matlab实验五直流电机拖动系统控制器设计.doc
实验5直流电机拖动系统控制器设计1CONTROLSYSTEMTOOLBOXSISO根据设计工具2的实验方法HELP下CONTROLSYSTEMTOOLBOX总结报告1中波形图设计介绍的方法和步骤SISODESIGNTOOL简介SISODESIGNTOOL是MATLAB一个图形用户界面GUI设计工具，可用于分析和调整SIS反馈控制系统。它可以使用根轨迹图/伯德BODE设计控制器图。由于采用了GUI，用户可以自动显示根轨迹图和伯德图，而无需从键盘输入许多操作命令。用鼠标可以直接操作屏幕上的对象，并与SISO可视分析工具动态连接LTIVIEWER设计结果立即显示，用户可以在观看闭环响应时调整控制器的增益、极点和零点，1直到设计了满足要求的控制器T引。下图为电枢控制直流电机拖动惯性负载的原理图，涉及电压U为输入，转速W为输出，R，L电感是电枢电路的电阻，KM是电机的转矩系数，KB是反电动势系数，KF是电机与负载相结合的粘性摩擦系数，J是电机与负载相当于电机轴的旋转惯量。已知R20Ω，L05H，KMKB0015，KF02NMS，J002㎏㎡。已知R20Ω，L05H，KMKB0015，KF02NMS，J002㎏㎡。控制系统的性能要求小于05S，稳态误差小于5，超调量小于10，增益量大于20DB，相位裕度大于40DEG。以电压U为输入，以速度W为输入。根据已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程，可以找到电机系统的数学模式。以上直流电机可形成闭环控制系统。如图2所示，设计控制器C是该系统的单位阶跃响应，应满足上述性能要求。3设计过程用SISODESIGNTOOL设计直流电机系统控制器的步骤如下(1)输入直流电机的模型。在MATLAB在命令窗口中输入以下句子，在工作空间中建立直流电机的传输函数模型G。NUM2DEN182GTFNUM,DENTRANSFERFUNCTION2S28S打开设计工具，导入系统模型。在MATLAB命令窗口输入命令SISOTOOLG,会打开CONTROLESTIMATIONTOOLSMANAGER(图3)和SISODESIGNFORSISODESIGNTASK两个GUI后者显示了系统G的根轨迹和开环伯德图。SISOTOOLG图3控制和估的阶跃响应曲线和参数。在CONTROLANDESTIMATIONTOOLSMANAGER的ANALYSISPLOTS设置选项卡PLOT1为STEP，然后在CONTENTSOFPLOT中选中CLOSEDLOOPRTOY,此时弹出的LTIVIEWER如图4所示，观察当前单位负反馈闭环系统的阶跃响应曲线。可见系统的响应时间和稳态值不符合要求，需要校正设计。图4校正前系统的单位阶跃响应曲线(3)系统校正设计。根据控制原理，增加增益值可以改善系统的动态响应，增加积分链接可以消除静态误差；可分别在图3中COMPENSATOREDITOR选项卡或SISODESIGNFORSISODESIGNTASK控制器设计窗口。以后者为例，点击右键在界面上添加积分链接，增加积分链接后的根轨迹和伯德图如图5所示。图5增加积分链接后的根轨迹和伯德图LTIVIEW窗口中的阶跃响应曲线也实时更新(界面右下角需要选择REALTIMEUPDATE选项)。可以看出，引入积分环节后，系统变成了系统稳定的系统，增益裕度和相位裕度都符合要求；但由于LTIVIEWER可以发现窗口的系统响应曲线符合要求，但速度很差。因此，控制器的增益可以适当增加。在图5中3个小方框代表系统的闭环极点在S平面上的位置，用鼠标沿根轨迹拖动小方框，调整控制器的增益，随之LTIVIEW跟着改变。无论如何拖动，系统都无法满足性能要求。因此，仅仅控制比例积分是不够的，可以增加先进的校正环节。ADDPLOE/ZEROLEAD添加的零极点进行拖动，使补偿零点尽量接近系统最左边的极点，补偿的极点放在零点右边添加了超前校正环节后，仍然有参数达不到要求，需要进行调整，可以在BODE将添加的零极点拖动到控制器增益值，观察直流电机系统的闭环阶跃响应，通过简单的修正，可以获得符合要求的控制器参考文献MATLAB在直流电机控制系统校正设计中的应用湖南工业大学MATLAB1040170800802班自动化1003班实验报告讲师张满生系电气与信息工程学院姓名