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1、附一、 系統(tǒng)建模、仿真與控制實例 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計2 基于雙閉環(huán)PID控制的一階倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計3 龍門吊車重物防擺的魯棒PID控制方案4 龍門吊車重物防擺的滑模變結(jié)構(gòu)控制方案5 一階直線倒立擺系統(tǒng)的可控性研究7 問題與探究-靈長類仿生機器人運動控制6 自平衡式兩輪電動車運動控制技術(shù)研究 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法
2、三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計自70年代以來，國內(nèi)外在電氣傳動領(lǐng)域里，大量地采用了“晶閘管整流電動機調(diào)速”技術(shù)（簡稱V-M調(diào)速系統(tǒng)）。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V-M系統(tǒng)的應(yīng)用還是占有相當(dāng)比重的。 automatic current regulator (ACR) 自動電流調(diào)節(jié)器 automatic speed regulator (ASR)自動速度調(diào)節(jié)器.實際上就是調(diào)速器 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計建模根據(jù)額定勵磁下他勵直流電動機的等效電路，可以寫出回路中電壓和轉(zhuǎn)矩平衡
3、的微分方程 電動機的數(shù)學(xué)模型通過對上面兩式進(jìn)行拉氏變換后，可以得到電動機的數(shù)學(xué)模型（動態(tài)傳遞函數(shù)形式） 其中 l LT R為電樞回路電磁時間常數(shù) 2375m e mGD RT C C為電機系統(tǒng)機電時間常數(shù) 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計晶閘管觸發(fā)
4、與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的失控時間引起的?？紤]到失控時間很小，忽略其高次項，則其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)，如下式所示 0( )( ) 1d sct sU s KU s T s 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系
5、統(tǒng)設(shè)計 比例放大器、測速發(fā)電機和電流互感器的響應(yīng)通常都可以認(rèn)為是瞬時的，但是在電流和轉(zhuǎn)速的檢測信號中常含有交流分量（噪聲），故在反饋通道和給定信號前均加入濾波環(huán)節(jié)。 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計1.啟動的快速性問題 借助于PI調(diào)節(jié)器的飽和非線性特性
6、，使得系統(tǒng)在電動機允許的過載能力下盡可能地快速啟動。 圖4-5 理想電動機起動特性 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計2.提高系統(tǒng)抗擾性能 通過調(diào)節(jié)器的適當(dāng)設(shè)計可使系統(tǒng)“轉(zhuǎn)速環(huán)”對于電網(wǎng)電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動或突變等擾動予以控制（迅速抑制），在最大速降、恢復(fù)時間等指標(biāo)上達(dá)到最佳。 圖 雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載擾動特性 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程
7、設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計在圖4-7中給出了控制系統(tǒng)的PI控制規(guī)律動態(tài)過程，從中我們可知： (a) (b)圖4-7 比例積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其輸入輸出動態(tài)過程 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計1只要偏差U存在，調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓Uc就會不斷地?zé)o限制地增加。因此，必須在PI調(diào)節(jié)器輸出端加限幅裝置。2當(dāng)U =0時，Uc=常數(shù)。若要使Uc下降，必須使U 0。因此，在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中，若要使ASR退出飽狀態(tài)（進(jìn)入線形控制狀態(tài)），就一定要產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。3對于前向通道帶有慣性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，若控制器存在“積分作
8、用”，則在給定作用下，系統(tǒng)輸出一定會出現(xiàn)超調(diào)。 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計對于直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)，通常調(diào)節(jié)器均按PI形式設(shè)計，將對象設(shè)計成典型系統(tǒng)。電流環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計: 在穩(wěn)態(tài)上希望電流控制無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，而且要求電流的跟隨
9、性能要好.因此，把電流環(huán)設(shè)計校正成典型I型系統(tǒng)。1電流調(diào)節(jié)器：1( ) iACR i isW s K s 取: i lT 12I iK Ti s oiT T T i sI iK KK R 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：1( ) n ASR n nsW s K s 取: 5n nT 2n i onT T T ( 1)2 e mn nh C TK h RT 轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計: 按系統(tǒng)綜合成典型II型系統(tǒng)來設(shè)計，這樣既可以保證轉(zhuǎn)速無靜差，又有較強的抗擾性。 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模
10、型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)中采用三相橋式晶閘管整流裝置，基本參數(shù)如下：直流電動機：220V，13.6A，1480r/min，Ce=0.131V/（r/min），允許過載倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置：Ks=76；電樞回路總電阻：R=6.58；時間常數(shù)：Tl=0.018s，Tm=0.25s；反饋系數(shù)：=0.00337V/（r/min），=0.4V/A；反饋
11、濾波時間常數(shù)：Toi=0.005s，Ton=0.005s 。這里我們借助Simulink來分析一下雙閉環(huán)V-M系統(tǒng)的動態(tài)性能 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50 500 1000 1500 2000 2500 3000 理論設(shè)計條件下輸出轉(zhuǎn)速曲線 t/s n/r/m in 轉(zhuǎn)速圖4-8 理論設(shè)計條件下輸出轉(zhuǎn)速曲線 圖4-8給出了基于上述理論設(shè)計的系統(tǒng)仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速有很大的超調(diào)（并不是8.3%）。 1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計究其原因有如下幾點：1、前述的
12、理論設(shè)計沒有考慮“飽和非線性”的影響，由于起動階段ASR飽和程度太大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后需要很長一段時間來退出飽和，退飽和這段時間轉(zhuǎn)速仍然在上升，這段時間的系統(tǒng)響應(yīng)特性與積分時間常數(shù)有很大的關(guān)系；2、系統(tǒng)設(shè)計中畢竟存在幾個環(huán)節(jié)的“近似處理”。所以，下面我們需要依據(jù)經(jīng)驗，對ASR與ACR的參數(shù)在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；調(diào)整后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖4-9所示；下面進(jìn)行系統(tǒng)仿真實驗與分析。 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 圖4-9 V-M系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計通過仿真實驗，對于圖4-10，4-11，4-12所示的系統(tǒng)工作過程可概括成如下幾點：1
13、ASR從起動到穩(wěn)態(tài)運行的過程中，經(jīng)歷了兩個狀態(tài)，即飽和限幅輸出與線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。2ACR從起動到穩(wěn)態(tài)運行的過程中只工作在一種狀態(tài)，即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。3圖4-10所示的電動機起動特性已十分接近理想特性，所以，該系統(tǒng)對于起動特性來說，已達(dá)到預(yù)期目的。4對于系統(tǒng)性能指標(biāo)來說，起動過程中電流的超調(diào)量為5.3%，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量達(dá)21.3%，顯然這一指標(biāo)與理論最佳設(shè)計尚有一定的差距，尤其是轉(zhuǎn)速的超調(diào)量略高一些。 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7-4 -2 0 2 4 6 AS R輸 出/ V 0 400 800 1200 1600 2000 t/
14、s 轉(zhuǎn)速 n/r/ min ASR輸出 轉(zhuǎn)速圖4-10 ASR的輸出特性 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 0 1 2 3 4 5 AC R輸 出/ V 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉(zhuǎn)速 n/r/ min 轉(zhuǎn)速 ACR輸出圖4-11 ACR的輸出特性 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7-10 -2 6 14 22 30 電動 機電 流/ A 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉(zhuǎn)速 n/r/ min 電動機電流 轉(zhuǎn)
15、速 =5.3% =21.3% 圖4-12 電動機起動特性 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 一般情況下，雙閉環(huán)直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的外部干擾主要是“負(fù)載突變與電網(wǎng)電壓波動”兩種情況，因此圖4-13，4-14中分別給出了該系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速在突加
16、負(fù)載及電網(wǎng)電壓突減情況下動態(tài)特性的仿真分析。 -10 -4 2 8 14 20 電動 機電 流Id /A 0 1 2 3 4 50 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉(zhuǎn)速 n/r/m in 1A 13A 轉(zhuǎn)速 電動機電流圖4-13 突加負(fù)載抗擾特性 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 0 100 200 300 400 500 Ud 0/V 0 1 2 3 4 50 400 800 1200 1600 2000 t/s 轉(zhuǎn)速 n/r/ min 轉(zhuǎn)速 Ud0圖4-14 電網(wǎng)電壓突加抗擾特性 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計通過仿真實驗，對于該系統(tǒng)的抗
17、擾性能，我們可有如下幾點結(jié)論：1系統(tǒng)對負(fù)載的大幅度突變具有良好的抗擾能力，在I=12A的情況下系統(tǒng)速降為n=44r/min，恢復(fù)時間為tf=1.5s。2系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的大幅波動也同樣具有良好的抗擾能力。在U=100V的情況下，系統(tǒng)速降僅為9r/min，恢復(fù)時間為tf=1.5s。3與理想的電動機的起動特性相比較，該系統(tǒng)的起動和恢復(fù)時間顯得略長一些（輕載狀態(tài)下接近4s）。 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)建模 1.1 電動機的數(shù)學(xué)模型 1.2 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型 1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 二、電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計 2.1 雙閉環(huán)控制的目的 2.2 關(guān)于積分調(diào)節(jié)
18、器的飽和非線性問題 2.3 ASR與ACR的工程設(shè)計方法 三、仿真實驗 3.1 起動特性 3.2 抗擾性能 四、結(jié)論 4.1 直流電動機轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計1仿真結(jié)果與理論設(shè)計有一定的差距，由圖4-12可見，電流動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量為=5.3%（理論值為4.3%），轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)超調(diào)量為=21.3%（理論值為8.3%）。另外，ASR與ACR的參數(shù)與理論設(shè)計值也有差距。從仿真結(jié)果上看，系統(tǒng)還未調(diào)整到最佳狀態(tài)，這一點可從動態(tài)過渡時間及動態(tài)恢復(fù)時間上來看，對于小功率電動機來說系統(tǒng)的響應(yīng)慢了一點。 2.如果我們在實際裝置上再對系統(tǒng)進(jìn)行實際調(diào)整，我們還會發(fā)現(xiàn)：實際調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果還將有一些差距，而與理論分析結(jié)果的差距可能更大一些（主要的調(diào)節(jié)器參數(shù)）。 Thank you !
直流電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計
