直流调速系统动态特性的仿真分析

毕 业 论 文直流调速系统动态特性的仿真分析学生姓名： 学号： 系 部： 专 业： 指导教师： 二一六年六月郭茂元 122012229机械工程工程系机械电子工程李雅青(副教授)诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书毕业设计题目： 直流调速系统动态特性的仿真分析 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 122012229 学生： 郭茂元 指导教师（含职称）： 李雅青 （副教授） 1课题意义及目标学生应该通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入理解直流调速控制系统工作原理的基础上，建立系统的数学模型，并利用 MATLAB 中的 GUI 工具，对直流调速系统动态特性进行仿真，给出仿真实验结果。为学生在毕业后从事机电控制系统设计工作打好基础。2主要任务（1）分析直流调速控制系统的工作原理；（2）建立系统的数学模型；（3）编写 MATLAB/GUI 仿真程序；（4）调试、分析仿真结果； 3主要参考资料1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，2004.2 齐占庆，王振臣. 电气控制技术M. 北京：机械工业出版社，2002.3 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，2011.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，总体规划，完成开题报告 2016.02.292016.03.112 分析直流调速控制系统的工作原理 2016.03.122016.03.203 建立系统的数学模型 2016.03.212016.04.104 编写 MATLAB/GUI 仿真程序，中期检查 2016.04.112016.04.295 调试、分析仿真结果 2016.04.302016.05.226 整理毕业论文，准备答辩 2016.05.232016.06.05审核人： 年 月 日I直流调速系统动态特性的仿真分析摘 要：直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其他调速系统的基础。用MATLAB 软件中的 GUI 进行仿真，不仅使用方便，也大大降低了研究成本。本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机单闭环和双闭环调速系统的动态特性，并建设立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。最后，用 MATLAB/GUI 软件搭建了仿真模型，对所要研究的调速系统进行了仿真研究。通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态性能。关键词：直流调速；双闭环、单闭环系统；电流调节器；转速调节器；GUI 仿真Simulation Research on Speed Regulation System of DC MotorAbstract：DC motor has a good effect, braking performance, appropriate for smooth speed control in a wide range, and DC speed control system both in theory and practice more mature, is to study the basis of other control system. The DC converter using MATLAB/GUI software system for simulation of virtual environments is not only easy to use, but also greatly reduce the research costs.This paper describes the basic principle of DC motor and speed control principle, introduced the single return circuit DC motor and dual-loop speed control system components and the static and dynamic characteristics, and according to the basic equation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram shows the dynamic structure, designed by engineering design of DC Speed Regulation system. Finally, the simulation software MATLAB/GUI simulation model built on the speed control system was simulated.By DC Motor Speed Regulation of the dynamic characteristics and simulation, we can see clearly, double-loop DC motor speed control system has good dynamic performance, you can within a given speed, a smooth static error-free speedKeywords: Speed control of DC-drivers；Double-closed-loop；Current regulator；Speed regulator；Computer simulation； GUI simulationII目录1 绪论 .11.1 直流调速系统的概述 .11.2 MATLAB/GUI 软件的介绍 .11.3 论文的主要内容 .22 直流调速系统 .32.1 直流电动机的原理图 .32.2 直流调速系统的组成 .42.3 PID 控制 .52.4 转速、电流双闭环调速系统的静态、动态特性分析 .52.5 直流调速控制系统的总体设计 .52.6 直流电机参数和调节器设计 .52.7 带转速微分负反馈环节的双环系统 .53 直流调速系统动态特性及其仿真分析 .53.1 MATLAB/GUI 简介 .53.2 GUI 设计的步骤 .53.3 双闭环调速系统结构图和仿真参数的设置 .53.4 系统仿真的结果 .53.5 双闭环调速系统的动态特性分析 .53.6 电流环和转速环参数改变对系统动态性能的影响 .53.7 单闭环直流调速系统的性能分析 .5参考文献 .5致谢 .5附录 .5太原工业学院毕业设计11 绪论1.1 直流调速系统的概述直 流 电 机 能 在 大 范 围 内 平 滑 调 速 ， 且 具 有 良 好 的 制 动 和 启 动 性 能 ， 在 机 械 、电 气 自 动 化 等 许 多 领 域 中 得 到 非 常 普 遍 的 的 应 用 。 这 几 年 ， 交 流 调 速 系 统 势 头很 猛 ， 但 是 ， 直 流 拖 动 控 制 系 统 毕 竟 在 实 践 和 理 论 上 都 比 较 成 熟 ， 而 且 从 反 馈闭 环 控 制 的 角 度 看 ， 它 又 是 交 流 拖 动 控 制 系 统 的 基 础 2。直 流 调 速 系 统 有 开 环 调 速 系 统 、 单 闭 环 调 速 系 统 、 双 闭 环 调 速 系 统 、 三 环 调速 系 统 、 弱 磁 控 制 的 直 流 调 速 系 统 等 。 直 流 调 速 系 统 的 动 态 特 性 包 括 ： 动 态 跟 随性 能 、 动 态 抗 扰 性 能 。 动 态 抗 扰 性 能 又 包 括 ： 抗 负 载 扰 动 和 抗 电 网 电 压 扰 动 。跟 随 性 能 的 性 能 指 标 有 ： 上 升 时 间 、 超 调 量 、 和 调 节 时 间 。 抗 扰 性 能 在rtst本 论 文 中 只 分 析 抗 负 载 扰 动 的 性 能 。 抗 扰 性 能 指 标 包 括 ： 动 态 降 落 、 恢maxC复 时 间 和 峰 值 时 间 。 在 实 际 的 生 产 活 动 中 对 动 态 的 性 能 指 标 要 求 不 同 。 可vtpt逆 轧 机 对 转 速 的 动 态 跟 随 性 能 和 抗 扰 性 能 要 求 都 较 高 ， 而 一 般 的 不 可 逆 调 速 系 统主 要 要 求 转 速 的 抗 扰 性 能 ， 跟 随 性 能 影 响 不 大 。1.2 MATLAB/GUI 软件的介绍MATLAB 是 matrix laboratory 的缩写，意思是矩阵实验室。MATLAB 是一种高效的计算语言,且把编程、计算和可视化等功能集成到一个环境。在用 MATLAB 的过程中，我们可以按照我们的思维方式和表达形式来完成自己的工作。MATLAB 是一个交互式的系统，其数据元素没有维数限制，这为我们处理大数据提供了方便。MATLAB是一个很有效的数值计算和可视化软件，它提供的动态系统仿真工具是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。GUI 是实现人机交互的中介，具有强大的功能，可以完成许多复杂的程序模块。MATLAB 的典型应用包括以下几点：数学计算、算法开发、数据采集、系统建模和仿真、数据分析和可视化、科学和工程绘图和应用软件开发（包括用户界面） 3。本论文接下来要用的仿真软件是 MATLAB 中的 GUI 仿真工具（MATLAB 图形用户界面开发环境 GUIDE） 。GUI 界面给用户提供一个常见的界面，还提供一些控件，如按太原工业学院毕业设计2钮、列表框、滑块、菜单等。用户图形界面应易于理解，且操作是可以预告的，所以当用户进行某一项操作时，它知道如何去做 1。创建 MATLAB 用户图形界面必须具有以下三类基本元素：1）组件、2）图形窗口、3）回应。实现一个 GUI 的过程包括两个基本任务：一是 GUI 的组建布局，另一个是GUI 组件编程 1。1.3 论文的主要内容本毕业设计的题目是：直流调速系统动态特性的仿真分析。题目中包含两个任务，即动态特性和仿真分析。以直流电动机为对象，用工程设计方法设计直流电动机转速、电流双闭环调速系统，基于直流电动机的基本方程给出动态结构图，建立双闭环调速系统的数学模型，并应用 MATLAB 进行仿真，对仿真结果分析、研究。主要工作如下：(1) 数 学 模 型 的 建 立查 阅 书 籍 ， 根 据 直 流 电 机 的 基 本 方 程 ， 建 立 双 闭 环 调 速 系 统 的 数 学 模 型 并 给出 动 态 结 构 图 。(2) 系 统 方 案 设 计通 过 查 看 资 料 ， 了 解 直 流 电 动 机 双 闭 环 调 速 系 统 的 最 佳 工 程 设 计 方 法 ， 并进 行 调 速 系 统 的 设 计 。 采 用 工 程 设 计 方 法 选 择 调 节 器 时 ， 应 该 先 根 据 控 制 系 统的 要 求 ， 判 定 要 校 正 成 那 一 类 典 型 系 统 。 所 以 ， 应 该 深 入 了 解 型 系 统 和 型系 统 在 性 能 上 的 区 别 。 然 后 再 选 择 用 PI 调 节 器 还 是 PID 调 节 器 。(3) 仿 真 的 进 行 和 结 果 的 分 析 与 探 究深 入 学 习 和 掌 握 MATLAB 下 的 GUI 中 的 各 个 组 件 的 作 用 ， 学 习 GUI 中 回调 函 数 的 编 写 。 学 会 改 变 所 要 对 象 的 属 性 值 ， 为 后 面 的 编 程 提 供 方 便 。 在 布 局GUI 时 ， 尽 量 使 界 面 美 观 。 最 后 ， 根 据 GUI 图 像 分 析 直 流 调 速 系 统 的 动 态 特 性 ，包 括 时 域 分 析 和 频 域 分 析 。太原工业学院毕业设计32 直流调速系统2.1 直流电动机的原理图图 2-1 表示是一台最简单的两极直流电机模型，它的定子上，装设了一对用直流励磁的主磁极 和 ，在转子上装设电枢铁心。NS图2-1 直流电机模型2.1.1直流调速控制系统的分析与比较（1）直流电动机转速的表达式： eUIRnK（2-1）式中 -转速（r/min） ；n-电枢电压（V） ；U-电枢电流（A） ；I-电枢回路总电阻（ ） ；R-励磁磁通（ ） ；Wb-由电机结构决定的电势常数。eK由式(2-1)可知，可通过以下方法调速：1)改变电枢回路总电阻 R；太原工业学院毕业设计42)调节电枢供电电压 U；3)减弱电动机磁通 。对于无极调速系统，通过改变电枢电压的调速方式为最好。