控制系统MATLAB仿真作业

控制系统仿真学生姓名：学号：院（系）：班级：任课教师：2010年月日一两输入两输出系统选择适当的参数，用PID调节器及Smith预估器控制大滞后系统,设计一个两输入两输出系统，并用MATLAB仿真，在20%范围内改变参数，研究其性质。系统矩阵如下：要求满足≥10;≥5【一】结构图如下：设置参数如下:取K12=6,T12=1.5,τ12=30且保持不变K21=5,T21=1.2,τ21=30其PID函数为：1.G1（s）=0.05（1+1／30s+5s／0.5s+1）)2.G2（s）=0.05（1+1／30s+5s／0.5s+1）)Y1,Y2输出波形如下：【二】20%范围内改变参数，研究其性质（1）其他值保持不变，T11τ11增加，即：T12=2,τ12=50；T21=1.2,τ21=30此时：Y1,Y2输出波形如下：（2）其他值保持不变，T11τ11减小，即：T12=1,τ12=10；T21=1.2,τ21=30此时：Y1,Y2输出波形如下：（3）其他值保持不变，T22τ22增加，即：T12=1.5,τ12=30；T21=2,τ21=50此时：Y1,Y2输出波形如下：（4）其他值保持不变，T22τ22减小，即：T12=1.5,τ12=30；T21=1,τ21=10此时：Y1,Y2输出波形如下：分析总结：借助MATLAB软件我们可以轻易的模拟大滞后系统,对其进行控制仿真,Smith预估器的基本原理就是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器进行补偿力图使被延迟了τ的被调量超前反映的调节器,使调节器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程。二双闭环直流调速系统1转速、电流双闭环控制系统双闭环直流调速系统动态结构图在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数oiT按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用onT表示。2.双闭环直流调速系统计算某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路，基本数据如下：1.直流电动机：VUN220、AIN136、min/1460rnN，)min/(132.01rVCe，允许过载倍数λ=1.5；2.晶闸管装置放大系数：40sK；3.电枢回路总电阻：R=0.5Ω；4.时间常数：Tl=0.05s，Tm=0.3s;5.电流反馈系数：AVIUNim/05.01365.1105.1*；6.转速反馈系数：)min/(007.01460101*rVnUNnm。设计要求：①静态指标：无静差；②动态指标：电流超调量%5i，空载起动到额定转速时的转速超调量%10n。（一）电流环的设计1.确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数sT。三相桥式电路的平均失控时间sTs017.0；（2）电流滤波时间常数oiT。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有msToi33.32~1，因此取smsToi002.02；（3）电流环小时间常数iT。按小时间常数近似处理，取sTTToisi0037.0。2.确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求%5i，而且1011.80037.003.0ilTT，电流环典Ⅰ型系统3.电流调节器的结构选择;PI型，其传递函数为：ssKsWiiiACR14.选择电流调节器参数ACR超前时间常数：sTli03.0；电流环开环增益：故应取5.0iITK，因此11.1350037.05.05.0sTKiI于是，ACR的比例系数为Ki=KIτiR/Ksβ=(135.1*0.05*0.5)/(40*0.05)=1.689Ki/τi=1.689/0.05=33.78（二）转速环的设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数为sTi0074.02；（2）取onT=0.02；（3）按小时间常数近似处理，取nT=0.0074+0.02=0.00274。2.转速调节器的结构选择：PI型，其传递函数为：ssKsWnnnASR1。3.选择转速调节器参数取h=5，则ASR超前时间常数：τn=h*nT=5*0.00274=0.137s转速开环增益：KN=h+1/2h2T2Σn2=159.84s-1；于是ASR的比例系数为：Kn=(h+1)βCeTm/2hαRTΣn=12.388Kn/τn=90.4233双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真基于电气原理图的双闭环直流调速控制系统仿真模型如图所示。仿真算法为ode23s，Starttime设为0，Stoptime设为2.5。仿真波形如所示。电流环的仿真模型直流电动机双闭环控制系统的仿真结构图转速环空载高速起动波形图转速环满载高速起动波形图转速环抗扰波形图4分析一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图所示。双闭环调速系统起动时的转速和电流波形由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。第Ⅰ阶段：0～t1是电流上升阶段。突加给定电压*nU后，通过两个调节器的控制作用，使ctU、0dU、dI都上升，当dLdII后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压nnnUUU*数值较大并使其输出达到饱和值*imU，强迫电流dI迅速上升。当dmdII时，*imiUU，电流调节器ACR的作用使dI不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第Ⅱ阶段：t1～t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定*imU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又nCIRUeddd0，n↑→0dU↑→ctU↑，这样才能保持dI=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压iiiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流mdU0也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第Ⅲ阶段：t2以后是转速调节阶段。此时*nn，*nnUU，0nU，但由于积分作用，**imiUU，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当*nn时，0nU，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压*iU迅速下降，dI也迅速下降。但由于dLdII，在一段时间内，转速仍继续增加。当dLdII时，LeTT，0dtdn，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流dI也出现一段小与dLI的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使dI尽快地跟随ASR的输出量*iU，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：饱和非线性;转速必超调;准时间最优控制。转速环与电流环的关系：外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。5小结双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。