1、物理與電子工程學院 自動控制原理課程設計報告書 設計題目 電動車控制系統設計 專 業： 自動化 班 級： 2012級自動化二班 學生姓名: 金世傳 學 號: 2012341232 指導教師： 樊炳航 2015年 6月 22日物理與電子工程學院課程設計任務書專業： 自動化 班級： 2012自動化本科2班 學生姓名金世傳學號2012341232課程名稱現代控制理論基礎設計題目電動車控制系統設計設計目的、主要內容（參數、方法）及要求電動車控制系統設計要求：1、 查資料，建立相應的數學模型2、 寫出給定任意參數，分析頻域性能和時域性能3、 設定更好的性能指標，并利用根軌跡或者頻域校正實現，也可以利用狀

2、態反饋實現。4、 利用MATLAB畫出相應的時域、頻域圖,比較校正前后的效果5、 利用自動控制原理知識分析所得到的系統信息工作量14天時間，每天2學時，共計28學時進度安排（1） 前20個學時建立模型、頻域、時域分析（2） 后8個學時畫伯德圖MATLAB仿真及其寫報告主要參考資料1 單長吉,李林 SIMULINK在R-L-C電路中的分析應用J.昭通師范高等專科學校學報.  2 張曉華.系統建模與仿真M. 清華大學出版社. 2006-12-01 3王國志 . 王紅艷 . Simulink在電力電子系統中的應用J.許昌學院學報.20094張翔.趙韓.錢立軍.

3、advicor軟件的混合仿真方法J.計算機仿真2005，（2）12-15指導教師簽字教研室主任簽字摘 要本設計依據經典自動控制原理，首先在理論上從時域和頻域兩個方面分析了火星漫游車轉向控制系統的穩定性，并借助仿真軟件MATLAB（矩陣實驗室）繪制了其頻域特性圖像。最后使用校正原理中串聯超前校正法和三頻段概念對該系統在頻域上進行了串聯超前校正，使其達到一定的穩定要求。在分析的過程及校正的過程中大量使用了仿真軟件MATLAB（矩陣實驗室），其繪制出來的曲線精準、清晰，保證了結果的可靠性和準確性。關鍵詞：電動車控制；自動控制原理；MATLAB目 錄0 引言- 1 -1 概述- 1 -2 數學模型-

4、2 -3系統穩定性分析- 4 -3.1時域分析法- 4 -3.2根軌跡分析法- 6 -3.3頻域分析法- 7 -4 心得體會- 8 -參考文獻- 8 -附錄- 9 -0 引言隨著時代的變遷，電動車已成為未來交通工具的主力軍。電動車環保節能，制造工藝簡單，可以大批量生產，使用方便，不僅如此，還可以回收利用，是新時代發展前進的科技產物，未來有很大的發展空間。1 概述本設計的主要目的是研究電動車控制系統的穩定性分析。如圖1-1（a），是近年來使用廣泛的電動車，該電動車以電池為儲能元件，后輪和前輪是由電動機將電能轉化為動能，提供行駛的動力。配合車檔位的油門裝置實現調速功能。其原理圖如圖1-1（b）圖1

5、-1(a)動力拖動系統和控制器電動機檔位圖1-1（b）2 數學模型2.1 整流裝置數學模型經過查閱相關資料，整流裝置采用由MOSFET、IGBT或GTO等全控型電力電子器件構成的橋式電路，可近似看作為一階慣性環節，則整流裝置的數學模型為： 式(2-1-1)式中，為電力電子器件的放大倍數，為橋式整流電路的失控時間2.2他勵直流電動機動態數學模型他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路如圖2-2-1所示，假定動態主電路電流連續，動態電壓方程如式（2-2-1）。 式(2-2-1)忽略粘性摩擦，則電動機軸上的動力學方程如式（2-2-2）。 式(2-2-2)其中，是包含電機空載轉矩在內的負載轉矩，是電力拖動

6、裝置折算到電動機上的飛輪慣量。額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別如式（2-2-3）和（2-2-4）所示。 式(2-2-3) 式(2-2-4)其中，是電動機額定勵磁下的轉矩系數為方便計算，我們定義下列時間常數：表示電樞回路電磁時間常數， 式(2-2-5)表示電力拖動系統機電時間常數， 式(2-2-6)將式（2-2-3）、式(2-2-4)、式(2-2-5)和式(2-2-6)代入式(2-2-1)和式(2-2-2)中，整理可得： 式(2-2-7) 式(2-2-8)式中為負載電流，在零初始條件下，對式(2-2-7)和式（2-2-8）進行拉普拉斯變換，最后便可得到下列式（2-2-9）和式（2-2-10）

7、。 式(2-2-9) 式(2-2-10)將式（2-2-9)和式（2-2-10)繪制成結構框圖得 圖2-2-1 電動機模型忽略電動機的負載擾動，也即忽略，則電動機的數學模型如下： 式(2-2-11)為了方便計算，暫且人為設定電動機的各參數：，再2.1章節結合本章節內容便可得到圖1-1-2所示的電動機控制系統的結構框圖，如圖（2-2-2）所示 圖2-2-2 系統結構框圖3系統穩定性分析 3.1時域分析法忽略轉速調節控制器ASR，則可以得到圖2-2-2所示系統在單位負反饋下的閉環傳遞函數如式（3-1-1）所示： 式(3-1-1)使用MATLAB繪制的單位階躍響應如圖3-1-1所示，（程序見附錄1）圖

8、3-1-1 單位階躍響應由閉環傳遞函數可知，該系統是一個高階系統，其閉環極點和零點在左半s開平面上雖有各種分布模式，但距虛軸的距離各有不同，距虛軸最近的極點周圍沒有閉環零點，其他的極點又遠離虛軸，則這個極點歲時間的推移衰減速度緩慢，在系統的響應過程中起到主導作用，這樣的閉環極點稱作閉環主導極點。對與高階系統，其動態性能指標的確定比較復雜，工程上常采用閉環主導極點的概念對高階系統進行近似分析。根據式（3-1-1)求得極點為: （-3，0）， （-0.5，-1.5）（-0.5,1.5 ）使用matlab繪制的零極點分布圖如圖3-1-2：（程序見附錄2） 圖3-1-2 系統零極點分布圖在圖3-1-2

9、中，可以明顯的看出，和這對共軛復根最靠近虛軸，并且這個極點遠離、，則可以認為和這對極點為主導極點。根據主導極點的概念，可以用主導極點構成的二階系統的動態性能指標進行對三階系統的評動態性能估。、組成二階系統為： 式(3-1-2)3.2根軌跡分析法1、根軌跡的起點和終點由圖2-2-2可得到系統的開環傳遞函數如式(3-2-1）所示，根軌跡的起點為（-10，0）、（ -0.5，0.553）、（-0.5，-0.553），終點為無窮遠處。 式(3-2-1）2、根軌跡的分支數、對稱性、連續性分支數為3，關于X軸對稱。3、根軌跡的漸近線 式(3-2-2）由式(3-2-2）解得與實軸的交角,K=0、1、2時：/

10、3、5/3。 式(3-2-3）由式(3-2-1）開環系統傳遞函數可得，=-4，=0，則根據式(3-2-3）可以求得=-1.33，則漸近線和實軸交點為（-1.33,0）。4、根軌跡在實軸上的分布根軌跡的分布區間為：-1，-0.38、- -2.63。5、根軌跡的分離點與分離角由公式可解得分離點：d=-0.667。6、與虛軸的交點令s=,代入式(3-2-1），同時使實部為0，可以解得和虛軸的交點為（0,2）和（0，-2）。使用matlab繪制的根軌跡圖如圖（3-1）。（程序見附錄3）圖 3-2-1 系統的根軌跡根據根軌跡圖， K在0 0.0926區間內，有相同的實根，處于過阻尼狀態，系統無超調，K在

11、0 7.8對應的存在兩個具有負實部的共軛復根和一個正虛根，階躍響應為衰減震蕩過程，當K在7.8 時，存在正實根，則階躍響應為發散不收斂的。由圖 3-2-1所示的根軌跡圖，結合主導極點的概念，左側實軸上的根軌跡忽略不計，從而用二階系統近似三階系統的動態性能，則當取某一K值時，將對應有一對共軛復根，它們構成一個二階系統，則可以實現系統的分析，求得相應的動態指標。3.3 頻域分析法控制系統中的信號可以表示成不同頻率正弦信號的合成，系統的頻率特性反映了正弦信號作用下系統響應的性能，應用頻率特性研究線性系統的經典方法稱為頻域分析法。利用matlab繪制系統的開環頻率特性，如圖3-3-1所示。（程序見附錄

12、4。）圖3-3-1 開環頻率特性由圖3-3-1可知，在幅頻曲線大于零時，相頻曲線未穿越-180°線，則N=0，的開環正實部極點個數P=0，則有閉環正實部極點個數Z=P+2N=0，系統穩定，其中相角裕度為85.6°，幅值裕度為17.5dB4、心得體會通過此次的系統控制設計，使我的理論知識有所鞏固，以實踐加深對理論的運用，是學好系統控制的好方法。沒有與工業生產技術結合的技術是不成熟的技術，唯有與工業接軌，不斷的更新自己的理念，做到更好。參考文獻1胡壽松.自動控制原理(第五版)M .北京：科學出版社.2007.2張德豐. MATLAB控制系統設計與仿真M .北京：電子工

13、業出版社.20103王暄，曹輝，馬永華 . 電機拖動及其控制技術M中國電力出版社 2010-7-1附錄附錄1>> num=2;>> den=1 4 4 1;>> g=tf(num,den)>> G=feedback(g,1)>> t=0:0.01:15;>> step(G,t)附錄2num=2;>> den=1 4 4 3;>> g=tf(num,den)>> zplane(num,den)>> zpk(g)附錄3 >> num=2;>> d

14、en=1 4 4 1;>> rlocus(num,den)附錄4>> num=2;>> den=1 4 4 1;>>kaig=tf(num,den);>> margin(kaig)課程設計成績評定表院系： 物理與電子工程學院 班級： 自動化2班 姓名： 金世傳 學號： 2012341232 項目分值優秀(x90%)良好(90%>x80%)中等(80%>x70%)及格(70%>x60%)不及格(x<60%)評分參考標準參考標準參考標準參考標準參考標準平時考核20學習態度認真，科學作風嚴謹，嚴格保證設計時間并按任務

15、書中規定的進度開展各項工作。學習態度比較認真，科學作風良好，能按期圓滿完成任務書規定的任務。學習態度尚好，遵守組織紀律，基本保證設計時間，按期完成各項工作。學習態度尚可，能遵守組織紀律，能按期完成任務。學習馬虎，紀律渙散，工作作風不嚴謹,不能保證設計時間和進度。課程設計報告報告內容組織書寫20結構嚴謹，邏輯性強，層次清晰，語言準確，文字流暢，完全符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙非常工整、清晰。結構合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準確，文字流暢，符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙工整、清晰。結構合理，層次較為分明，文理通順，基本達到規范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰。結構基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強達到規范化要求；圖紙比較工整。內容空泛，結構混亂，文字表達不清，錯別字較多，達不到規范化要求；圖紙不工整或不清晰。技術水平20設計合理、理論分析與計算正確，文獻查閱能力強、引用合理、調查調研非常