基于MATLAB的直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計與仿真

1、MATLAB 課程設計基于 MATLAB 的直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計與仿真班級：自動化 12-2 姓名： 學號：目錄一、目錄 1、尸、-二、前言 2三、設計目的及要求 3四、設計題目及參數(shù) 3五、設計內容過程 31. 計算電流和轉速反饋系數(shù) 32. 電流環(huán)的動態(tài)校正過程 33. 轉速環(huán)的動態(tài)校正過程 94. 建立轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的 Simulink 仿真模型，對上述分析設計結果進行仿真 14六、設計總結 18七、參考文獻 1915、前言：控制系統(tǒng)理論與技術是現(xiàn)代科學技術的主要內容，以經廣泛應用于航空與航天工業(yè)、 電力工業(yè)、核能工業(yè)、石油工業(yè)、化學工業(yè)及冶金工業(yè)等眾多學科和工程技術

2、領域，并且具 有經濟、安全、快捷、優(yōu)化設計和預測的特殊功能等優(yōu)點，在非工程系統(tǒng)（如社會、管理、 經濟等系統(tǒng)）中，由于其規(guī)模及復雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這是通過仿真技術的 應用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認識， 因此仿真技術已經成為對控制系統(tǒng)進行分析、 設計和 綜合研究中很有效的手段。 隨著控制系統(tǒng)的日益復雜化， 任務的多樣化， 對控制的要求越來 越高， 利用計算機進行仿真和研究， 以及進一步實現(xiàn)計算機控制成為從事控制及相關行業(yè)的 工程技術人員所必須掌握的一門技術。在當今 30多個數(shù)學類科技應用軟件中，就軟件數(shù)學處理的原始內核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如MATLAB、Xmat

3、h、Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學分析型軟件，如Mathematica、Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精度解，其缺點是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低。MathWorks公司順應多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎上，又率先在專業(yè)水平 上開拓了其符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學科、多部 門要求的新一代科技應用軟件 MATLAB 。經過多年的國際競爭， MATLAB 已經占據(jù)了數(shù)值 型軟件市場的主導地位。MATLAB 是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，集數(shù)值分析，矩陣運算和圖形顯示 于一體，構成了

4、一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在 MATLAB 進入市場前，國際上的許 多應用軟件包都是直接以 FORTRAN 和 C 語言等編程語言開發(fā)的。 MATLAB 是一種對技術 計算高性能的語言。它集成了計算，可視化和編程于一個易用的環(huán)境中，在此環(huán)境下，問題 和解答都表達為我們熟悉的數(shù)學符號。它幾乎可以輕易地再現(xiàn)C或FORTRA語言全部功能，并設計出功能強大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質量程序來，而且編程效率和計算效率極高。MATLAB環(huán)境下的SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，在它 提供的圖形用戶界面（GUI）上，只要進行鼠標的簡單操作就可以構造出復雜的仿真模型， 是

5、目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個仿真環(huán)境工具箱，且在各個領域都得到了廣泛的應用。MATLAB 包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內 部函數(shù)。 其工具箱又可分為兩類： 功能性工具箱和學科性工具箱。 功能性工具箱主要用來擴 充其符號計算功能、 圖示建模仿真功能、 文字處理功能以及與硬件實時交互功能。 功能性工 具箱能用于多種學科。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control 、 toolbox 、 signalprocessing toolbox、 communication toolbox 等。這些工具箱都是由該領域內的學術水平很高 的專家編寫的，所以用戶無需編寫自

6、己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高、精、尖的研 究。三、設計目的及要求本綜合課程設計總體目的是，使學生能熟練的應用MATLAB軟件實現(xiàn)編程，了解程序開發(fā)過程中用到地一些基礎知識，同時使學生熟悉應用程序開發(fā)過程，使學生從學校學習到參加工作之間有一個良好的過度，為今后處理相應領域的專業(yè)問題打下堅實的程序基礎。本次課程設計的基本要求是，利用MTLAB完成一個小應用程序的編程，課程設計結束 時寫出課程設計報告，相關程序源代碼。四、設計題目及參數(shù)：1題目：基于MATLAB的直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計與仿真2.參數(shù)：設一轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅動，已知電動機參數(shù)為：額定

7、功率 200W ;額定轉速48V ;額定電流4A ;額定轉速=500r/min ;電樞回 路總電阻R 8 ;允許電流過載倍數(shù)=2 ;電勢系數(shù)Ce 0.04Vmin/r ;電磁時間常數(shù)Tl 0.008s;機電時間常數(shù) Tm 0.5;電流反饋濾波時間常數(shù) Toi 0.2ms；轉速反饋濾波時* *間常數(shù)Ton 1ms；要求轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的最大輸入電壓Unm U im 10V ；兩調節(jié)器的輸出限幅電壓為 10V ; PWM功率變換器的開關頻率 f 10kHz ;放大倍數(shù)Ks 4.8。 試對該系統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設計，設計指標：穩(wěn)態(tài)無靜差；電流超調量i 5% ;空載起動到額定轉速時的轉速超調量25%

8、;過渡過程時間ts 0.5 s。五、設計內容過程：1. 計算電流和轉速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)：Uim10Va巴1.25V/A ；1 nom2 4A轉速反饋系數(shù)：U；m10V0.02V min/ r nmax500r/mi n2. 電流環(huán)的動態(tài)校正過程（1）編制MATLAB 程序，繪制經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應曲線根據(jù)設計過程和結果，建立如下圖所示的經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的電流環(huán)動態(tài)結>>sys0=1/1.25;>> sys仁 tf(6,0.0003 1);>> sys2=tf(0.125,0.008 1);>>

9、; w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0);>> figure(1);>> margin( sys1*sys2* w);>> hold on >> grid on>> figure(2);>> closys 仁 sys0*sys1*sys2 *w/(1+sys1*sys2* w);>> t=0:0.0001:0.0035;>> step(closys1,t);>> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率 特性曲線和單位

10、階躍響應曲線：Bode DiagramG m = Inf dB i at Inf ra'sec) p Pm = &5.5 <1 巳g (at 1.S2e+0D3 rad/s&c)I I II |i I I r" i' t 111A. F " R * J W R P11Iiiiiii1 11 1 ii1ni i a4VUi1 l> 4 bi414 I 1i«!k 1 11111 T-1 ii1 1I 1 1i i1111 1 1*1111Ii>444 li 1e i<h 1 111H-ill| I 1 i11K

11、i i 1 1 1-1 >! I>i14if P 1 i*l> I 9Iii! il 1 il*Ini!l I 1i i11rnilII1! 1 11 li I |i1il1 !i 1i111! 1 111ii1 li i hv iiri i> ii11ah i to1iii |i I PjIj i iii1p | a1!1i I1 l! 1 h1 1>1 1 1 ii11h 1 H4-1- -1 *l 4- -ii -II -<- -» -4a b-B- I-«-B- 5-1 1- 4iii1il1 l> 4 l!1hV i4 i

12、i 1! 1iaI* I i!1111 H Ill1I 1 11 11111 1 14：illI 1'4 b«11、1 1«!1' 1 IiI111i1 11j八I 111i1 1 411 1 11 l> 1 l>ii1 11 1i1111 1 nIii11 II 1i1 111i11ni i a411 1 1I l< 4 k1441il> 1 V111 1 1i ii i h11 1I 1 1111111 1 1a*1 1 1a i >1 l>i1i|* P 1i«l> i V1ii ii li i h1

13、1 1i i i1 1iF-1亠一h 1 i-LL -10sig1id-Frequency frad/sec)經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線8 7-540.0 QO.O.Qpnscwc. 10.511.5Time stc)35x 10經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知電流超調量j =4.32%5%，滿足設計指標要求。Step Response"me (see.e.5.43o.0(9.o.o2 10o o-(2)編制MATLAB 程序，未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單 位階躍響應曲線根據(jù)設計過程和結

14、果，建立如下圖所示的未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后電流環(huán)的動態(tài) 結構圖。QDIn110 C002S+1Transfer DGainO.OOSe+1 o oo ask比8.0.126Oull0 &QD1S+11IF0 O08$friTransfer FcmlFeii2rransfAT Fc-riHTransffer 10(10023*1也可通過編制 MARLAB程序進行仿真，程序如下:>> sys0=tf(1,0.0002 1);>> sys仁 tf(1.25,0.0002 1);>> sys2=tf(4.8,0.0001 1);>> sys

15、3=tf(0.125,0.008 1);>> w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0);>> figure(1);>> margi n(sys1*sys2*sys3*w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys 仁sysO* sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);>> t=0:0.0001:0.008;>> step(closys1,t);>> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下

16、圖所示的未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻 率特性曲線和單位階躍響應曲線：:at 1 :-7e+uO3 rad/sec；Bode DiagramGm = 19.-T (at 7 07e+C03 rad/sec. Pm = 63.6 deg10Frequency (radJsc'未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線Step Resparse0.5Time (sec)未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知電流超調量i=4.57%5%，滿足設計指標要求。Time i se-c)比較經過經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位

17、階躍響應曲線和未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應曲線可知，在滿足近似條件的前提下，可以按小慣性環(huán)節(jié)的降階處理方法，將小慣性環(huán)節(jié)合并成一個慣性環(huán)節(jié)，從而簡化電流環(huán)，并且不影響結果。3. 轉速環(huán)的動態(tài)校正過程（1）編制 MATLAB單位階躍響應曲線曲線，繪制經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和根據(jù)設計過程和結果，建立如下圖所示的經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的轉速環(huán)動態(tài)結>> n=50;>> sys仁 tf(0.016,0.0016 1);>> sys2=tf(8,0.02 0);>> w=53.71*tf(0.016 1,0.

18、016 0);>> figure(1);>> margin( sys1*sys2*w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys 仁n* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*w);>> t=0:0.001:0.06;>> step(closys1,t); >> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率 特性曲線和單位階躍響應曲線：Oode DiaarsniGm = Inf cB

19、(at Inf naWsec)Pnn = S2.1 deg (at 30 rad»c)inn-1Q01ni2ii10 10 10 10 10Fequency (rad/sec)經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線Step Response7060201Q0.03Trne (secG.040.35經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知轉速超調量=23.3%25%，過渡過程遠小于0.5s,滿足設計指標要求。4営禿0耳Time fsec(2 )未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應曲線MATLAB根據(jù)設

20、計過程和結果，建立如下圖所示的經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的轉速環(huán)動態(tài)結 構圖。也可通過編制 MARLAB程序進行仿真，程序如下：>> sysO=tf(1,O.OO1 1);>> sys仁 tf(0.8,0.0003/1666.67 1/1666.67 1);>> sys2=tf(8,0.02 0);>> sys3=tf(0.02,0.001 1);>> w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0);>> figure(1);>> margi n(sys1*sys2*sys3*w);>> h

21、old on>> grid on>> figure(2);>> closys 仁 sysO* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);>> t=0:0.001:0.05;>> step(closys1,t); >> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻 率特性曲線和單位階躍響應曲線：(Bap)adwfflL-llBode DiagramGm = 13.5 冊at 1 OSc+OOS rad/ec). Pm = 43.5 才臨 fet 332

22、rad/scc)Q o Q Q Q O.S 0 O 9 、 1 1 2 - mpjKpnJlucEWio'10：IO310*Frequency (racb'sec)105未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知轉速超調量=24.7%25%，滿足設計指標要求。epnwdlwStep Responw已0.005Q.01Q.O1&0.&20.030 035 dM 0.&450.05Time (&&c)Go'D5丸0比較經過經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合

23、并近似后的轉速環(huán)單位階躍響應曲線和未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉速環(huán)單位階躍響應曲線可知，在滿足近似條件的前提下， 可以按小慣性環(huán)節(jié)的降階處理方法，將小慣性環(huán)節(jié)合并成一個慣性環(huán)節(jié)，從而簡化轉速環(huán)，并且不影響結果。4. 建立轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的Simulink仿真模型，對上述分析設計結果進行仿真+a各個out端口處的階躍響應曲線如下圖所示:21Step ResponstO分析圖可知，轉速超調量和過渡時間均符合要求，如下圖所示:OD10 005DIillD.02S tl D3 O.OiS &.04G.0450 Q5SysteiTi: s-1I/O: ln(-1tn Outg) Pe

24、ak amplitude: 623 OversTioo-t(%>: 24 7At time (sec): 0.00819Time r&ec'i'ODhob-L0 0050.010.015:System: *1 |I/O: ln(1>to OutL SettlingTir (sec)： 0J355 -Id .V_ U A_ UL* _1_1 URJ . U 3V. U JU.UTime Cseci.L- 0.045 ft.Cf將輸出用示波器仿真，如下圖所示:圖中各示波器如下圖所示:Scope （轉速調節(jié)器輸出）Scopel （電流調節(jié)器輸出）Scope3（轉速）由圖發(fā)現(xiàn)仿真結果與理論結果有較大差別，原因可能在于圖中的限幅元件。六、設計總結：通過這次的課程設計是我們認識到我們對多，對于書本上的很多知識運用的還不夠靈活，我們去學習和了解，我們會在以后的學習生活中MA TLAB 方面的知識知道的， 了解的還不夠還