目錄前言 2雙閉環直流調速系統的工作原理 3雙閉環直流調速系統的介紹 3雙閉環直流調速系統的組成 4雙閉環直流調速系統的穩太結構圖和靜特性 5雙閉環直流調速系統的數學模型 6雙閉環直流調速系統的起動過程分析 7雙閉環直流調速系統的動態性能分析 8雙閉環直流調速系統的動態性能指標 10雙閉環直流調速系統的頻域分析 12雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用 13MATLAB語言及Simulink 14仿真技術的背景 14Matlab和Simulink簡介 14Matlab建模與仿真 15Simulink仿真工具 15控制系統計算機仿真的過程 16Simulink環境中的系統模型、仿真結果及分析 18電流環的MATLAB計算及仿真 19電流環校正前后給定階躍響的MATLAB計算及仿真 19繪制單位階躍擾動響應曲線并計算其性能指標 20單位沖激信號擾動的響應曲線 22電流環頻域分析的MATLAB計算及仿真 22轉速環的MATLAB計算及仿真 24轉速環校正前后給定階躍響應的MATLAB計算及仿真 24繪制單位階躍信號擾動響應曲線并計算其性能指標 26單位沖激信號擾動的響應曲線 27轉速環頻域分析的MATLAB計算及仿真 285總結 30附錄 31參考文獻 36致謝 37前言VCDelphiMATLABSimulinkMatlabSimulink域和頻域分析；對調速系統進行跟隨性和抗擾性分析。雙閉環直流調速系統的工作原理雙閉環直流調速系統的介紹雙閉環（轉速環、電流環）PI調節器的單閉環調速系統可以在保證系在單閉環系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只

值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很dcr理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖2-1a因而加速過程必然拖長。nIdmnIdLnIdmnInIdmnIdLnIdmnIdLI Id dIdcrO(a)

t O t(b)帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 理想快速起動過程(a)Currentdeadlinewithasinglenegativefeedbackloop (b)anidealquickstartprocessspeedcontrolsystemstartingprocess圖2-1調速系統起動過程的電流和轉速波形Fig2-1speedsystemstartofthecurrentprocessandspeedwaveform實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最

的恒流過程，按照反饋控制dm規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負反樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。雙閉環直流調速系統的組成分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節器外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和ACR一般都采用PI[1]調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度[1]PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。UiU* U* -n ASR i

i內環UctACR

TA+ IdUPE U M-+ - + d-Un n 外環 - nTG圖2-2轉速、電流雙閉環直流調速系統Fig2-2rotation、currentdoubleclosedloopDCrotationregulationsystemU*、Un

—轉速給定電壓和轉速反饋電壓nU*、U—電流給定電壓和電流反饋電壓i iASR—轉速調節器 電流調節器 測速發電TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器雙閉環直流調速系統的穩太結構圖和靜特性首先要畫出雙閉環直流系統的穩態結構圖2-3a，分析雙閉環調速系統靜特性的關鍵是掌握PI調節器的穩太特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值；不飽和——輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U

穩太時總是為零。IdU* ASR U*n + i-U -n

U-i ACR

UPEUct d0 UKs

R-IR n-dE 1/Ce圖2-3a雙閉環調速系統的穩態結構圖Fig2-3a Double-loopspeedcontrolsystemofsteady-statechart—轉速反饋系數 —電流反饋系數—Speedfeedbackcoefficient —Currentfeedbackcoefficient實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。（一）轉速調節器不飽和此時兩個調節器都不飽和，穩態時，他們的輸入偏差電壓都為零，即U*Un n

n由Un

U n

U*Ui iU*

Idn n n 0從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。由U*Ui

Id

，且ASRUi

U *Iim

I ，說明n0dm0

-A段Id0(理想空載狀態)IdIdmIdm一般都大于額定電流Idnom的。（二）轉速調節器飽和此時，ASR輸出達到限幅值Uim*，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環變成一個電流無靜差的單閉環系統。穩態時有：I Uim*Id dm從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于Idm

時表現為轉速無靜差[1]，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達Idm

到后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。CABCAB0OI I IdN dm d圖2-3b雙閉環調速系統的靜特性Fig2-3b Double-loopspeedcontrolsystemofstaticcharacteristics雙閉環直流調速系統的數學模型雙閉環控制系統數學模型的主要形式仍然是以傳遞函數[2]或零極點模型[2]為基礎的系統動態結構圖。雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖2-4所示。圖中WASR

(s)和W

s((流反饋，在電動機的動態結構框圖中必須把電樞電流Id

顯露出來。UU*U*in+W(s)W (s)K-I -IddLnsU-ASR-UACRUTs+1sUd01/RTlR+Ts1/CmEencti圖2-4 雙閉環直流調速系統的動態結構框圖Fig2-4doubleclosedloopDCrotationregulationsystemofdynamicstructurediagram雙閉環直流調速系統的起動過程分析直流調速系統突加給定電壓U*由靜止狀態起動時，轉速和電流的動態過程如圖i2-5ASR段，整個動態過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。（一）I

1）是電流上升階段。突加給定電壓U

*后，通過兩個調節器的跟隨作用，使Un

、U 、I 都上d0 d升，但是在Id

沒有達到負載電流IdL

之前，電動機還不能轉動。當Id

I 后，電dL動機開始轉動。由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節器ASR的輸入偏差電壓Unn nn

U 的數值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim*，強迫電樞電流I 迅速上升直到I I **,電流調節器很快就壓制了Id d dm i im d不再迅速增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態，而ACR一般不飽和。IIIIIIIIIOtIdmt1t2t3t4tn*IdIdLO圖2-5雙閉環直流調速系統起動過程的轉速和電流波形Fig2-5doubleclosedloopDCrotationregulationsystemstartingprocessofrotationandcurrentprofile（二）第II階段（t1～t2）是恒流升速階段。Uim*作用下的電流調節系統，基本上保持電流Id

恒定，因而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長（2-5。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長，對電流調節系統來說，E是一個線性漸增的擾動量（圖2-4。為了克服這個擾動，U 和Ud0 c

也必須基本上按線性dIACRPId其輸入偏差電壓U i im

U必須維持一定的恒值，也就是說，I 應略低于i dI ACRdm飽和。（三）III（t2以后）是轉速調節階段。n*

n 時，轉速調節器ASR0其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*輸出電壓Ui*和主電流I 也因而下降。但是，由于I 仍大于負載電流I ，轉速d d dL將在一段時間內繼續上升。直到I =I 時，轉矩T=T ，則dn/dt=0，轉速n才d dL e L能到達峰值。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應,電流出現一段小于IdL

的過程,直到穩定。雙閉環直流調速系統起動過程的三個特點：飽和非線性控制當ASR飽和時，轉速環開環，系統表現為恒值電流調節的單閉環系統；當ASR電流隨動系統。準時間最優控制在恒流升速階段，系統電流為允許最大值，并保持恒定，使系統最快起動，即在電流受限制條件下使系統最短時間內起動。轉速超調由于PI調節器的特性，只有使轉速超調，即在轉速調節階段，ASR的輸入偏差電壓UnASRPI調速系統的轉速動態響應必然有超調。雙閉環直流調速系統的動態性能分析要表現為抗負載擾動和抗電網電壓擾動。（一）動態跟隨性能ACR（二）動態抗擾性能抗負載擾動2-6aASR（突減（速升為了減少動態速降（速升ASR±I±U*U*U*Unid0IEn+-ASRACR-KsTs+1s-1/RTs+1ldRTs1/CmeUnUi2-6a雙閉環直流調速系統的抗負載擾動Fig2-6aDoubleLoopDCMotorControlSystem-loaddisturbance±?±?Ud-IdLU*nU*iKsUd01/RIdRE+-ASR-UACRTs+11/Cens-Ts+1lTsmUni圖2-6b直流調速系統的動態抗擾作用Fig2-6bDCrotationregulationsystemofdynamicturbulence-prooffunction±?U

—電網電壓波動在可控電源電壓上的反映dd±?U—Fluctuationsinthepowergridvoltagepowerdsupplyvoltagecontrolledreflectonthe抗電網電壓擾動由于電網電壓擾動和負載擾動在系統結構圖中作用的位置不同系統對它們的動態抗擾效果就不同如圖2-6b所示的雙閉環系統中電網電壓擾動U d負載擾動IdL

都作用在被轉速負反饋環包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統對它們的抗擾效果是一樣的。從動態性能上看，負載擾動IdL

n的nASR統小得多。雙閉環直流調速系統的動態性能指標自動控制系統的動態性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾主，隨動系統的動態指標以跟隨性能為主。（一）跟隨性能指標在給定信號或參考輸入信號R(t)的作用下，系統輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當給定信號變化方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態響應稱作階躍響應，如圖2-7a所示。圖2-7a典型的階躍響應曲線和跟隨性能指標Fig2-7athetypicalstepresponseprocessandtracingpropertyindexC(t)與其穩態值CC的時間越短越好。常用的階躍響應跟隨性能指標下列各項：上升時間tr2-7aCC隨過程中，輸出量從零起第一次上升到C 所經過的時間稱作上升時間，它表示動態響應的快速性。超調量σ與峰值時間tp在階躍響應過程中，超過tr

以后輸出量有可能繼續升高到峰值時間t 時p達到輸出量最大值C ，然后回落。C 超過穩態值C 的最大偏離量與穩態值max max 之比，用百分數表示，叫做超調量，即CmaxC

100%平穩。調節時間ts調節時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調節過程的快慢。理論上，線性系統的輸出過渡過程要到t過渡過程到一定時間就終止了。為了在線性系統階躍響應曲線上表示調節時間，認定穩態值上下±5%(或取±2%)也包含著它的穩定性。（二）抗擾性能指標F2-7b指標為動態降落和恢復時間。圖2-7b突加擾動的動態過程和抗擾性能指標Fig2-7bsuddenplusturbulenceofdynamicprocessandturbulence-proofpropertyindex1．動態降落C %max系統穩定運行時，突加一個約定的標準負擾動量，所引起的輸出量最大降落

max

稱作動態降落。一般用

max

占輸出量原穩態值C1

的百分數C Cmax

100%來表示（或用某基準值Cb

的百分數C

Cmax

100來表示。輸出量在動態降落后逐漸恢復，達到新的穩態值C2

（C1

C ）是系統在該2擾動作用下的穩態降落，即靜差。動態降落一般都大于穩態誤差。調速系統突加額定負載時轉速的動態降落稱作動態速降n2．恢復時間t

%。maxv從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩態，距新穩態值C2

之差進入某基準值Cb

的±5%（或取±2%）范圍之內所需的時間，定義為恢復時間t ，見v2-4b。其中Cb

稱作抗擾指標中輸出量的基準值，視具體情況選定。如果允許的動態降落較大，就可以新穩態值C 作為基準值。如果允許的動態降落較小，2則按進入±5%

范圍來定義的恢復時間只能為零，就沒有意義了，所以必須選2擇一個比新穩態值更小的Cb

作為基準。雙閉環直流調速系統的頻域分析在設計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（BodeDiagram）如圖此，伯德圖是自動控制系統設計和應用中普遍使用的方法。低頻段 中頻L/dB

高頻段-20dB/dec0 -1c圖2-8典型的控制系統伯德圖Fig2-8TypicalcontrolsystemBodeDiagram中頻段以-20dB/dec帶寬度，則系統的穩定性好；截止頻率（或稱剪切頻率）

越高，則系統的快速性越好；c低頻段的斜率陡、增益高，說明系統的穩態精度高；的能力越強。以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩態精度要求很高時，常需要放大系數大，卻可能使系統不穩定；加上校正裝置后，系統穩定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統的響應，又容易引入高頻干擾；如此等等。獲得比較滿意的結果。在伯德圖，穩定裕度是衡量最小相位系統穩定程度（即相對穩定性）的重要指標，保留適當的穩定裕度可以防止系統在各元件參數發生變化后導致不穩定，穩定裕度也能間接地反映系統動態過程的平穩性，穩定裕度大意味著震蕩弱、超調小。穩定裕度包括模穩定裕度Lh

和相穩定裕度γ，一般要求：L ≥6dBhγ≥40雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用1．轉速調節器的作用n跟隨給定電壓

*變化，當偏差電壓為零時，實現穩態無靜差。m對負載變化起抗擾作用。2．電流調節器的作用在轉速調節過程中，使電流跟隨其給定電壓對電網電壓波動起及時抗擾作用。

*變化。i起動時保證獲得允許的最大電流，使系統獲得最大加速度起動。保護作用。當故障消失時，系統能夠自動恢復正常。MATLABSimulink仿真技術的背景仿真技術作為一門綜合性的科學已有四十多年的發展歷史,其間經歷了物理BASIC、FORTRAN、PASCAL,C遍。用計算機高級程序語言編制的系統仿真程序,不但要詳盡描述各類事件的發程序也會很長,難于調試。同時,為了設計出優良的人機界面,對數據輸入方式和仿真結果的數據打印格式或圖形表達形式要大費心思。MatlabSimulinkFORTRANCMatlab1980CleveNewMexicoMatlab（MATrixLABoratory，即矩陣實驗室，它是集命令翻譯，科學計算于一身的一套交互式軟件系統，經過1984MathWorksMatlabSimulnk，該工具很快在控制界得到了廣泛的應Simula1992SimulinkSimulink的出現，MatlabCAD目前的Matlab已經成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統的交互式編程外，還提供了豐富可的矩陣運算，圖形繪制，數據處理，圖像處理，方便的Windows編程等便利工具，由各個領域的專家學者相繼推出了以Matlab為基礎的實用工具箱工具箱,其中主要有信號處理、控制系統、神經網絡、圖像處理、μMatlab必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導。Matlab提供的動態系統仿真Simulink可有效解決上述仿真技術問題。在Simulink中，建立系統模Matlab可視化工具多種多樣且易于操作。利用Simulink對動態系統做適當仿真和分結果用圖形方式顯示在示波器的窗口或將數據以數字方式顯示出來。常用的Scope，XYGraphDisplay。Simulink為了準確地把一個控制系統的復雜模型輸入給計算機,然后對之進行進一步的分析與仿真,MathWorksMATLABSimulink。MATLABToolboxSimulink性的變化。MATLABSimulink有兩個明顯的功能:仿真與連接,亦即可以利用鼠標器在模型窗口SimulinkMatlabCADSimulinkMatlabM-變仿真參數的功能。因此可以不難理解它自推出以后,就一直受到歐美和日本等國家或地區的控制界學者的青睞。Simulink比,具有更直觀、方便、靈活的優點。Simulink包含有Sinks(輸出方式)、SourceLinear(Nonlinear(Connections(連Extra(其它環節)子模型庫,而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊。用戶也可以定制和創建用戶自已的模塊。用Simulink創建的模型可以具有遞階結構,因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標雙擊其中的子系統模塊,來查看其下一級的內容,以此類推,從而可以看到整個模型的細節,幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。SimulinkMatlab鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便,而命令行方式對于Scope就可觀看到仿真結果。除此之外,用戶還可以在改變參數后能迅速觀看系統中發MatlabWorkspace(事后處理。MatlabSimulink自已的模型進行仿真、分析和修改。控制系統計算機仿真的過程控制系統，以計算機為工具，對控制系統進行實驗和研究的一種方法。通?？刂葡到y仿真的過程按以下步驟進行：第一步，建立自控系統的數學模型微分方程與差分方程，數學模型。這是解析法建立數學模型。控制系統的數學模型是系統仿真的主要依據。第二步，建立自控系統的仿真模型原始的自控系統的數學模型比如微分方程，并不能用來直接對系統進行仿真。還得將其轉換為能夠對系統進行仿真的模型。統的各種模型，這些模型都可以對離散系統直接進行仿真。第三步，編制自控系統仿真程序Basic、Fortran程序。當然也可以直接利用仿真語言。MATLABToolboxSimulinkMATLABMATLAB殊軟件工具的子集。第四步，進行仿真實驗并輸出仿真結果系統仿真的要求輸出仿真結果。Simulink環境中的系統模型、仿真結果及分析調速系統的進行仿真設計。晶閘管—直流電機雙閉環調速系統（V-M）Simulink4Pnom

=10kW,U

nom

=220V,

nom

=53.5A,

nom

=1500r/min,電樞電阻Ra

=0.31Ω，路總電阻R=0.4Ω,電樞回路電磁時間常數Ta

=0.0128s,三相橋平均失控時間T =0.00167s；觸發整流裝置的放大系數Ks

=20；系統運動部分飛輪矩相應的機電時間常數T

=0.042sKm

=0.0067Vmin/r,系統電流反饋系數K =0.072V/A，電流環濾波時間常數Ti

=0.002s；轉速環濾波時間常數T =0.01s。忽略系統的非線性，分別對系統的電流內環與轉速外環進行穩態與on動態的計算及仿真如下。4雙閉環調速系統的SimulinkofSimulinkdynamicstructurediagram首先，計算額定磁通下的電機電動勢轉速比：C Uenomn

nom

Ra0.1356Vmin/rnom[2]，將電流環設計I[1]，因為典型III[1]IIn 小，符合轉速環的設計要求。max為保證電流調節器和轉速調節器的運算放大器工作在線性特性段及保出端都設置了限幅裝置。MATLABMATLAB信號經過同樣的延滯。其傳遞函數為：1Ts1oiIPI調節器，其傳遞函數為：W (s)=

Ts1 0.0128s1i = ,

=0.32，

=0.0128=TACR

pi Ts 0.04s pi i i電流環的校正主要是對晶閘管整流與移相觸發裝置的放大倍數 Ks

進行校正，校正前Ks

=20，構成動態結構圖模型mx010.mdl；校正后Ks

=30，構成動態結構圖模型mx010a.mdl。其他參數不變，校正前、后的動態結構圖模型只是Ks的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx010a.mdl文件的動態結構圖的模型，如圖4-1-1A所示。4-1-1A帶參數電流環的Simulink的模型為mx010a.mdlFig4-1-1AthebeltparametercurrentloopSimulinkmodelisthemx010.mdldocument在程序文件方式下執行以下的MATLAB程序L157.m：%MATLABPROGRAML157.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)[y,t]=step(s1);[mp,tf]=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sgm=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf)運行該程序可得模型mx010.mdl與mx010a.mdl的單位階躍響應曲線如圖4-1-1B的(a)與(b)所示,并對于圖4-1-1B的(b)圖求出性能指標：超調量：%=4.4403%,峰值時間：t =0.0209s。p(b)圖4-1-1B電流環階躍響應Simulink曲線Fig4-1-1BthecurrentloopstepresponsetheSimulinkcurve4-1-1B(a)Ks

=20時的系統單位階躍響應，階躍響應曲線單調上升，完全無超調，并且在0.04s內響應即結束。這樣的電流環階躍響應很理想,但是電機的加速起動不夠快。4-1-1B(b)Ks

=304.4403%，符合I型系統超調量小的特點，系統曲線迅速上升，峰值時間（0.0209s）非常0.04s電機又不受什么影響。繪制單位階躍擾動響應曲線并計算其性能指標在圖4-1-1A中兩個擾動信號作用點分別施加單位階躍信號，繪制其擾動響應曲線，并求其最大動態降落與最大動態降落的時間及恢復時間。為進行仿真在信號綜合點1與2施加擾動信號是分別構成 MATLAB里的結構圖模型mx010b.mdl與mx010c.mdl，這兩個結構圖模型中的數據和圖4-1-1A相同，只是擾動信號作用點不同。單位階躍擾動信號的極性為負。在程序文件方式下執行以下調用函數dist()的MATLAB程序L157a.m：%MATLABPROGRAML157a.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)[y1,t1]=step(s1);[detac,tp,tv]=dist(1,y1,t1);[detac0,tp0,tv0]=dist(2,y1,t1);t=[0:0.01:0.2];[y2,t2]=step(s2,t);[detac1,tp1,tv1]=dist(1,y2,t2);[detac2,tp2,tv2]=dist(2,y1,t1);4-1-2(a)2detac=-0.9061

=0.0092s5%tp

=0.0459s；基準值2%范tv

=0.0580s(b)圖4-1-2電流環單位階躍信號擾動響應曲線Fig4-1-2currentloopunitstepsignalturbulenceresponsecurvemx010b.mdl4-1-2(b)1detac=-26.3855；

=0.0106s；基準值5%范ptv

=0.0900s2%tv

=0.1000s。21流環對擾動信號的抗擾能力越好。單位沖激信號擾動的響應曲線4-1-1A起沖激擾動響應曲線。在動態結構圖中單位沖激信號的信號疊加點極性為正。在程序文件方式下執行以下的MATLAB程序L157b.m：%MATLABPROGRAML157b.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx010b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);impulse(s1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);impulse(s2)214-1-3(a)與(b)所示。(b)圖4-1-3 電流環單位沖激信號擾動響應曲線Fig4-1-3currentloopunitimpulsesignalturbulenceresponsecurve電流環沖激擾動響應過程呈單調衰減如圖4-1-3(a)所示或者呈一次衰減振4-1-3(b)0.06s覺不出擾動的作用。說明電流環的抗擾性能好。MATLABBode4-1-4aSimulinkmx007d.mdl.圖4-1-4a 電流閉環系統的開環結構圖Fig4-1-4acurrentclosed-loopsystemsplit-loopstructurediagram在程序文件方式下執行以下的MATLAB程序L157c.m:%MATLABPROGRAML157c.mn1=1;d1=[0.0021];s1=tf(n1,d1);n2=[0.01281];d2=[0.040];s2=tf(n2,d2);n3=30;d3=[0.001671];s3=tf(n3,d3);n4=2.5;d4=[0.01281];s4=tf(n4,d4);n5=0.072;d5=[1];s5=tf(n5,d5);sys=s1*s2*s3*s4*s5;margin(sys)Bode4-1-4b出電流環的頻域性能指標：模穩定裕度L =18.2dB -π穿越頻率W =547rad/sh g相穩定裕度γ=63.6 剪切頻率Wc

=128rad/s圖4-1-4b 電流環的Bode圖Fig4-1-4bcurrentloopofBodediagram工程上，一般要求模穩定裕度Lh

≥6dB,相穩定裕度γ≥40足夠的穩定裕量，其頻域性能是優良的，反映了電流環具有良好的相對穩定性。MATLABMATLAB加了濾波慣性環節，其傳遞函數為：1T s1onII應選擇比例積分調節器，其傳遞函數為：W (s)=

Ts1n ，

0.0867ASR

pn Ts nn轉速環的校正主要是對轉速調節器的參數K

以及對晶閘管整流與移相觸pn發裝置的放大倍數Ks

進行校正。

=5，Kpn

=100，轉速調節器的傳遞函數為：W (s)=

Ts1 0.08671n = ，

0.0867ASR

pn

s 0.00328s nn構成動態結構圖模型mx011.mdl；

=5.3，Kpn

=30，轉速調節器的傳遞函數為：W (s)=

Ts1 0.0867s1n = ，

0.0867ASR

pn

s 0.0164s nn構成動態結構圖模型mx011a.mdl。其他參數不變，校正前、后的動態結構

Kpn

的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx011a.mdl文件的動態結構圖的模型，如圖4-2-1A所示。圖4-2-1A帶參數雙閉環系數的Simulink動態結構圖模型mx011.mdlFig4-2-1AthebeltparameterdoubleclosedloopcoefficientSimulinkdynamicstructurediagrammodelmx011.mdl用linmod()與step()函數命令并調用函數perf()MATLABL157d.m在程序文件方式下執行以下的MATLAB程序L157d.m:%MATLABPROGRAML157d.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1,'k')holdon[y1,t1]=step(s1);[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2,'k')[y2,t2]=step(s2);[sigma1,tp1,ts1]=perf(1,y1,t1);[sigma2,tp2,ts2]=perf(1,y2,t2);程序執行后，可得轉速環校正前后的單位階躍響應曲線如圖4-2-1B所示。(b)圖4-2-1B轉速環階階躍響應Simulink曲線Fig4-2-1Btherotationloopstepresponsecurve4-2-1B(a)了衰減振蕩，表明系統穩定性差。程序運行后，可得到圖14-2-1B(a)階躍響應性能指標：超調量：σ%=67.7645%；峰值時間：t =0.0258s；調節時間：t=0.1048s。p s同時可得到圖4-2-1B(b)階躍響應性能指標:超調量：σ%=34.1602

=0.0897s；tp

=0.1876s。調節時間數值均對應于5%的誤差帶。由計算圖4-2-1B(b)的性能指標數據可見轉速環的階躍響應超調量σ%<35%,峰值時間t

<0.1s,調節時間tp

<0.2s,表明系統的相對穩定性好，動態響應快，這樣的系統響應是非常理想的。繪制單位階躍信號擾動響應曲線并計算其性能指標4-2-1A12MATLABmx011b.mdlmx011c.mdl4-2-1A在程序文件方式下執行以下用linmod()與step()函數并調用dist()L157e.m:%MATLABPROGRAML157e.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011b');s1=ss(a1,b1,c1,d1);t=[0:0.01:0.5];[y1,t1]=step(s1,t);figure(1);step(s1,t);holdon[detac,tp,tv]=dist(1,y1,t1)[detac0,tp0,tv0]=dist(2,y1,t1)[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);t=[0:0.01:0.5];[y2,t2]=step(s2,t);figure(2);step(s2,t);[detac1,tp1,tv1]=dist(1,y2,t2)[detac2,tp2,tv2]=dist(2,y2,t2)程序執行后，可得轉速環的單位階躍擾動響應曲線如圖4-2-2所示。(a)與124-2-2(a)，計算t =0.05s;基準值5tp

=0.19s；基準值2%范圍的恢復時間：t =0.21s。對于圖4-2-2(b)計算其階躍擾動響應性能指標：最大動態降落：vdetac=-26.1314

=0.03s；基準值5%范圍的恢復時間：pt=0.28s;2%范圍的恢復時間：tv

=0.29s。由階躍擾動響應性能指標值可知，該系統對擾動信號具有良好的動態抗擾作用，對比兩個階躍擾動響應性能指12好。(b)圖4-2-2 轉速環的單位階躍擾動響應曲線Fig4-2-2rotationloopunitstepturbulenceresponsecurve(a)與(b)圖分別對應著擾動信號作用于 1與2兩個不同的點。對于圖4-2-2(a)，計算其階躍擾動響應性能指標：最大動態降落：detac=-1.8724；

=0.05s;基準值5%tp

=0.19s；基準值2%范圍的恢復時間：tv

=0.21s。對于圖4-2-2(b)計算其階躍擾動響應性能指標：t

=0.03s；基準值5%范圍p的恢復時間：tv

=0.28s;基準值2%范圍的恢復時間：tv

=0.29s。由階躍擾動響應性能指標值可知，該系統對擾動信號具有良好的動態抗擾作用，對比兩個階躍擾12的抗擾能力越好。單位沖激信號擾動的響應曲線4-2-1A應曲線。在程序文件方式下執行以下MATLAB程序L157f.m:%MATLABPROGRAML157f.m[a1,b1,c1,d1]=linmod('mx011b');figure(1);impulse(a1,b1,c1,d1);holdon[a2,b2,c2,d2]=linmod('mx011c');figure(2);impulse(a2,b2,c2,d2)124-2-3(a)與(b)所示。(b)圖4-2-3轉速環單位沖激信號擾動響應曲線Fig4-2-3rotationloopunitimpulsesignalturbulenceresponsecurve轉速環單位沖激擾動響應過程如圖 4-2-3(a)所示呈單調衰減或者如圖4-2-3(b)所示呈一次衰減振蕩在0.2s內就結束了，抗擾動過程亦非常短暫，統轉速外環已經感覺到擾動，但經0.2s擾動響應的過程已經結束。說明系統抗擾性能好MATLAB頻域分析是運用閉環系統的開環頻率特性曲線來分析閉環系統的響應與性能的。頻域分析的主要內容是繪制Bode圖與計算頻域性能指標。轉速閉環系統的開環結構圖如圖4-2-4a(未畫出轉速環給定平衡濾波環節),此圖即為mx011d.mdl動態結構圖，對mx011d.mdl進行仿真操作如下：圖4-2-4a轉速閉環系統的開環結構圖Fig4-2-4arotationclosed-loopsystemsplit-loopstructurediagramlinmod()margin()MATLABMATLABL157g.m:%MATLABPROGRAML157g.m[a,b,c,d]=linmod('mx011d');sys=ss(a,b,c,d);margin(sys)語句指令執行后可得Bode圖如圖4-2-4b所示。圖4-2-4b 電流環的Bode圖Fig4-2-4brotationloopofBodediagram從由圖上可得轉速環頻域性能指標：模穩定裕度L =12.6dB -π穿越頻率W =99.7rad/sh g相穩定裕度γ=剪切頻率Wc

=30.6rad/s數據顯示，模穩定裕度Lh

>6dB,相穩定裕度γ40,說明控制系統有較大的穩定裕度，反映了該系統具有良好的相對穩定性?？偨Y通過對電流環內的觸發整流裝置的放大系數Ks

的校正，利用MATLAB及其中Simulinktp通過對轉速環內PIK

Kpn的校正，使轉速環階躍響應性能指標的超調量σ%<35%,峰值時間t

s<0.1s,調節時p間t <0.2s，提高了系統的穩定性，使動態響應更平穩。由電流環和轉速環階躍sSimulink性能。MATLAB階躍擾動響應性能指標：最大動態降落detac、最大動態降落時間t

和恢復時間pt v態抗擾能力。MATLABBodeL>6dB,相穩定裕度γ>40 ，電流環和轉速環都有足夠的穩定裕度，符合實際工h程的設計要求，該系統有良好的相對穩定性。MATLAB7Simulink行仿真設計,可以迅速直觀地分析出系統的跟隨性能、抗擾性能及穩定性，使得高了開發系統的效率。對于調速系統的設計，MAT