直接转矩控制的基本原理和仿真研究
摘要：直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，在交流传动领域内发展迅速的一种高性能调速技术，该控制方法以其思路新颖、结构简单及性能良好等优点引起了广泛关注和研究。与矢量控制技术不同，直接转矩控制技术采用定子磁场定向，直接将磁通和电磁转矩作为控制量，对电磁转矩的控制更加简捷快速，提高了系统的动态响应能力。由于直接转矩控制技术本身的固有优势，使直接转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。本文将直接转矩控制技术应用于异步电机中，从异步电机的数学模型岀发，介绍了直接转矩控制技术的基本理论。在深入剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化，在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形
磁链控制系统仿真模型。仿真结果表明，直接转矩控制技术动态响应能力快，控制方法直接，但是低速性能较差，低速状态下存在转矩脉动过大，定子电流畸变严重等缺点。
关键字：直接转矩控制，异步电机，simulink
The Basic Principle and Simulation Study of Direct
Torque Control
Kong Fei,Ye Zhe n, Shao Zhuyu
Abstract: Direct Torque Control (DTC> technology is a high-speed technology in the field of AC drive following the technique of vector control and it has rapid development in recent years.This control strategy attracts wide attention and research for its novel idea, simple structure and good performance. Differ from the vector control technologies, DTC technology uses the stator flux orientation and directly makes the flux and electromagnetic torque as the control volume, therefore the control of the electromagnetic torque is simple and fast, the system dynamic response capability is improved. Due to the inherent advantages of DTC technology, its theoretical research and technological development is receiving increasing attention, also the pace of progress faster and faster.In this article, we make direct torque control techniques applied to asynchronous motors. From a mathematical model of induction motor starting, introduced the basic theory of DTC technology. Based on depth analysis of the basis and principles, we module the DTC algorithm. In the Simulink environment, the asynchronous motor direct torque control system of quasi-circular flux simulation model is established. Simulation results show that the DTC technologies has fast dynamic response capability and directly control method, but the low-speed performance is poor, such as torque ripple is too large in low speed state and the stator current distortion is serious. Key words:direct torque control (DTC>,asynchronous motor,simulink 1前言 直接转矩控制技术作为一种新颖的电机控制策略，基本思想就是直接将电磁转矩作为被控制量，与矢量控制相比，无需进行复杂的坐标变换，对电机的控制更加快捷迅速，控制系统的动态响应能力得到进一步提高。为了将直接转矩控制方法应用于异步电机中，我们在分析三相异步电机的数学模型基础上，详细阐述直接转矩控制的基本原理，并将各个部分模块化，在MATLAB/Smulink环境下建立了直接转矩控制仿真模型进 行了仿真研究。2直接转矩控制的基本原理和仿真模型 2.1直接转矩控制的基本原理和仿真图2.1.1直接转矩控制的基本原理 图1直接转矩控制系统的基本原理图 如图所示1。其基本原理是将速度传感器检测出的电机实际转速 n 与电机给定转速 n* 比较的值输入 PI 调节器后得到给定转矩值 ；由霍尔传感器得到的异步电机定子电压和 电流经过磁链和转矩转矩估计器得到转矩实际值 ，两相定子磁链分量 、 以及定子 磁 链幅值.口。定子磁链幅值冋与给定的磁链幅值比较后输入磁链滞环调节器得到磁链信 号尸；给定转矩值 与转矩实际值 经过比较后输入到转矩滞环调节器得到转矩信号 I ;定子磁链在两相静止坐标系下的 、.计分量经过区间判断单元得到定子磁链所处扇 区信号 ；磁链开关信号 丙、转矩开关信号厂 以及定子磁链扇区信号 通过查阅开 关表得到所要的电压矢量信号 、 、 进而控制异步电机运行状态。 2.1.2直接转矩控制的仿真模型总图 异步电机直接转矩控制系统主要由以下几个子系统组成：异步电机模型、转速调 节器、磁链信号和转矩信号产生模块、定子磁链扇区判断模块、电压矢量选择模块和 逆变器模块组成，完整系统模型图如图 2所示。 Ude 图2异步电机直接转矩控制 22三相异步电机的基本原理和仿真模块2.2.1三相异步电机的数学模型 要想对三相异步电机进行高效控制，其数学模型的准确建立是不可或缺的。如大家所知，三相异步电机本身是一个非线性、强耦合的高阶多变量系统，建立一个系统的、完整的反映异步电机真实性能的数学模型是研究直接转矩控制技术在异步电机中应用的理论基础。为了建立三相异步电机数学模型，一般在异步电机理论基础上进行如下的假设：<1）忽略空间谐波，设电机三相绕组对称分布，在空间互差120 °电角度，各项电流所产 生的磁动势沿气隙空间正弦规律分布。 <2）忽略磁路饱和，电机定转子表面光滑。 <3）忽略铁心损耗。 <4）忽略频率变化和温度变化对电机绕组电阻的影响。 在上述假设基础上，由于电机的电压和电流测量都处于静止坐标系中，因而若将三相异步电机的在三相静止坐标系下的各个状态方程变换到两相静止坐标系下，会简化数学模型和状态方程，两相静止坐标系一般称为 a - 3坐标系，如图3中 定子坐标系和两相静止坐标系下的定子电流，三相/两相变换矩阵如式<1-1 ）。 <1-1) 图3坐标变换关系图 异步电机数学模型在两相静止坐标系下的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方 程和运动方程，具体如下： 电压方程： 的定子电流分量， ，口为两相静止坐标系下转子电流分量， ，为电机定子和转子每 相电阻， 为定子自感， 为转子自感， 为定转子互感，p 代表微分运算。 I ,」 为两相静止坐标系下定子磁链分量， I ,丨分别为两相静止坐标系下转子磁链分量。 代表电机电磁转矩， E 代表负载转矩，J 代表电机的转动惯量， 代表极对数，匕 为电机 磁链方程： I = I <1-3 转矩方程: <1>4 运动方程: <1-5 其中，二, 为两相静止坐标系下定子电压 H ，可分量，勺，门为两相静止坐标下 C （ 角速度。 222异步电机模型 <1）异步电机模型由 2.2.1节的异步电机数学模型的电压方程、磁链方程、转矩方程 和运动方程，我们搭建了两相静止坐标系下的异步电机数学模型，为了使系统简化，并没 有用到所有的状态方程，而是将直接转矩控制技术中用到的状态方程搭建出来。结构图如 图4所示，异步电机模型的输入是定子电压和负载转矩，输出的是异步电机的电磁转矩、 转速、定子电流和定子磁链。 2.3转速调节器 转速调节器模块如图 5所示。输入为电机实际转速值和给定转速值，两者的比较值经 过PI 调节器得到电磁转矩给定值。 2.4磁链信号和转矩信号产生 2.4.1定子磁链的观测控制 定子磁链和电磁转矩的观测控制是直接转矩控制技术中的关键环节，如图 6中，定子 磁链偏差和电磁转矩偏差各自被限制在滞环比较器的容差范围内。当定子磁链容差设置过 大，会使定子磁场产生低次谐波，因此会使定子电流发生较大的畸变；当定子磁链容差设 置过小，会导致逆变器的开关频率增大，提高器件损耗。同样，当电磁转矩容差设置过 大，会增大电磁转矩脉动；当电磁转矩容差设置过小时，照样会增大逆变器开关频率和提 高损耗。 为了获得定子磁链偏差值，首先得知道定子磁链实际值。在直接转矩控制技术中，定 子磁链实际值是根据定子电压、电流和转速的检测值以及电动机参数通过估计得到的。本 文采用的异步电机定子磁链估计模型是 u-i 模型。 (1-6> 图4异步电机仿真模型 图5转速调节器仿真模型 图6 u-i 模型结构图 使用u-i 模型来确定异步电机定子磁链的优点是在计算过程中唯一需要用到的电机参 数只有定子电阻，式 <1-6）中的定子电压、定子电流和定子电阻属于易于测量的物理量， 因此该方法是定子磁链观测中最简单的方法。在异步电机高速运行时，定子电阻引起的压 降可以忽略不计，利用 u-i 模型估算法可以得到非常准确的观测结果。但是在低速时，定 子电压很小，定子电阻变化引起的影响不能忽略，因此定子电阻参数变化对积分结果影响 很大，u-i 模型的观测结果会失真，需要随着温度的变化对电阻值进行修正。而且实际检测 定子电压和电流时，不可避免的会产生幅值偏差和相位偏差。积分器存在误差积累和直流 温漂问题，这些问题在电机处于低速运行时将十分突出。 u-i 模型观测定子磁链的算法中不包含电子转子参数的信息，且计算时不需要电机转速 信息，适合无 速度传感器直接转矩控制系统。 定子磁链的控制目标是选择定子电压矢量实现定子磁链对给定值的动态跟踪，将定子 磁链幅值控制在容差限制的范围内，使定子磁链轨迹接近于圆形。定子磁链的幅值和相位 可由式<1-7）求出。 在直接转矩控制中，定子磁链由磁链滞环比较器来控制，对定子磁链幅值进行两点式 调节，滞环比较器的带宽为 2 ，上下限分别为 和-，它们是定子磁链偏差允许的波 动范围，磁链滞环比较器的原理图如图 7所示。 上图中输入信号是计算定子磁链幅值与给定定子幅值的比较值 k ，输出信号为磁链信号 “ Q 。当 -I > □时，磁链信号 “ Q=1 ;当 <-匕时，磁链信号 “ Q=-1 ;当 -J 时，磁链信号“ Q 不变。 242 电磁转矩的有效控制 (1-7> —a ~~?! R 图7磁链滞环比较原理 直接转矩控制中电磁转矩方程可以写为: (1-8> 式中，为异步电机的极对数，B为定子磁链和转子磁链之间的夹角。可以看出电磁 转矩是由定子磁链和转子磁链的矢量积决定，通过改变定子磁链和转子磁链之间的夹角可以控制电磁转矩的 大小。在直接转矩控制中电磁转矩的控制和定子磁链的控制类似都是通过滞环比较器来完成，与磁链滞环比 较器采用的是两点式调节不同，转矩滞环调节器采用的三点式调节方法，其原理图如图8所示。 图8转矩滞环比较器原理 转矩调节采用三点式调节的原因是若采用两点式调节，当转速处于低速或者突然降至 低速时会使零电压矢量的作用时间变长，容易引起圆形磁链产生畸变，增加转矩脉动。转 矩滞环比较器的输入信号是给定转矩和实际转矩I的比较值，输出为转矩信号 _1，上下限分别为匕和-匕。当丄」时，转矩信号TQ=1 ；当.=丨时，转矩信号TQ=- 1，其他情况转矩信号TQ=O。 243磁链信号和转矩信号产生模块 磁链信号和转矩信号产生模块如图9所示。磁链信号产生模块的输入分别为定子磁链 给定值和定子磁链计算值，转矩信号产生模块的输入分别为电磁转矩给定值与电磁转矩实际值，磁链滞环比 较器的容差值设为0.01，转矩滞环比较器的容差值为0.5。 其中定子磁链幅值由公式1-7计算得到 Subtracll 图9磁链和转矩开关信号的仿真模型 2.5定子磁链扇区判断 2.5.1定子磁链的区间判断 A敝】) 丸..丿 S4S2 S5//'疔、S3 # SI c(bl) b(al) 图10磁链所处区间 为了确定定子磁链所处的区间位置，可将定子磁链轴线顺时针旋转120。，成为轴 线al、bl、cl，如图10所示，设定子磁链s在轴线al、bl、cl上的投影为」、I、凶 可以得到： (1-9> 自定义一个函数 <1-10) 由函数71 ( k = a1 , b1 , c1> ，即可得到定子磁链匚所处的区间位 置。由式SN= I 即可得到定子磁链的扇区信号SM 2.5.2定子磁链扇区判断模块 定子磁链所处的区间位置由 3.1节中的公式计算得到，其仿真模型图如图11所示。 S口E 图11定子磁链扇区判断模块仿真模型 2.6电压矢量选择 电磁转矩的大小由定子磁链的幅值、转子磁链的幅值和定子磁链及转子磁链之间的夹 角0决定。在实际应用中，定子磁链的幅值要保持为额定值以便充分利用电机铁心，负载决定了转子磁链的幅值，因此电磁转矩的大小就通过改变定子磁链及转子磁链之间的夹角 0来实现。在直接转矩控制技术中，电机实际运行时转子磁链的旋转速度不会发生突变， 因此基本控制方法就是通过选择电压矢量控制定子磁链的旋转速度来改变夹角0的大小, 从而控制电磁转矩大小。电磁转矩与所选择电压矢量的关系如图12所示。 当施加正向电压矢量时，定子磁链的旋转速度增加，使定子磁链与转子磁链之间的夹角增大，从而增 大转矩；当施加零电压矢量时，定子磁链的运动会停止，而转子磁链的旋转依旧进行，使两者的夹角减 小，从而减小转矩；当施加反向电压矢量，定子磁链的旋转方向会反向，能迅速减小定子磁链与转子磁链 的夹角，从而迅速减小转矩。具体的电压矢量选择方法见表1。 表1电压矢量选择表 电 压矢量的选择 SI S2S3S4S5S6 TQ=I U6U2U3U1U5U4 TQ=O UO uo U7UO U7U7 TQ=-l U5U6U2U3Ul U4 TQ=1U2U3U1U5U4U6 图12定子磁链和电压矢量的关系图 表中QQ 为磁链信号，TQ 为转矩信号。再根据电压矢量与每相电压信号的关系可得下 表。Sa, Sb, Sc 分别为三相的电压矢量信号。 Sc ir nnBii-im IU UI-IUI dl 1 根据这三张表可以画出电压矢量选择模块图如图 13所示。 图13电压矢量选择模块 2.7逆变器 在交流传动领域中，逆变器是不可或缺的装置，作用是将直流电转换为交流电，通过 控制逆变器来对电机进行调速。与矢量控制不同，直接转矩控制去掉了快速电流控制环， 逆变器由电流可控电压逆变器变为正常的电压型逆变器，结构图如图 14所示。 扇区i 1 组合昱电E 去量 i —.1 3 3' Sb ir ii-iiw ii-im CL> QQ e TO Data Type Corweraion D A L I Type dMivsnlofi 1 Sb- Lootojp T njal* dDubla Lockup Tabit |2-D) LDOkup T H 3I* |2>D|f Lodiup I ibis ：］ Lmiup T able2 IJ d--- a — b —c 图14电压型逆变器结构图 由上图可以看出，电压型逆变器由上下三组共六个开关组成，每一组的两个开关状态 为相反关系，即其中一个若是导通状态，另一个必须是断开状态，三组开关共有8种开关状态。规定某一相与“ + ”极相通时的开关状态为“1”态，相对的若某一相与“一”极相 通则开关状态为“ 0”态。逆变器的电压矢量信号与输出电压的关系如表2所示。 表2电压矢量信号与输出电压转换表 根据此表可以在simulink中使用Embedded Matlab Function功能编写函数实现由电压 矢量信号得到输出的三相电压。代码如下： fun ction [uA,uB,uC]= fen (Sa,Sb,Sc,Ud> if Sa==0&&Sb==0&&Sc==0 uA=-Ud/2,uB=-Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa==1 &&Sb==0&&Sc==0 uA=Ud/2,uB=-Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa==1 &&Sb==1 &&Sc==0 uA=Ud/2,uB=Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa==0&&Sb==1 &&Sc==0 uA=-Ud/2,uB=Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa==0&&Sb==1 &&Sc==1 uA=-Ud/2,uB=Ud/2,uC=Ud/2 elseif Sa==0&&Sb==0&&Sc==1 uA=-Ud/2,uB=-Ud/2,uC=Ud/2 elseif Sa==1 &&Sb==O&&Sc==1 uA=Ud/2,uB=-Ud/2,uC=Ud/2 else uA=Ud/2,uB=Ud/2,uC=Ud/2 end 仿真实验中异步电机的参数如下: 额定电压 =380v ，额定频率.：：l =50Hz ，额定功率 |=，定子电阻 L =1.85 Q,转子电 阻凶=2.658 Q,定子电感因=0.2941H ，转子电感 因=0.2898H ，定转子互感因=0.2838H , 转子转动惯量 =0.1284Nm.s 2 ，极对数 =2。图16为给定负载转矩10N/m 的情况下，给定 转速在[0-0.25]s 时发生的阶跃变化。图 16中＜a ）图为定子磁链轨迹、 ＜b ）图为定子相电流 波形、＜c ）图为电磁转矩波形、＜d ）图为电机转速波形。 耳 V Pui -------- 1 -------- --------- 1 ---------- ---------- 1 ---------- --------- 1 ---------- ? g 1 --------- q --------- ■ Q - - an - - 一 3!口 5 a A - - ■4Q - 1 ] ] 1 1 I 1 f 0 -M 3 ￡4 a 44 104 （a ）定子磁链轨迹 框图如图15所示: cn CD Sb Se CD uA *CD >CZ) 图15逆变器模块 3仿真结果 Embedded MATLAB Function vb）定子电流波形 图16给定负载转矩下仿真波形 由于种种原因我们的仿真是失败的，我们总结了我们失败的原因如下: (1)对DTC的原理了解不够，不能根据波形判断错误原因。 (2)对simulink使用不够了解，一些参数的设置不正确。 (3)PI调节器不会设置。 虽然仿真是失败的，但我们还是从这次仿真中得到了很多收获: (1)团队合作可以提高整体效率。 (2)Simulink 基本使用。 (3)DTC基本原理。 控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月 控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=- 直接转矩控制的基本原理和仿真研究 摘要：直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，在交流传动领域内发展迅速的一种高性能调速技 术，该控制方法以其思路新颖、结构简单及性能良好等优点引起了广泛关注和研究。与矢量控制技 术不同，直接转矩控制技术采用定子磁场定向，直接将磁通和电磁转矩作为控制量，对电磁转矩的 控制更加简捷快速，提高了系统的动态响应能力。由于直接转矩控制技术本身的固有优势，使直接 转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。本文将直接转矩控制技 术应用于异步电机中，从异步电机的数学模型出发，介绍了直接转矩控制技术的基本理论。在深入 剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化，在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形 磁链控制系统仿真模型。仿真结果表明，直接转矩控制技术动态响应能力快，控制方法直接，但是 低速性能较差，低速状态下存在转矩脉动过大，定子电流畸变严重等缺点。 关键字：直接转矩控制，异步电机，simulink The Basic Principle and Simulation Study of Direct Torque Control Kong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu 控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月 控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图 在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。 控制系统仿真与设计实验报告 姓名： 班级： 学号： 指导老师：刘峰 7.2.2控制系统的阶跃响应 一、实验目的 1.观察学习控制系统的单位阶跃响应； 2.记录单位阶跃响应曲线； 3.掌握时间相应的一般方法； 二、实验内容 1.二阶系统G(s)=10/(s2+2s+10) 键入程序，观察并记录阶跃响应曲线；录系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率；记录实际测去的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论值比较。 （1）实验程序如下： num=[10]; den=[1 2 10]; step(num,den); 响应曲线如下图所示： （2）再键入： damp(den); step(num,den); [y x t]=step(num,den); [y,t’] 可得实验结果如下： 记录实际测取的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论计算值值比较 实际值理论值 峰值 1.3473 1.2975 峰值时间 1.0928 1.0649 过渡时间+%5 2.4836 2.6352 +%2 3.4771 3.5136 2. 二阶系统G(s)=10/(s2+2s+10) 试验程序如下： num0=[10]; den0=[1 2 10]; step(num0,den0); hold on; num1=[10]; den1=[1 6.32 10]; step(num1,den1); hold on; num2=[10]; den2=[1 12.64 10]; step(num2,den2); 响应曲线： （2）修改参数，分别实现w n1= (1/2)w n0和w n1= 2w n0响应曲线试验程序: num0=[10]; den0=[1 2 10]; step(num0,den0); hold on; num1=[2.5]; den1=[1 1 2.5]; step(num1,den1); hold on; num2=[40]; den2=[1 4 40]; step(num2,den2); 响应曲线如下图所示： 实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示 太原科技大学 题目：直接转矩控制 专业：电气工程 班级：研1403 姓名：安顺林 学号：S2******* 直接转矩控制 摘要直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点，是交流调速领域中一种新颖的控制算法。直接转矩控制技术采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。本文从异步机数学模型出发，系统阐述了异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转矩的关系。针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。 关键字直接转矩控制，异步电动机 一直接转矩控制系统介绍 1.1 异步电动机调速系统的发展状况 在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的变频调速方式是采用v/f控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。 1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。 矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。 直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。 为了能让大家在已经泛滥的知识上少走弯路，本人把自己在SVPWM上的认识与看到此贴的读者们一起分享，废话少说，切入正题：在看下面内容之前，您应该至少对SVPWM的原理有大致的了解，如果不了解也没关系，你只要按照我交给你的步骤来做，也可以轻而易举的跨过SVPWM这道坎，在仿真之前您必须安装MATLAB7.0或以上版本，必须确保simpowersysm工具箱已被安装，如果以上要求已经达到，那么就可以执行以下步骤了： 步骤1：打开matlab主界面，然后在command window界面中的“>>”旁边输入simulink，打开simulink开发环境后新建一个mdl文件，在simulink下拉菜单中的ports&subsystems中找到subsystem模块，用其建立一个如图1的总的模块，这个模块有两个输入口，一个输出口（实际上包含六路PWM信号），接来的东西都将在这个模块中添加，输入输出模块的名称可以在双击模块后自己更改，其中Vahar，Vbetar是需要输出的电压在两相静止坐标系下的两个分量，输出是控制逆变器六个IGBT的pwm脉冲信号。 也许有人会问，输入参数不是还包括直流电压和功率开关频率吗？别急，下面接着让您看到上述模块的内部情况 步骤2：根据图2，添加subsystem的内核模块，里面用到的模块有以下几种：in，out,mux,demux,repeatingsequence,rationaloperator,logical operator 和里面的主角S-Function builder模块。 可以看到输入有四个参数Vapha，Vbeta，Tz，Vdc，输出为六路PWM信号，这个仿真模块没考虑死区的问题； 取Tz为1/（1e+4）这就是说开个频率是10kHz,Vdc为500，这两个参数要根据实际情况自己设置，这里是我任意设的，repeating sequence的设置如图3所示，这样设的目的是想产生一个周期为Tz，峰值为Tz/2的等腰直角三角形调制波，接下来设置两个比较模块和取反模块，比较模块是大于等于关系，各模块的其他参数，我没说的就当默认设置，细心的读者会在图4中的第一幅图中看到仿真时间设为Ts，这是我设的系统仿真步长，这里就用默认值-1，此外比较模块和取反模块的信号属性signal atrributes均应设为Boolean格式。 图3 控制系统数字仿真课程设计 1．课程设计应达到的目的 1、通过Matlab仿真熟悉课程设计的基本流程； 2、掌握控制系统的数学建模及传递函数的构造； 3、掌握控制系统性能的根轨迹分析； 4、学会分析系统的性能指标； 2．课程设计题目及要求 设计要求 1、进行系统总体设计，画出原理框图。（按给出的形式，自行构造数学模型，构造成1 个零点，三个极点的三阶系统，主导极点是一对共轭复根） G（s）=10(s+2)/(s+1)(s2+2s+6) 2、构造系统传递函数，利用MATLAB绘画系统的开环和闭环零极点图；(分别得 到闭环和开环的零极点图)参考课本P149页例题4-30 clear; num = [10,20]; den =[1 3 8 6]; pzmap(num,den) 3、利用MATLAB绘画根轨迹图，分析系统随着根轨迹增益变化的性能。并估算超 调量=16.3%时的K值（计算得到）。参考课本P149页例题4-31 clear num=[10,20]; den=[1 3 8 6]; sys=tf(num,den); rlocus(sys) hold on jjx(sys); s=jjx(sys); [k,Wcg]=imwk(sys) set(findobj('marker','x'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); set(findobj('marker','o'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); function s=jjx(sys) sys=tf(sys); num=sys.num{1}; den=sys.den{1}; p=roots(den); z=roots(num); n=length(p); m=length(z); if n>m s=(sum(p)-sum(z))/(n-m) sd=[]; if nargout<1 for i=1:n-m sd=[sd,s] end sysa=zpk([],sd,1); hold on; [r,k]=rlocus(sysa); for i=1:n-m plot(real(r(i,:)),imag(r(i,:)),'k:'); end end else disp; s=[]; end function [k,wcg]=imwk(sys) sys=tf(sys) num=sys.num{1} den=sys.den{1}; asys=allmargin(sys); wcg=asys.GMFrequency; k=asys. GainMargin; 控制系统的MATLAB 仿真与设计课后答 案 第二章 1>>x=[15 22 33 94 85 77 60] >>x(6) >>x([1 3 5]) >>x(4:end) >>x(find(x>70)) 2>>T=[1 -2 3 -4 2 -3] ; >>n=length(T); >>TT=T'; >>for k=n-1:-1:0 >>B(:,n-k)=TT.^k; >>end >>B >>test=vander(T) 3>>A=zeros(2,5); >>A(:)=-4:5 >>L=abs(A)>3 >>islogical(L) >>X=A(L) 4>>A=[4,15,-45,10,6;56,0,17,-45,0] >>find(A>=10&A<=20) 5>>p1=conv([1,0,2],conv([1,4],[1,1])); >>p2=[1 0 1 1]; >>[q,r]=deconv(p1,p2); >>cq='商多项式为 '; cr='余多项式为 '; >>disp([cq,poly2str(q,'s')]),disp([cr,poly2str(r,'s')]) 6>>A=[11 12 13;14 15 16;17 18 19]; >>PA=poly(A) >>PPA=poly2str(PA,'s') 第三章 1>>n=(-10:10)'; >>y=abs(n); >>plot(n,y,'r.','MarkerSize',20) >>axis equal >>grid on >>xlabel('n') 2>>x=0:pi/100:2*pi; >>y=2*exp(-0.5*x).*sin(2*pi*x); >>plot(x,y),grid on; 3>>t=0:pi/50:2*pi; >>x=8*cos(t); >>y=4*sqrt(2)*sin(t); >>z=-4*sqrt(2)*sin(t); >>plot3(x,y,z,'p'); 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 控制系统设计与仿真上机实验报告 学院：自动化学院 班级：自动化 姓名： 学号： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 一、第一次上机任务 1、熟悉matlab软件的运行环境，包括命令窗体，workspace等，熟悉绘图命令。 2、采用四阶龙格库塔法求如下二阶系统的在幅值为1脉宽为1刺激 下响应的数值解。 2?，??n10?0.5,??(s)G n22?????2ss nn3、采用四阶龙格库塔法求高阶系统阶单位跃响应曲线的数值解。 2?，，??5T?n100.5,???Gs)( n22???1)?s(?2s)(Ts?nn4、自学OED45指令用法，并求解题2中二阶系统的单位阶跃响应。 程序代码如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 ;曲线如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 二、第二次上机任务 试用simulink方法解微分方程，并封装模块，输出为。得到各、1x i 状态变量的时间序列，以及相平面上的吸引子。 ?x?x??xx?3121? ??xx?x???322 ??xx?xx??x??32321参数入口为的值以及的初值。（其中，以及??????x28?10,?8/,,3,?i1模块输入是输出量的微分。）初值分别为提示：0.001xxx?0,?0,?312s:Simulink 目录 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 (1) 1.1直接转矩控制系统原理与特点 (1) 1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (3) 2系统建模与仿真 (5) 2.1模块模型实现 (5) 2.1.1电机模型 (6) 2.1.2磁通和转矩滞环控制器 (7) 2.1.3磁链选择器 (8) 2.1.4电压矢量选择 (9) 2.1.5其他模块 (10) 3感受和体会 (11) 附录 (12) 参考文献 (18) 直接转矩控制技术仿真分析 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。 1.1直接转矩控制系统原理与特点 如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号* T，在* T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。 图1-1直接转矩控制系统图 的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链 s 保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。在直接转矩控 制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点： ①直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控 制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它 省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别 简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判 断。 ②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。而 矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机的转子电阻 和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化 影响的问题。 ③直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。 ④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接 又简化。 ⑤控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。 MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127 指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid 三相异步电动机直接转 矩控制系统仿真报告 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998 三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告 摘要：利用直接转矩控制( DTC )理论，研究异步电动机直接转矩控制调速系统的基本组成 和工作原理，建立了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用MATLAB /Simulink软件对异步电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真。结果表明: DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。 关键词：异步电机；直接转矩控制； MATLAB仿真 1 引言 自从20世纪70年代矢量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓矢量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制,通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 直接转矩控制(Direct Torque Control DTC)是在矢量控制基础之上发展起来的，是继矢量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压矢量分析方法直接在静止坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出PWM逆变器的开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩"与矢量控制相比，直接转矩控制的主要优点是:在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了矢量控制中的解藕思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数(转子电阻)"由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小"此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压矢量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接!计算过程简化的优点"因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 2 三相异步电机的直接转矩控制系统组成 三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图1所示，其仿真模型如图2所示，模型由7个主要模块组成：三相不控整流器 直接转矩控制 直接转矩控制（Direct Torque Control——DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。 直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20 世纪80 年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987 年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面： （1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究 在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。 （2）定子电阻变化的影响 银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师 目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16) 复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。 现代电力传动及其自动化 —课程作业 异步电动机直接转矩控制系统仿真 1、直接转矩控制系统的基本思想 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。直接转矩控制是标量控制。它借助于逆变器提供的电压空间矢量，直接对异步电动机的转矩和定子磁链进行二位控制，也称为砰-砰（bang-bang ）控制。 三相异步电动机电磁转矩表达式为: ))()((m e t t K T r s ΨΨ?= )(sin m t K r s θψψ= (1.1) r s ψψ、分别为定子、转子磁链的模值，)(t θ为定子、转子磁链之间的夹角， 称为磁通角。 对式（1.1）分析，电磁转矩决定于定子磁链和转子磁链的矢量积，即决定于两种幅值和其间的空间电角度。若r s ψψ、 是常数,改变转矩角可改变转矩。而且Ψr 的变化总是滞后于Ψs 的变化。但是在动态过程中，由于控制的响应时间比转子的时间常数小得多，在短暂的过程中，就可以认为Ψr 不变。可见只要通过控制保持Ψs 的幅值不变，就可以通过调节转矩角来改变和控制电磁转矩，这是直接转矩控制的基本原理。 图1.1 直接转矩控制系统原理图 ω 在定子两相静止坐标系下，根据磁链给定值与异步电机的实际磁链观测值相比较得到磁链误差，进而确定磁链的调节方向，根据给定的电磁转矩值与异步电机的实际电磁转矩观测值相比较得到转矩误差，进而确定转矩的调节方向，然后根据定子磁链信号、转矩信号以及定子磁链所在位置确定选择合适的电压空间矢量，从而确定三相电压源逆变器的开关状态，使异步电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩值。 由图1.1得直接转矩控制系统仿真结构框图，如图1.2所示。 图1.2 直接转矩控制系统仿真结构框图 2、单元模块说明 2.1 定子电压与定子电流的三二变换 三相/两相变换矩阵如式（2.1），其仿真结构框图如图2.1所示。 课程设计报告 题目PID控制器应用 课程名称控制系统仿真院部名称机电工程学院专业 班级 学生姓名 学号 课程设计地点 课程设计学时 指导教师 金陵科技学院教务处制成绩 一、课程设计应达到的目的 应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 二、课程设计题目及要求 1．单回路控制系统的设计及仿真。 2．串级控制系统的设计及仿真。 3．反馈前馈控制系统的设计及仿真。 4．采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。 三、课程设计的内容与步骤 (1)．单回路控制系统的设计及仿真。 （a）已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。 （b）画出单回路控制系统的方框图。 （c）用MatLab的Simulink画出该系统。 （d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应 曲线。注明所用PID调节器公式。PID调节器公式Wc（s）=50(5s+1)/(3s+1) 给定值为单位阶跃响应幅值为3。 有积分作用单回路控制系统 无积分作用单回路控制系统 大比例作用单回路控制系统 （e）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？ 答：由上图分别可以看出无积分作用和大比例积分作用下的系数响应曲线，这两个PID调节的响应曲线均不如前面的理想。增大比例系数将加快系统的响应，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长，加入微分环节，有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加。 (2)．串级控制系统的设计及仿真。 （a）已知主被控对象传函W 01(s) = 1 / (100s + 1)，副被控对象传函W 02 (s) = 1 / (10s + 1)，副环干扰通道传函W d (s) = 1/(s2 +20s + 1)。 （b）画出串级控制系统方框图及相同控制对象下的单回路控制系统的方框图。（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。控制系统仿真课程设计报告.
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