毕业设计（论文）-基于MATLAB的直流电动机调速系统的研究.doc

基于MATLAB的直流电动机调速系统的研究摘要速度和电流双闭环直流调速系统(简称双闭环调速系统)是由电流和转速两个调节器进行综合调节的，可获得良好的静、动态性能。本文通过一个直流电动机双闭环调速系统实例，就如何利用MATLAB软件的仿真功能对系统进行分析做一些探讨，对系统的设计和改进具有一定的参考意义。本文实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确、直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，取得了较好的效果。关键词：直流电机；调速；双闭环；PID控制；MATLAB仿真Dc motor speed control system based on matlabABSTRACTSpeed and current dual-loop DC speed control system (referred to as double-loop speed control system) is a comprehensive regulation by both current and speed regulator, get a good static and dynamic performance. By a DC motor, double loop speed control system instance, on how to use MATLAB software simulation capabilities to do some research to analyze the system, the design and improvement of the system has a certain reference.In this paper, the design of the double closed loop DC motor system is presented, and the experimental results can be accurately visual observation speed-the current double closed loop speed regulation system of the start-up process and good results have been achieved.Key words：DC motor；speed adjustment；double closed loop；PID control；MATLAB simulation 目录1绪论11.1课题来源及意义11.2国内外发展现状11.3研究目标及内容21.3.1研究目标21.3.2研究内容22MATLAB介绍32.1MATLAB介绍32.1.1MATLAB简介32.1.2MATLAB产生的历史背景32.1.3MATLAB的特点32.2控制系统仿真中常用的函数介绍32.3 MATLAB工具箱及SIMULINK简介43电流环转速环设计53.1 电流环设计53.1.1 电流环参数设计53.1.2 电流调节器作用63.2 转速环设计63.2.1 转速环参数设计63.2.2 转速调节器作用74MATLAB仿真84.1电流环仿真84.1.1 频域分析84.1.2阶跃响应分析94.2转速环仿真104.2.1频域分析104.2.2阶跃响应分析114.3双闭环直流调速系统（综合）的设计仿真125总结与展望13参考文献14致谢15附录161绪论1.1课题来源及意义 控制理论的研究对象是系统，从系统控制理论的角度，系统即为由相互关联和相互制约的若干“部分”所组成的具有特定功能的一个“整体”1。系统存在于自然界和人类社会的一切领域2。 直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的旋转速度，以满足工作机的要求。从机械的角度来看，也就是通过改变电机的参数或外加工电压，改变电机的机械特性，从而改变电机的机械特性和机械的工作特性的交点的特征性能，使电机的转速的变化的稳定工作。直流调速系统具有优异的速度快的特点，流畅的运行速度，范围广，精度高，过载，动态性能好，容易控制，和良好的起动和制动性能等，以满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊操作要求，所以广泛应用于电力传输。为了改善直流速度控制系统，通常是一个闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）的动态和静态性能指标。调速指标要求不高的场合，使用一个单一的闭环系统，高速指标，多闭环系统。可分为不同的方式，根据反馈速度反馈和电流反馈电压反馈。在双闭环系统，转速 - 电流双闭环使用较多。广泛应用于轧机，冶金，印刷，金属切削机床等众多领域的自动化控制系统。1.2国内外发展现状电气时代的今天，几乎无处不在，动力传动，电机具有现代化的生产和生活中发挥了非常重要的作用。在工业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗，商业和办公设备，或在日常生活中的家用电器，广泛使用的各种电机。据统计，现在有90以上，从电机的电源。中国生产的用于电机的电能的60左右。可见，电机与人们的生活密切相关，是分不开的。速度控制系统是在今天的电动驱动系统的自动调节系统的使用最广泛的。随着生产技术，产品质量要求的不断提高生长和产量，使得越来越多的生产和机械要求能够实现自动调速。电流控制系统已进入电脑时代，智能控制已在许多领域取得。传统工艺产业，利用先进的自动化硬件和软件组件的工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程中的安全性，可靠性和稳定性。提高产品产量和质量，提高劳动生产率，企业和整体经济效率，但也极大地促进了综合国力。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。由于该系统的结构较复杂，控制器可调参数较多，所以整个系统的设计和校正比较困难，需要有一个功能全面、分析方便的仿真设计平台。自从MATLAB的Simulink推出以后，动态系统的仿真就变得非常容易了。因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，具有强大的数学计算功能，且提供方便的图形绘制功能，只要在Simulink中画出系统的动态结构图模型，编写极简单的程序，即可对该系统进行仿真，效率极高，环境友好，从而给系统的设计和校正带来很大的方便。Matlab在学术和许多实际领域都得到广泛应用，已成为国际控制界应用最广的语言和工具3。1.3研究目标及内容1.3.1研究目标利用matlab软件控制直流电机调速，并通过仿真深入研究直流调速系统的性能。1.3.2研究内容1.根据毕业设计任务给定条件及要求，确定总体方案；采用转速、电流双闭环直流调速系统；2.直流电机主电路的设计，并且画出双闭环直流调速系统的原理框图、动态结构图；3.控制电路的设计，包括转速、电流调节器的设计，并算出系统参数和传递函数；4.根据计算出的参数及传递函数在matlab建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析。2 MATLAB介绍2.1MATLAB介绍2.1.1MATLAB简介 MATLAB是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory,本意是专门以矩阵方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛4-6。2.1.2MATLAB产生的历史背景在70年代中期，Cleve Moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库，EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库，在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler,在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB，改名为矩阵（matrix）和实验室（labotatory）两个英文单词的前三个字母的组合，在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传7。2.1.3MATLAB的特点MATLAB给用户呈现出最直观，最简洁的程序开发环境。其主要特点有：1、语言简洁，容易解读，使用方便，库函数以及运算符丰富；2、MATLAB既有结构化的控制语句（如for循环，while循环，if语句），还有面向对象编程的特性；3、程序灵活性强，限制不严格，自由发挥空间较大，且可移植性很好；4、MATLAB图形功能以及工具箱功能很强大，而且源程序开放性好。2.2控制系统仿真中常用的函数介绍下面列出的这些传递函数是在使用编程的方式进行控制系统的仿真时会经常用到的一些MATLAB函数。G=tf(num,den)建立传递函数模型。num是分子多项式系数行向量，den是分母多项式系数行向量。num,den=series(num1,den1,num2,den2)表示将串联连接的两个单输入单输出系统G1(s)和G2(s)的传递函数进行相乘。num,den=feedback(num1,den1,num2,den2,sign)表示将两个系统按反馈方式连接，一般而言，系统1为对象，系统2为反馈控制器。Sign用来指示系统2输出到系统1输入的连接符号，sign默认为负值，即sign=-1。numc,denc=cloop(num,den,sign)表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统sign的意义与上述相同。注意这里的闭环连接指的是通常意义下的单位反馈连接，因这种连接在实际中大量存在。sysd=c2d(sysc,Ts,method)连续时间LTI系统模型转换成离散时间系统模型，Ts是采样周期。sysc=d2c(sysd,method)第5,6两个函数中的method表示转换是选用的变换方法，如其值为zoh，表示对输入信号加零阶保持器；如为foh，表示对输入信号加一阶保持器；如为tustin，表示采用双线性变换方法；等等8。2.3 MATLAB工具箱及SIMULINK简介MATLAB是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。它有先进和流行的控制策略工具箱，如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑工具箱等。可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法，几乎都可以在MATLAB中找到相应的工具箱6。MATLAB的工具箱里，软件内容丰富。其中，SIMULINK仿真工具是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多重采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点5。用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或,MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理5。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。3电流环转速环设计设计要求给出的参数大小：晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机：Un=220V,In=136A，Nn=1460r/min,Ce=0.132V*min/r。允许过载倍数：=1.5,；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢电阻：Ra=0.5；时间常数：Tl=0.03s,Tm=0.18s；励磁电压：Uf=220V；励磁电流If=1.5A；电流反馈系数：=0.05V*min/r；转速反馈系数：=0.007V*min/r；三相整流桥平均失控时间：Ts=0.0017s；电流反馈滤波时间常数：Toi=0.002s；转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s；动态指标：1.电流超调量5%；2.空载启动到额定转速时的转速超调量：10%3.1 电流环设计3.1.1 电流环参数设计1.确定时间常数电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s2.选择电流调节器结构 根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为: WACR(s)=(3-1)检查对电源电压的抗扰性能：=8.11(3-2)根据典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3. 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s(3-3)电流环开环增益：要求5%，可知KITi=0.5(3-4)因此 KI=135.1s1(3-5)所以，ACR的比例系数为： Ki=1.013(3-6)4. 校验近似条件电流环截止频率ci=KI=135.1s1(1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 =196.1s1ci (3-7),满足近似条件。(2) 忽略反电动势变化对电流环动态影像的条件 3=3=40.82s1ci (3-9),满足近似条件。3.1.2 电流调节器作用(1)对电网电压波动起及时抗扰作用。(2)起动时保证获得允许的最大电流。(3)在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui*变化。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常3。3.2 转速环设计3.2.1 转速环参数设计1.确定时间常数转速环小时间常数之和Tn。按小时间常数近似处理，取Tn=2Ti+Ton=0.0174s2.选择转速调节器结构按照设计要求，用PI型调节器，其传递函数为: WASR(s)=（3-10）3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为： n=hTn=50.0174s=0.087s(3-11)转速环开环增益： KN=s2=396.4s2(3-12)所以，ASR的比例系数为： Kn=11.7(3-13)4.校验近似条件转速环截止频率cn=KNn=396.40.087s1=34.5s1(3-14)(1)电流环传递函数简化条件为： =s1=63.7s1cn (3-15),满足简化条件。(2)转速环小时间常数近似处理条件为： =s1=38.7s1cn (3-16),满足近似条件。3.2.2 转速调节器作用(1)使转速n跟随给定电压Un*变化，稳态无静差。(2)对负载变化起抗扰作用。(3)其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程3。4MATLAB仿真 4.1电流环仿真4.1.1 频域分析 在matlab/simulink中建立电流环动态结构图形及校正成典型I型系统的电流环开环动态结构图（如图4-1、4-2所示），建模结果如下：图4-1 近似后的电流开环动态结构图图4-2 未近似处理的电流开环动态结构图 在命令窗口分别输入命令分别得到Bode图 得到频域分析曲线（如图4-3、4-4所示）图4-4 小参数合并后电流环bode图图4-3 实际电流环开环bode图 比较上述两图，两条曲线基本吻合，对于一般机械系统，满足要求。4.1.2阶跃响应分析在matlab/simulink中建立电流环动态结构图及校正成典型I型系统的电流环闭环动态结构图（如图4-5、4-6所示），建模结果如下：图4-5 经过近似后的电流闭环动态结构图图4-6 未近似处理的电流闭环动态结构图 在命令窗口输入命令分别得到阶跃响应曲线得到阶跃响应曲线（如图4-7、4-8所示）图4-8近似处理后电流环阶跃响应仿真曲线图4-7实际电流环阶跃响应仿真曲线通过两种增益条件下电流环阶跃曲线可以看出，小参数环节合并后的电流环阶跃响应仿真曲线与原曲线基本一致。通过仿真可知通过减小电流调节器的比例系数，可以做到电流没有超调量，但电流的上升速度和调节时间都要拖长一些。考虑到双闭环调速系统的初衷，电流存在一些超调当然是可取的。因为有利于电动机的加速，同时电动机又不会出现不良影响。4.2转速环仿真4.2.1频域分析在matlab/simulink中建立转速开环原动态结构图及转速开环近似处理后动态结构图（如图4-9、4-10所示），建模结果如下：图4-9 转速开环原simulink动态结构图图4-10 转速环开环近似处理后simulink动态结构图命令窗口输入命令分别得到Bode图得到频域分析曲线（如图4-11、4-12所示）图4-12 近似处理后转速环开环频域响应仿真曲线图4-11 转速开环频域响应仿真曲线（原）比较两图，趋势基本一致。曲线后一段的相位有较大的差异，可能是建模的不准确的原因。4.2.2阶跃响应分析在matlab/simulink中建立转速环闭环原动态结构图及转速环闭环近似处理后动态结构图（如图4-13、4-14所示），建模结果如下：图4-13 转速环闭环原simulink动态结构图图4-14 转速环闭环近似处理后simulink动态结构图命令窗口输入命令分别得到阶跃响应曲线得到阶跃响应曲线（如图4-15、4-16所示）图4-16 转速环闭环的单位阶跃响应曲线（近似处理后）图4-15 转速环闭环的单位阶跃响应曲线（原） 未经过小参数环节近似处理的转速环闭环单位阶跃响应的单位阶跃曲线与经过小参数环节的转速闭环单位阶跃响应的单位阶跃曲线形状相似，但是纵坐标相差较大，可能原因是近似处理时某个放大环节被忽略，导致较大的差异。4.3双闭环直流调速系统（综合）的设计仿真建立双闭环调速系统simulink动态结构图利用前面建立的电流和转速的模块动态结构图，综合设计，得到双闭环调速系统动态结构图（如图4-17所示）图4-17 双闭环调速系统simulink动态结构图在命令窗口输入命令得到Bode图得到阶跃响应曲线（如图4-18）图4-18 双闭环直流调速系统模型仿真结果 从图4-18仿真结果可以看到，上方曲线为转速曲线，下方曲线为电流曲线。电流波形从零开始增加到，然后维持其值等于不变。转速波形先是缓慢地升速，最后经调节达到稳定值。5总结与展望本次设计通过用MATLAB编写程序与SIMULINK建立数学模型相对应，不仅让我更加熟练的掌握了MATLAB/SIMULINK软件，同时也基本完成了设计要求和试验目的即：通过仿真图形实现了双闭环直流电机的调速。在试验过程中也遇到了不少困难，例如传递函数化简错误、数据选择的错误、设置问题等等，在老师和同学的帮助下，问题最后都被解决了。由于软件和个人的专业知识水平有限，只实现了较为简单的调速系统，因此，我还需在今后工作学习中做深入研究，达到更高要求和更深层次的设计。在多媒体技术迅速发展的今天，直流电机调速系统将得到更好地发展，随着应用领域的扩展，直流电机调速系统也将得到更深层次的应用，因为它的简单实用、方便快捷的优点，必然会使这项技术的未来一片光明。参考文献1Speed Control of DC MotorBL./p-61338174.html，2010.6.252宗晓萍.自动控制原理M.北京：中国计量出版社，2007:12223陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.北京：机械工业出版社，2010:52934黄坚.自动控制原理及其应用M.北京：高等教育出版社，2004:15315黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真M.北京：国防工业出版社，2004:18276王忠礼，段慧达.MATLAB应用技术-在电气工程与自动化专业中的应用M.清华大学出版社， 2007:32497基于MATLAB直流电机调速系统BL./p-773376181457.html，2012.5.258陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南M.西安：西电出版社出版，2007:28439王再英.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业出版社，2007:467510转速电流双闭环直流调速系统实训设计BL./view41e4e4711a417866fb8 4a8ecb.html，2011.12.13附录=； =； =； =+； =； =； =；=； =+=+； =； =；=.电流环频域分析程序：经过小参数环节合并近似后：sys1=tf(2,0.0037 1);sys2=tf(1.014 33.3,1 0);sys3=tf(2,0.03 1);figure(1);margin(sys1*sys2*sys3);hold on;grid on未经过小参数环节合并近似：sys0=tf(1,0.002 1);sys1=tf(1.014 33.3,1 0);sys2=tf(40,0.0017 1);sys3=tf(2,0.03 1);sys4=tf(0.05,0.002 1);figure(1);margin(sys0*sys1*sys2*sys3*sys4);hold on;grid on得到频域分析曲线（如图1-3、1-4所示）；电流环阶跃响应程序：未经小参数环节合并：sys0=tf(2,0.0037 1);sys1=tf(1.014 33.3,1 0);sys2=tf(2,0.03 1);figure(1);closys1=sys0*sys1*sys2/(1+sys0*sys1*sys2);t=0:0.001:0.3;step(closys1,t);hold on;grid on经过小参数环节合并后：sys0=tf(1,0.002 1);sys1=tf(1.014 33.3,1 0);sys2=tf(40,0.0017 1);sys3=tf(2,0.03 1);sys4=tf(0.05,0.002 1);figure(1);closys1=sys0*sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3*sys4);t=0:0.001:0.3;step(closys1,t);hold on;grid on得到阶跃响应曲线（如图1-7、1-8所示）；转速环频域分析程序：未经近似处理：sys0=tf(1,0.01 1);sys1=tf(11.7 134.48,1 0);sys2=tf(20,0.0074 1);sys3=tf(0.5,0.02376 0);sys4=tf(