直流调速系统动态特性仿真分析

1、毕业论文直流调速系统动态特性的仿真分析学生姓名 ：郭茂元学号 ：122012229系部：机械工程工程系专业：机械电子工程李雅青 (副教授 )指导教师：二一六年六月I/58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II/58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

2、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

3、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III / 58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

4、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 Spe

5、ed 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 softwa

6、re 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 s

7、tatic 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 simulat

8、ion 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: Sp

9、eed control of DC-drivers；Double-closed-loop； Current regulator； Speed regulator；Computer simulation； GUI simulationI/58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72.5 直流调速控制系统的总体设计102.6 直流电机参数和调节器设计122.7 带转速微分负反馈环节的双环

10、系统173直流调速系统动态特性及其仿真分析193.1 MATLAB/GUI简介193.2 GUI 设计的步骤203.3 双闭环调速系统结构图和仿真参数的设置203.4 系统仿真的结果223.5 双闭环调速系统的动态特性分析233.6 电流环和转速环参数改变对系统动态性能的影响303.7 单闭环直流调速系统的性能分析34参考文献38致谢39附录40II/581 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

11、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tr、超调量、和调节时间 t s。抗扰性能在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Cmax 、恢复时间 tv 和峰值时间 t p 。在实际的生产活动中对动态的性能指标要求不同。可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 M

12、ATLAB/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

13、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1/58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

14、 。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，

15、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。2/582 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 N 和 S ，在转子上装设电枢铁心。图 2-1 直流电机模

16、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：UIR（ 2-1）nK e式中n - 转速（ r/min ）；U - 电枢电压（ V）；I - 电枢电流（ A）；R - 电枢回路总电阻（）；- 励磁磁通（ Wb ）；Ke - 由电机结构决定的电势常数。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；2) 调节电枢供电电压 U；3) 减弱电动机磁通 。3/58对于无极调速系统，通过改变电枢电压的调速方式为最好。减弱磁通调速范围不大，一般很少使用，通常只是配合调压使用。(2) 直流调速控制系统的发展阶段1) 开环直流调速控制系统转速给定调节、触发装

17、置可控硅整流装置电机图 2-2开环直流调速系统存在的缺点是 : 第一，电流是不能反向的。第二，开环调速系统机械特性有有可能是断续的，是非线性的。2) 闭环直流调速控制系统Id?RUoLTnSTKsa图 2-3转速、电流双闭环调速系统图从各方面实验，转速和电流双闭环具有良好的静、动态特性。2.2 直流调速系统的组成典型反馈控制系统的结构中包含三个典型的部分: 即对象模型、控制器模型、反馈模型。输入输出控制器模型对象模型图 2-4开环系统的结构图4/58控制器模型对象模型反馈模型图 2-5闭环系统的结构图2.3 PID 控制PID 在控制工程中使用广泛，它的结构灵活，在工业中有很大的优势,如机械、

18、电气、液压等方面。它有四种控制，分别是P、 PD、 PI、PID。PID 控制算法的示意图如图 2-6KpE(s) U(s) Ki/sKds图 2-6P1D 控制算法的示意图其中 :E(s)为误差信号U (s)为输出信号比例项的作用是只改变信号的增益而不影响其相位，积分项的作用是减少稳态误差，微分项能产生超前控制，减少响应的超调。式（ 2-2 ）即 （ t ）进行运算形成的：K ptde(t)（ 2-2）m(t ) K pe(t )e(t )dt K pTl0dt5/58相应的传递函数为 :Gc( s)K p (11s)Tl s（ 2-3）K pTs2T s1llTlsPID 控制器如图 2-

19、7所示R(s)C(s)1M(s)Kp (1s)TslE(s)图 2-7 PID 控制器在实际生产应用时，因为检测信号中含有很强的干扰信号，只用PI 控制，一般不采用微分控制项。E(s)K p (11 )U(s)Ti s图2-8 P I 控制器闭环调速系统的转速环、电流环大多数用的是PI 控制。 PI 控制有比例控制、积分控制。Uls 1UIUscsrK pW l( s)l s图 2-9 采用 PI 调节器的自动调节系统Wl (s) 是系统调节对象的传递函数，U sr 是系统的输入信号， U sc是系统的输出信6/58号，U sr U sc 表示偏差信号， U I 是调节器输出的控制信号 (各值

20、取绝对值 )。 K p 是PI 调节器的比例系数， l 是 PI 调节器的时间常数， K pl s 1 是 PI 调节器的传递函数。l s从传递函数看，自动调节系统为：U l(s)l s1K p（ 2-4）Wpi (s) K pK pl s( s)lsUl 可分成比例部分和积分部， 其中，比例部分与偏差成正比， 积分部分同偏差的积分有关。2.4 转速、电流双闭环调速系统的静态、动态特性分析2.4.1 转速、电流双闭环调速系统的静特性图 2-10 转速、电流双闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二

21、者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图 2-10所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看， 电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。7/58图 2-11转速、电流环系统电路图为了获得良好的静、动态性能，电流、转速双环系统一般都采用PI 调节器。图2-11是电路原理图。从图 2-11可知两个调节器的输出都是带限幅的。图 2-12双闭环调速系统稳态结构图一般，电流调节器不会达到饱和。所以，在静特性中，就只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。2.4.2转速、电流双闭环调速系统的动态特性8/58

22、（1）双闭环调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 2-14所示。图中 WASR(s) 转速调节器的传递函数， WACR (s) 是电流调节器的传递函数。-I dLUd 0 (s)E(s)*I d1nU nUiW(s)Uct (s) K s1/ RRW(s)ACRASRTss 1Tl s 1TmsCe-图 2-13 双闭环系统动态结构图（2）动态抗扰性能分析 抗负载扰动由图 2-14 动态图可知，只能靠转速调节器来产生抗扰作用，因为，负载扰动在电流环之后。在设计ASR时，应要注有较好的抗扰性能指标。 抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。U d 和 I dL

23、都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用就会受到延滞。（3）电流调节器和转速调节器的作用1) 转速调节器有以下功能：实现稳态无静差；在抗负载扰动方面起作用；最大电流是由转速调节器的限幅来定的。2) 电流调节器有以下功能：抗电网电压扰动；能保证在启动时有最大电流；能起到安全保护作用。9/582.5 直流调速控制系统的总体设计控制系统的设计思路如下图若性能不能满足规范要求，则重新确定系统结构和选择执行机构确定控制目标确定控制变量给定备变量控制要求（

24、设计指标）确定系统结构，选择执行机构建立对象、执行机构和传感器模型确立控制器模型，选择关键待调参数优化系统参数，分析系统性能若性能满足规范要求，则设计工作结束图 2-14控制系统的设计思路本设计要求按某大中型龙门刨床的参数设计，下面是设计要求。控制系统设计要求：双闭环系统转数超调量%40% ，带转速微分的系统转速超调量%8% ，调节时间 ts0.5s14 。2.5.1 直流电动机数学模型直流电动机的等效方框图如图2-15 所示。10/58I fzUd01/ R IdRETl 1TmS1nC e图 2-15 直流电机的等效方框图电动机电枢回路的运动方程式:dIdL dI d)U d0 E I d

25、R L dtR(I d R dt取下边式子的拉斯变换等，在零初始条件下：I d( s)1 RUd0(s)E( s)1 T1sT1 L R 是电枢回路电磁时间常数，单位为s；电流与电动势间的传递函数如下：E(S)R(2-7)Id (S)IdL (S)TmS再考虑 E Cen ，得出直流电动机的动态结构图。如果不需要表现出电流可进一步简化。I fzR ( T l s1)Ud 0-1 / C en+T m T l S 2T m S1图 2-16直流电动机的动态结构图2.5.2 测速电机数学模型（ 2-5 ）（ 2-6 ）I d ，还11/58测速发电机经简化后，可以认为其输出电压同转速有线性关系，即

26、:Un式中 :是测速发电机的反馈系数，单位是伏分/ 转。n 是电机转速，单位是转/ 分。2.5.3 可控硅触发和整流装置的数学模型2.6 直流电机参数和调节器设计2.6.1 电机参数直流电机 :ZBD-93-BL 型电枢回路总电阻Rs0.04电势常数Ce0.21268 /r/ minV转矩负载 Cm0.20649点数时间常数 Tl0.014s机电时间常数 Tm0.12s电流反馈系数i0.033（V/A）转速反馈系数n0.01（r/min ）2.6.2 转速、电流双闭环调速系统图在所要研究的系统中设计两个调节器，是为了实现电流、转速两种负反馈分别起作用，分别实现对电流和对转速的调节，它们的关系见

27、图2-17。双闭环调节器一般都采用PI 调节器，是为了获得较好的静、动态性能。转速、电流双闭环直流调速控制系统的系统结构图见图2-17。12/58Id电流反馈R转速给定数字是数字是可控硅转速电流调等功率直流电速度调节器机器器件机转速负反馈图 2-17转速、电流双闭环调速系统图2.6.3 电流调节器的设计由于 TS 和 Toi 一般都比 Tl 小得多，可当作小惯性环节处理，因此可取 T Ts Toi 将电机的反馈断开，其电流环结构图如图 2-18 所示。Ugi1Ki ( i 1)UkK sUd0 1/ RIdT s 1i sTs s 1Tl s 1oiToi s1图 2-18断开电机反馈的电流环

28、的动态结构图将其他等效于环内的结构图如图2-19 。Ugi/1Ki ( i 1)UkKsUd01/ RIdToi s 1i sTss 1Tl s 1图 2-19电流调节环动态结构图简化Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小，可当成小参数近似处理， 等效系统结构图如图2-20 所示。13/58Ugi/K s / RIdKi ( i 1)1)(Tl s 1)(T i si s图 2-20电流环动态结构简化图（1）电流调节器结构选择电流调节器应该采用 PI 调节器，因为电流环要校正成I 型系统，传递函数为：K i ( i s 1)(2-8)WACRi s式中Ki电流调节器的比例系数 ；i电流调节器的超

29、前时间常数 。为了让调节器零点抵消掉控制对象的大时间常数极点，选择iTl所以电流环的动态结构图就成为典型形式，K I 见式（ 2-9）K i K s(2-9)K Ii R校正成典型2-21。型系统的电流环结构图见图Ugi/KIIds(T i s 1)图 2-21校正成典型I 型系统的电流环很多时候，希望 % 5%时，可取0.707 ， K I T i0.5 , 所以K I1（2-10 ）ci2T i14/58KiTl RRTl（2-11）2K sT i2K sT i(2) 电流调节器参数计算1）确定时间常数在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈断开，从而得到忽略电动

30、势影响的电流环近似结构图。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。最后， Ts 和 Toi 比 Tl 小得多，可以当作小惯性环节处理，等效成一个惯性环节，取Ts0.0017s ；Toi2ms0.002s；T i Ts Toi0.00170.0020.0037s2）确定电流调节器所需的结构参数根据要求 :%10% ,而且Tl0.01410T i0.780.0037所以可按典型 I型系统设计。电流调节器选用PI 型，它的传递函数为WACR si s 1Kii sACR超前时间常数 :iTl =0.014s电流环开环增益 : 要求%5% , 应取 KI T i0.52 ，因此K I11135.

31、1(1/s)2T i2 0.0037ACR的比例系数为KiK Ii R135.10.0140.04K s0.0330.057402.6.4 转速调节器的设计将电流环等效替代前面的电流环之后，图2-22 转速调节器的结构图。15/58I fzUgn1Ugi1/Id1/ RnToi s 1ASRqT i s 1Tl s 1Ton s1图 2-22 转速环动态结构图图 2-23 是把 滤波惯性环节 等效地移到转速环内后的转速环结构图。I fzUgn/ASR/IdRnT i s1CeTms图 2-23转速环动态结构图在使用中，转速调节器一般最好采用PI 调节器，因为转速环校是要校正成II型系统，下面是

32、其传递函数：WASR sn s 1K n(2-12)n s可知，图 2-23 的开环传递函数如下：KNK nR(2-13)n CeTm式中 Kn -转数环的开环增益 :WnK Nn s1）sT n s（2-14s21由上得， ASR的比例系数为 :nCeTm(2-15)K n K NRASR的参数 :16/58nhT n(2-16)K Nh 1(2-17)2h2T2n调节器 PI 的比例系数 :K nh 1CeTm(2-18)2h RT n如无特殊要求，一般取中频宽h=5 为好 2 。(1) 转速环参数计算选取转速环滤波时间常数Ton0.01，上面已经确定T i0.0037s，合并转速环小s时

33、间常数，最终T n2Ton0.0174T is(2) 选择转速调节器的结构根据要求，转速环应按典型 型系统设计。所以转 ASR用 PI 调节器 ，它的传递函数为 :K n (n1)(2-19)W ASR(s)n(3) 下面确定转速调节器参数取 h=5，ASR时间常数为 :nhT n50.0174s0.087s它的开环增益为：K Nh 1 =51396.42h2T 2n2 520.0174 2则它的放大系数为 :nCeTm396.40.087 0.033 0.21268 0.12K n KNR72.60.01 0.042.7 带转速微分负反馈环节的双环系统在有些时候系统既不让转速超调，对抗扰性能

34、要求高。只采用转速环和电流环就17/58有些不够用了，所以就引入了转速微分负反馈。加入他可以减少超调，也能降低Cmax % ，所以采用该种改进对系统是很有好处的。从图2-24 中可以看出，它比一般的转速调节器多了两个器件，分别是Cdn 和 Rdn ，比原来转速微分负反馈。这样两个作用比普通的系统提前达到平衡。下面是带转速微分负反馈的转速调节器的原理图。CnRnUnR0R0*22-Ui*C on+ +R0R022RbalC onCdnRdnn图 2-24 带转速微分负反馈的转速调节器原理图由图 2-24，经过公式变换，最终得到转速微分负反馈环节为dns 。T0 dns 1有前面已知的0.01Vm

35、in/ s ， T0dnTon 0.01。dn | 04h2 T n202 0.0173 s0.0634h16取dn0.0634 ，所以dn s0.010.0634s0.000634ssT0dn s 10.01s 10.01s 118/583 直流调速系统动态特性及其仿真分析3.1 MATLAB/GUI简介MATLAB 的数学运算功能特别强大、界面直观、人机互动强。在很多领域都用到，如：电工电气、机械、图像处理等。图 3-3 GUI 交互组件GUI 的组件主要有按钮（ Push Button）、滑动条（ Slider）、单选按钮（ Radio Button）、复选框（Check Box）、文本

36、框 (Edit Text)、文本标签（ Static Text）、下拉菜单(Pop-Up Menu)、下拉列表框 (List Box) 、双位按钮 (ToggleButton)、坐标轴（ Axes）、面板（ Panel）、按钮组（ Button Group）和 ActiveX(ActiveX Control) 1 。图 3-4 GUI 交互组件面板19/583.2 GUI 设计的步骤构思草图绘制控件调整控件设置属性M 文件编写GUI程序的存储运行程序图 3-5 GUI 设计的步骤3. 3 双闭环调速系统结构图和仿真参数的设置前面已按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，直流调速系

37、统的动态性能有两个，分别是动态跟随性能和动态抗扰性能。20/58-I dL (s)Ud0 (s) E(s)Un*(s)Id(s)1n(s)1+ASRU i*(s) 1+Uct( s) Ks1/ RRToi s 1ACR+Tm sCeTon s 1-Ts s 1 +Tl s 1电流环Tois1Ton s1图 3-6双闭环调速系统动态结构图*11Un(s)*Tons 1+ASRUi(s)Tois 1-IdL (s)Ud0(s) E(s)Id(s)1 n(s)+Uct(s) K sR1/ RACRTl s 1 +Ce-Tss 1 +Tms电流环Toi s 1Tons 1dn sT0dn s 1图 3-7带转速微分负反馈环节调速系统动态结构图前面已按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，直流调速系统的动态性能有两个，分别是动态跟随性能和动态抗扰性能。3.3.1通过 MATLAB 求系统的传递函数G1=tf(1,0.01 1); G2=tf(Tn 1,Tn/Kn 0);G3=tf(1,0.002 1); G4=tf(Ti 1,Ti/Ki 0);G5=tf(40,0.00167