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实验五直流电机拖动系统控制器设计1实验目的学会CONTROLSYSTEMTOOLBOXSISO设计工具的使用2实验方法按照HELP下CONTROLSYSTEMTOOLBOX中“波形图设计”介绍的方法及步骤进行3总结报告1SISODESIGNTOOL简介SISODESIGNTOOL是MATLAB中一个图形用户界面GUI的设计工具，可用来分析和调整SIS反馈控制系统。它能用根轨迹图／伯德BODE图进行控制器的设计。由于采用了GUI，用户无需从键盘输人许多操作命令，导入系统各个环节的模型后就能自动显示根轨迹图和伯德图，用鼠标可以直接对屏幕上的对象进行操作，并且与SISO动态连接的可视分析工具LTIVIEWER马上显示出设计结果，这样用户可以一边看闭环响应，一边调整控制器的增益、极点和零点，直到设计出满足要求的控制器为止‘1T引。2设计和仿真示例下图是电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有电压U为输入，转速W为输出，R，L为电枢回路电阻，电感，KM是电动机转矩系数，KB是反电动势系数，KF是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，J是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知R20Ω，L05H，KMKB0015，KF02NMS，J002㎏㎡。控制系统性能要求为上升时间小于05S，稳态误差小于5,超调量小于10，增益裕量大于20DB，相位裕量大于40DEG。取电压U为输入，转速W为输入，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模式为用上述的直流电机可以构成闭环控制系统，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设计直流电动机系统控制器的步骤如下(1)输入直流电机的模型。在MATLAB的命令窗口内输入下列语句，即可工作空间里建立直流电机的传递函数模型G。NUM2DEN182GTFNUM,DENTRANSFERFUNCTION2S28S2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窗口，后者显示的是系统G的根轨迹和开环伯德图。SISOTOOLG图3控制和估算工具管理器根轨迹和开环伯德图(2)观察闭环系统的阶跃响应曲线及参数。在CONTROLANDESTIMATIONTOOLSMANAGER的ANALYSISPLOTS选项卡中，设置PLOT1为STEP，然后在CONTENTSOFPLOT中选中CLOSEDLOOPRTOY,此时弹出的LTIVIEWER窗口中观测到当前单位负反馈闭环系统的阶跃响应曲线，如图4所示。可看出系统的响应时间及稳态值均不满足要求，需要进行校正设计。图4校正前系统的单位阶跃响应曲线(3)系统校正设计。由控制原理可知，增加增益值可以提高系统的动态响应，增加积分环节可以消除静态误差；可以分别在图3的COMPENSATOREDITOR选项卡或SISODESIGNFORSISODESIGNTASK窗口进行控制器设计。以后者为例，可以在界面上点击右键添加积分环节，增加积分环节后的根轨迹和伯德图如图5所示。图5增加积分环节后的根轨迹和伯德图此时LTIVIEW窗口中的阶跃响应曲线也随之实时更新(需要选中该界面右下角的REALTIMEUPDATE选项)。可以看见引入积分环节后系统变为一个系统稳定的系统，增益裕度和相位裕度均满足要求；但是由于LTIVIEWER窗口的系统响应曲线可以发现，系统稳态误差满足要求，但是快速性很差。因此，可以适当增加控制器的增益。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。不管如何拖动，均无法使得系统满足性能要求。因此，系统仅采用比例积分控制还不够，可以增加一个超前校正环节。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图上对添加的零极点进行拖动来调整控制器增益的值，并观察直流电机系统的闭环阶跃响应，通过简单的修正即可得到满足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MATLAB实验报告指导老师张满生院系电气与信息工程学院姓名罗立学号10401700802班级自动化1003班