系统建模与仿真仿真作业结果

Simulink仿真

根据以上的分析论证，将已求得的个函数参数带入动态结构图中，初步得到图3动态结构图。

图3

根据理论得到的各参数设计后可得到理论设计条件下输出转速曲线图4。

图4

可以清楚地看出，输出转速有很大的超调最大可达84.1%，调整时长为2.65s 之久，这是我们所不能接受的。

速度调节器的设计参数与实际调试结果相差比较大，使系统对负载扰动引起的动态速降（升）缺乏有效的抑制能力，存在起动和制动过程中超调量大，突加（减）负载时，动态速降（升）大等缺点。

所以，我们对ACR和ASR的参数进行整定，特别是速度控制器的参数。我们就对其作出了适当的调整，将速度控制器的传递函数改成，将电流调节器的传递函数改为。当然，这是需要时间和经验的。

校正后的动态结构图如图5所示

图5

校正后的输出转速曲线如图6所示

图六

电流环跟随性能仿真实验

如上文所述：电流环的作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。这就需要我们对电流环的跟随性能加以分析。将电流环从系统中分离出来（将电枢电压对电流环影响看成是扰动）。电流环模型如图7所示：

图7

通过如下命令可以得到电流环的bode图和nyquist图以及电流环的单位阶跃响应。

[num,den]=linmod('current_loop')

sys=tf(num,den)

figure(1)

margin(sys)

[mag,phase,w]=bode(sys);

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w)

Figure(2)

Nyquist(sys)

Figure(3)

Step(sys)

我们还可以得到以下的数据:

gm = 4.2925

pm =47.7281

wcg =345.3056

cp =164.6317

剪切频率ωc=164.6317rad/s；相角相对裕度δ=47.7281°；-∏穿越频率ω

g=345.3056rad/s 幅值相对裕度Lh=20lg（4.2925）=12.65dB

图8电流环的bode图

图9电流环的nyquist图

图10电流环的单位阶跃响应

从图8与9种可以看出我们设计的电流环控制器是正确的，电流环是稳定的，根据剪切频率就可以看出电流的响应很快，即跟随性很好。从图10中可以更直接的看到这一点。在图20中还可以看出电流环的超调量很小（3.6%）与过渡过程时间很短（0.07s）。

转速环抗扰性能仿真

为了对转速环抗干扰能力进行更为细致的分析，我们将动态图做了如下的调整：

图11

转速环与系统输出对比

图12图13图14分别为ASR的输出与电动机转速动态特性仿真结果，ACR的输出与电动机转速动态特性仿真结果以及电动机电流与电动机转速动态特性仿真结果。

图12 ASR的输出特性

图13 ACR的输出特性

图14 电动机电流特性

（2）仿真结果分析

由图12、13、14可见，系统地工作过程可概括为如下几点：

（1）ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，即饱和限幅输出与线性调节状态；

（2）ACR从起动到稳速运行的过程中制工作在一种状态，即线性调节状态；（3）该系统对于起动特性来说，已达到预期目的；

（4）对于系统性能指标来说，起动过程中电流的超调量为5.3%，转速的超调量为21.3%。这与理论最佳设计有一定差距，尤其是转速超调量略高一些。

抗扰性能分析

实验中我们选取Start time=0.0，Stop time=5.0，仿真时间从0s到5.0s。扰动加入的时间均为3.5s。

一般情况下，双闭环调速系统的干扰主要是负载突变与电网电压波动两种。图15、绘出了该系统电动机转速在突加负载（ΔI=12A）情况下电动机电流Id与输出转速n的关系；图16、17分别绘出了电网电压突减（ΔU=100V）情况下晶闸管触发整流装置输出电压Ud0、电动机两端电压Ud，与输出转速n的关系。

图15 突加负载抗扰特性

图16 电网电压突加的抗扰性能

图17电网电压突减的抗扰性能

通过仿真分析，对于该系统的抗扰性能，我们可有如下几个结论：

（1）系统对负载的大幅度突变具有良好的抗扰能力，在ΔI=12A的情况下系统恢复时间为tf=1.2s。

（2）系统对电网电压的大幅波动也同样具有良好的抗扰能力。在ΔU=100V的情况下，系统恢复时间为tf=0.15s。

（3）与理想的电动机的起动特性相比较，该系统的起动和恢复时间显得略长一些（轻载状态下接近4s）。

实验总结

本次建模仿真实验，按我的理解是一个多学科交叉的综合性实验，在整个实验过程中，激起了我对电机学，运动控制理论的理论回忆，对于双闭环系统有了更加深刻的了解。从数学建模开始从原理进行剖析学习，当然本次实验的中心思想还是对于仿真实验的训练，Simulink的仿真练习，对各模块的仿真有了更多的了解。系统性的进行了仿真练习加深了我对仿真模型的认识与理解。我们小组在实验初期在寻找突破口的地方发生了歧义，最后在运动控制系统的第二章和第三章中找到了灵感，利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台对直流调速系统进行理论设计与调试，使得系统的性能分析过程简单且直观。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。

在对于PID控制方面的有了进一步的学习与认识。在这方面老师的帮助起到了十分重要的作用。测偏纠偏的过程是本次实验的重点也是难点，每个系统的ASR转速调节器的传递函数都有所不同因此对于这里的测偏纠偏过程就变成的一种经验的积累，在一个围寻找最适合自己系统的传递函数显得尤为重要。

参考文献

[1] 阮毅，伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].：机械工业，2009：

[2] 恩让，聂诗良.控制系统仿真[M].：中国林业；大学，2006：