基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真

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心口子三：.學(xué)習(xí).資料.目錄 TOC o 1-5 h z 目錄1前言2設(shè)計目的及要求3設(shè)計題目及參數(shù)3設(shè)計容過程3計算電流和轉(zhuǎn)速反響系數(shù)3電流環(huán)的動態(tài)校正過程3轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)校正過程9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)展仿真14設(shè)計總結(jié)18參考文獻(xiàn)19、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，并且具有經(jīng)濟(jì)、平安、快捷、優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測的特殊功能等優(yōu)點，在

2、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)展分析、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)展仿真和研究，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)處理的原始核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如MATLAB、Xmath、Gaus娉，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(xué)分析型軟件，如Mathema

3、ticsMaple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根底上，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

4、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)展動態(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)展鼠標(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。MATLAB包含兩個局部：核心局部和各種可選的工具箱。核心局部中有數(shù)百個核

5、心部函數(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)大其符號計算功能、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)性比較強的，如control、toolbox、signalprocessingtoolbox、communicationtoolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域的學(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)科圍的根底程序，而直接進(jìn)展高、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)過程中用到地一些根底知識，同時使學(xué)生熟悉應(yīng)

6、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根底。本次課程設(shè)計的根本要，利用MTLAB完成一個小應(yīng)用程序的編程，課程設(shè)計完畢時寫出課程設(shè)計報告，相關(guān)程序源代碼。四、設(shè)計題目及參數(shù):.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.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，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R8；允許電流過載倍數(shù)=2；電勢系數(shù)Ce0.04Vmin/r；電磁時間常數(shù)TL0.008s；機(jī)電時間常數(shù)Tm0.5；電流反

7、響濾波時間常數(shù)Toi0.2ms;轉(zhuǎn)速反響濾波時間常數(shù)*Ton1ms；要求轉(zhuǎn)速倜節(jié)器和電流倜節(jié)器的最大輸入電壓UnmUm10V；兩倜節(jié)器的輸出限幅電壓為10V;PWM功率變換器的開關(guān)頻率f10kHz;放大倍數(shù)Ks4.8。試對該系統(tǒng)進(jìn)展動態(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i5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%；過渡過程時間ts0.5s。五、設(shè)計容過程：.計算電流和轉(zhuǎn)速反響系數(shù)電流反響系數(shù):*UimI nom10V2 4A1.25V/A；轉(zhuǎn)速反響系數(shù):*U nmnmax10V0.02V min/r 500r / min.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)

8、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，建立如以下圖所示的經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后的電流環(huán)動態(tài)構(gòu)造圖。也可通過編制MARLAB程序進(jìn)展仿真，程序如下：sys0=1/1.25;sys1=tf(6,0.00031);sys2=tf(0.125,0.0081);w=17.78*tf(0.0081,0.0080);figure。)；margin(sys1*sys2*w);holdongridonfigure(2);closys1=sys0*sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*w);t=0:0.0001:0.0035;step(closys1,t);gri

9、don通過MATLAB仿真，獲得如以下圖所示的經(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：rm 9cpnwggs的曳 DiagramGm 工 kif dB fat Inf rats&c. Pm 65.S 杷g 旬 1.52e*O03 ra40102IQ3,IQ*Frepuencv iralsac經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線號卷LaSrep Remmfime1 522.5335Time (Sfrc),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i =4.32%5% ,滿足設(shè)計指標(biāo)要對階躍響應(yīng)曲線進(jìn)展分析，如以下圖所示，可知電流超調(diào)量求。111i11i1

10、_一 J -Irz -ni1 System;呂 1- J1 Peak amplitude, Ouersliaat4.32.! At time (sec): 0.0C1&S. . I ：l1；1 二!，； ! 1I ：l-! ! :I ：l1卜：I ：lLI :!lb ;I :i1:=i;1,j .LJ.1 1j11 :J : : ,11 1IIStep Re&pon6e52Tine (se-c)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，建立如以下圖所示的未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并并簡化后電流環(huán)的動態(tài)構(gòu)造圖。也可通過編制MARLAB

11、程序進(jìn)展仿真，程序如下：sys0=tf(1,0.00021);sys1=tf(1.25,0.00021);sys2=tf(4.8,0.00011);sys3=tf(0.125,0.0081);w=17.78*tf(0.0081,0.0080);figure。);margin(sys1*sys2*sys3*w);holdongridonfigure(2);closys1=sys0*sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);t=0:0.0001:0.008;step(closys1,t);gridon通過MATLAB仿真，獲得如以下圖所示的未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)

12、開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線：Pm = 3.6 deg ：aL 1,S7e+O03 rad/secio2行1Q，1O!1OCFreusfiey(rsd/stj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)頻率特性曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)下合并近似后的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線i=4.57%5%,滿足設(shè)計指對階躍響應(yīng)曲線進(jìn)展分析，如以下圖所示，可知電流超調(diào)量標(biāo)要求。lipzdujv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)

13、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，建立如以下圖所示的經(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)n=50;sys1=tf(0.016,0.00161);sys2=tf(8,0.020);w=53.71*tf(0.0161,0.0160);figure(1);margin(sys1*sys2*w);holdongridonfigure(2);closys1=n*sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*w);t=0:0.001:0.06;step(closys1,t);gridon通過M

14、ATLAB仿真，獲得如以下圖所示的經(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：SyBode Diagr-am0123i10101Q1Q10Frequency (radl/sec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)展分析，如以下圖所示，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。apnuaFIV-ASystem:Pflalc snnplrtudi Ojftrsnoot(% At tim sec):r 1 23*- -h(J削題幡-IIIIaIIII .-II1i1

15、fl1nI11II1Step Re spun as10 A0.2a.0201Q咋003Time sec)1.2ao+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，建立如以下圖所示的經(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)構(gòu)造圖。也可通過編制MARLAB程序進(jìn)展仿真，程序如下：sys0=tf(1,0.0011);sys1=tf(0.8,0.0003/1666.671/1666.671);sys2=tf(8,0.020);sys3=tf(0.02,0.0011);w=53.71*tf(0.0161,0.0160);figure(1);margi

16、n(sys1*sys2*sys3*w);holdongridonfigure(2);closys1=sys0*sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);t=0:0.001:0.05;step(closys1,t);gridon通過MATLAB仿真，獲得如以下圖所示的未經(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：kp)司君UM三(M ,EUn.Bode DiagramGm 五 13.5 dB (at 1.0&十003 raised B Pm = 49.5 deg (at 332 rad/sec)Frequency (radrsec)未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)

17、合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線70-1/?K一11JIIStepResponse-&QQ5O.O10.015Q,Q2口0250030035QM0.&45Q5Time(sec)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)曲線對階躍響應(yīng)曲線進(jìn)展分析，如以下圖所示，可知轉(zhuǎn)速超調(diào)量=24.7%25%,滿足設(shè)計指標(biāo)要求。Tmt(itc)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

18、統(tǒng)的Simulink仿真模型，對上述分析設(shè)計結(jié)果進(jìn)展仿真各個out端口處的階躍響應(yīng)曲線如以下圖所示:Step Response(WSQbl10011I1I1I11a|iiipi|Ia|iril1h1i1ri3|l|I1I1flHjlIIkIIIIIiB，4_, _ _ _1I111H/9|haiiii I/Il1F1Ii IiF/!-1!1!_yIIIIIII11II。0.005 Q,Q1 0,0150 Q 0.02S0 Q3 D.0350.040 (M51.0-5Trne- fseci分析圖可知，轉(zhuǎn)速超調(diào)量和過渡時間均符合要求，如以下圖所示:0.05TimeCseciSystem:s.1町I

19、n也Out(4)Peakamplitude:62.3Oerstiao-tf%):247Attime(sec):O.OOS19lill0.G2S0030.0350.04004S工Inoti-上一二一上一J-一專一一一TSystern:毋1|lr0ln(1to0utf4)1tSettlingTruersec:0J355J110101Swd廿u-.vwv,w,35d040.&4Sft.05Time(stc)將輸出用示波器仿真，如以下圖所示:TUL砧也一awoIlLjwakTEI圖中各示波器如以下圖所示:Scope轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Scopel電流調(diào)節(jié)器輸出Scope2電流Scope34專速）由圖發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論結(jié)果有較大差異，原因可能在于圖中的限幅元件O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