基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真資料

1、MATLAB課程設(shè)計基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真班級：自動化12-2 姓名：學(xué)號：目錄一、 目錄-1二、 前言-2三、 設(shè)計目的及要求-3四、 設(shè)計題目及參數(shù)-3五、 設(shè)計內(nèi)容過程-31. 計算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)-32. 電流環(huán)的動態(tài)校正過程-33. 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)校正過程-94. 建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型，對上述分析設(shè)計結(jié)果進(jìn)行仿真-14六、 設(shè)計總結(jié)-18七、 參考文獻(xiàn)-19二、前言： 控制系統(tǒng)理論與技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的主要內(nèi)容，以經(jīng)廣泛應(yīng)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(xué)工業(yè)及冶金工業(yè)等眾多學(xué)科和工程技術(shù)領(lǐng)域，并且

2、具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷、優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測的特殊功能等優(yōu)點，在非工程系統(tǒng)（如社會、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)）中，由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這是通過仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識，因此仿真技術(shù)已經(jīng)成為對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計和綜合研究中很有效的手段。隨著控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，任務(wù)的多樣化，對控制的要求越來越高，利用計算機(jī)進(jìn)行仿真和研究，以及進(jìn)一步實現(xiàn)計算機(jī)控制成為從事控制及相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員所必須掌握的一門技術(shù)。在當(dāng)今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如 MATLAB、Xmath、Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計

3、算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)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(yīng)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(chǔ)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(xué)科、多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB。經(jīng)過多年的國際競爭，MATLAB 已經(jīng)占據(jù)了數(shù)值型軟件市場的主導(dǎo)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(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在MATLAB進(jìn)入市

4、場前，國際上的許多應(yīng)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(shù)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(dá)為我們熟悉的數(shù)學(xué)符號。它幾乎可以輕易地再現(xiàn)C或FORTRAN語言全部功能，并設(shè)計出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)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(jìn)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(jìn)行鼠標(biāo)的簡單操作就可以構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個仿真環(huán)境工具箱，且在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用

5、。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(nèi)部函數(shù)。其工具箱又可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)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(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。三、設(shè)計目的及要求:本綜合課程設(shè)計總體目的是，使學(xué)生能

6、熟練的應(yīng)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(chǔ)知識，同時使學(xué)生熟悉應(yīng)用程序開發(fā)過程，使學(xué)生從學(xué)校學(xué)習(xí)到參加工作之間有一個良好的過度，為今后處理相應(yīng)領(lǐng)域的專業(yè)問題打下堅實的程序基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計的基本要求是，利用MTLAB完成一個小應(yīng)用程序的編程，課程設(shè)計結(jié)束時寫出課程設(shè)計報告，相關(guān)程序源代碼。四、設(shè)計題目及參數(shù):1.題目：基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真2.參數(shù)：設(shè)一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅(qū)動，已知電動機(jī)參數(shù)為：額定功率200W；額定轉(zhuǎn)速48V；額定電流4A；額定轉(zhuǎn)速=500r/min；電樞回路總電阻W；允許電流過載倍數(shù)

7、l=2；電勢系數(shù)0.04Vmin/r；電磁時間常數(shù)0.008s；機(jī)電時間常數(shù)0.5；電流反饋濾波時間常數(shù)0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)1ms；要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓10V；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10V；PWM功率變換器的開關(guān)頻率10kHz；放大倍數(shù)4.8。試對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)參數(shù)設(shè)計，設(shè)計指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差；電流超調(diào)量5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s 25%；過渡過程時間0.5 s。五、設(shè)計內(nèi)容過程：1.計算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：2.電流環(huán)的動態(tài)校正過程（1）編制MATLAB程序，繪制經(jīng)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

8、響應(yīng)曲線根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制MARLAB程序進(jìn)行仿真，程序如下： sys0=1/1.25; sys1=tf(6,0.0003 1); sys2=tf(0.125,0.008 1); w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0); figure(1); margin(sys1*sys2* w); hold on grid on figure(2); closys1=sys0*sys1*sys2 *w/(1+sys1*sys2* w); t=0:0.0001:0.0035; step(closys1,t); gri

9、d on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的經(jīng)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(yīng)曲線：經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的單位階躍響應(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，如下圖所示，可知電流超調(diào)量=4.32%5%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。（2）編制MATLAB程序，未經(jīng)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(yīng)曲線根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制MARLAB程序進(jìn)行仿真，程序如下： sys0=tf(1,0.0002 1); sys1=tf(1.25,0.0002

10、 1); sys2=tf(4.8,0.0001 1); sys3=tf(0.125,0.008 1); w=17.78*tf(0.008 1,0.008 0); figure(1); margin(sys1*sys2*sys3*w); hold on grid on figure(2); closys1=sys0* sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w); t=0:0.0001:0.008; step(closys1,t); grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的未經(jīng)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(yīng)曲線：未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近

11、似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線未經(jīng)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(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，如下圖所示，可知電流超調(diào)量=4.57%5%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。比較經(jīng)過經(jīng)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(yīng)曲線和未經(jīng)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(yīng)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(jié)果。3.轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)校正過程（1）編制MATLAB曲線，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

12、。也可通過編制MARLAB程序進(jìn)行仿真，程序如下： n=50; sys1=tf(0.016,0.0016 1); sys2=tf(8,0.02 0); w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0); figure(1); margin(sys1*sys2*w); hold on grid on figure(2); closys1=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(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線：經(jīng)過小

13、參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線對階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，如下圖所示，可知轉(zhuǎn)速超調(diào)量=23.3%25%，過渡過程遠(yuǎn)小于0.5s，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。（2）未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線MATLAB根據(jù)設(shè)計過程和結(jié)果，建立如下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。也可通過編制MARLAB程序進(jìn)行仿真，程序如下： sys0=tf(1,0.001 1); sys1=tf(0.8,0.0003/1666.67 1/1666.67 1); sys2=tf(8,0.02 0); sys3=tf(0.

14、02,0.001 1); w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0); figure(1); margin(sys1*sys2*sys3*w); hold on grid on figure(2); closys1=sys0* 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(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線：未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線對階

15、躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，如下圖所示，可知轉(zhuǎn)速超調(diào)量=24.7%25%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。比較經(jīng)過經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線和未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)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(zhuǎn)速環(huán)，并且不影響結(jié)果。4建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型，對上述分析設(shè)計結(jié)果進(jìn)行仿真各個out端口處的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示：分析圖可知，轉(zhuǎn)速超調(diào)量和過渡時間均符合要求，如下圖所示：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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出）Scope1（

16、電流調(diào)節(jié)器輸出）Scope2（電流）Scope3(轉(zhuǎn)速)由圖發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論結(jié)果有較大差別，原因可能在于圖中的限幅元件。六、設(shè)計總結(jié)： 通過這次的課程設(shè)計是我們認(rèn)識到我們對MATLAB方面的知識知道的，了解的還不夠多，對于書本上的很多知識運用的還不夠靈活，還有很多我們需要掌握和學(xué)習(xí)的知識在等著我們?nèi)W(xué)習(xí)和了解，我們會在以后的學(xué)習(xí)生活中 彌補(bǔ)我們所缺少的知識。本次的設(shè)計使我們從中學(xué)到了一些很重要的東西，那就是如何應(yīng)用我們從書本上學(xué)到的知識，怎樣將我們所學(xué)到的知識運用到我們以后的工作中去。在大學(xué)的課堂上的學(xué)習(xí)只是在給我們灌輸專業(yè)知識，而我們應(yīng)該把所學(xué)的知識用到我們現(xiàn)實的生活中去，此次的MATLA

17、B課程設(shè)計又給我們奠定了一個實踐基礎(chǔ)，我會在以后的學(xué)習(xí)、生活中磨練自己，使自己適應(yīng)于以后的工作競爭。 在課程設(shè)計中有收獲，同樣也有許多不足之處。首先就是軟件的安裝問題和應(yīng)用，就遇到了很多困難，有好多英文單詞都不懂，所以在應(yīng)用時不是很順利，通過百度，最終解決。由于理論知識學(xué)習(xí)的不是很好，所以在設(shè)計的時候一直在翻書進(jìn)行查找，到圖書館查找相關(guān)資料，上網(wǎng)搜索相關(guān)知識，問同學(xué)。經(jīng)過本次課程設(shè)計，加強(qiáng)了我對應(yīng)用軟件技術(shù)理論知識的學(xué)習(xí)，其次我發(fā)現(xiàn)了MTLAB軟件的強(qiáng)大之處，使我對MTLAB的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了強(qiáng)大的興趣。通過這次課程設(shè)計我從中學(xué)到了很多東西，最重要的是做好一個設(shè)計的心態(tài)，也許在你拿到題目是會覺得很困難，這個時候就要你有足夠的耐心和信心了。經(jīng)過老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的團(tuán)結(jié)合作，使我對于MTLA