零。對(duì)于動(dòng)態(tài)性能的要求，希望電機(jī)能較快且平穩(wěn)，期望調(diào)節(jié)時(shí)間Ts為40ms，超調(diào)量小于16%。根據(jù)時(shí)域和頻域指標(biāo)的關(guān)系，可將時(shí)域性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換為頻率響應(yīng)的約束條件。如系統(tǒng)的帶寬與閉環(huán)系統(tǒng)
3、自然振蕩頻率wn和阻尼比z有關(guān)，而zwn與調(diào)節(jié)時(shí)間有關(guān)。相角裕度PM和阻尼比z有關(guān)，進(jìn)而與超調(diào)量相關(guān)。（4）zeta=-log(.16)/sqrt(pi^2+(log(.16))^2);PM=100*zeta;wbw=(4/(0.04*zeta))*sqrt((1-2*zeta^2)+sqrt(4*zeta^4-4*zeta^2+2));得z>0.503，PM>50.3deg，wbw>252rad/sec3．校正前電機(jī)開環(huán)頻率響應(yīng)首先用MATLAB描述電機(jī)模型，并觀察電機(jī)的開環(huán)頻率特性。J=3.2284e-6;b=3.5077e-6;K=0.0274;R=4;L=
4、2.75e-6;num=K;den=[(J*L)((J*R)+(L*b))((b*R)+K^2)0];motor=tf(num,den)bode(motor)margin(motor)圖2電機(jī)開環(huán)頻率特性曲線由圖2知原系統(tǒng)的相角裕度為61.9deg，截止頻率為31.6rad/sec，由此判斷閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間不能滿足設(shè)計(jì)要求。期望的截止頻率為250rad/sec，相角裕度為50deg，而校正前系統(tǒng)在250rad/sec處的幅度為-30dB，相角為-166deg。需增加系統(tǒng)截止頻率和相角裕度。二、閉環(huán)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)1．概述將電機(jī)的位置信號(hào)用傳感器測(cè)量，構(gòu)成閉環(huán)，系統(tǒng)
5、閉環(huán)控制框圖如圖3所示，控制器設(shè)計(jì)采用串聯(lián)校正，設(shè)計(jì)思想采用開環(huán)頻率特性設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率性能指標(biāo)確定校正器參數(shù)。圖3閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求確定系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)；根據(jù)調(diào)節(jié)時(shí)間的要求確定截止頻率。（2）確定未校正系統(tǒng)需增加的最大相位超前角及新的幅值穿越頻率；（3）確定控制器的傳遞函數(shù)；（4）校驗(yàn)，驗(yàn)算校正后系統(tǒng)性能。2．控制器設(shè)計(jì)（1）確定控制器的結(jié)構(gòu)串聯(lián)校正有相位超前、相位滯后和相位滯后-超前的不同結(jié)構(gòu)，需根據(jù)性能指標(biāo)的要求靈活確定。根據(jù)擾動(dòng)下系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差的要求，控制器應(yīng)含一個(gè)積分環(huán)節(jié)，但加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，相角就增加了-90de
6、g，為抵消積分環(huán)節(jié)的相位滯后，需添加一個(gè)零點(diǎn)，構(gòu)成PI控制器，零點(diǎn)的位置以低于截止頻率10倍頻程即可。由期望的截止頻率wc所對(duì)應(yīng)的幅值Mag（wc），確定PI的增益Kp，Ki。（5）（6）由此確定PI控制器的傳遞函數(shù)為：（7）w=logspace(0,4,101);[mag,phase,w]=bode(num,den,w)L=find(w>250);wc=w(L(1))Mag=20*log10(mag(L(1)))Kp=10^(-Mag/20)Ki=0.1*wc*Kpsysc=tf([KpKi],[10])bode(sysc*motor)根據(jù)圖4所示，加PI校正后
7、系統(tǒng)的截止頻率滿足要求，但相角裕度僅為7deg，需增加超前校正環(huán)節(jié)，欲增加的相角由超調(diào)量的要求確定。圖4PI校正后系統(tǒng)BODE圖（2）確定超前校正環(huán)節(jié)參數(shù)根據(jù)超前校正步驟，已知待補(bǔ)償相角和計(jì)算校正器參數(shù)a和T。（8）（9）由此確定超前校正控制器的傳遞函數(shù)為：（10）a=(1+sin(PM*pi/180))/(1-sin(PM*pi/180));[mag0,phase0,w0]=bode(sysc*motor);adb=20*log10(mag0);am=-10*log10(a);wgc=spline(adb,w0,am);T=1/(wgc*sqrt(a));con
8、2=tf(
