基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

1、MATLAB 课程设计基于 MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真班级：自动化 12-2 姓名： 学号：目录一、目录 1、尸、-二、前言 2三、设计目的及要求 3四、设计题目及参数 3五、设计内容过程 31. 计算电流和转速反馈系数 32. 电流环的动态校正过程 33. 转速环的动态校正过程 94. 建立转速电流双闭环直流调速系统的 Simulink 仿真模型，对上述分析设计结果进行仿真 14六、设计总结 18七、参考文献 1915、前言：控制系统理论与技术是现代科学技术的主要内容，以经广泛应用于航空与航天工业、 电力工业、核能工业、石油工业、化学工业及冶金工业等众多学科和工程技术

2、领域，并且具 有经济、安全、快捷、优化设计和预测的特殊功能等优点，在非工程系统（如社会、管理、 经济等系统）中，由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这是通过仿真技术的 应用可以获得对系统的某种超前认识， 因此仿真技术已经成为对控制系统进行分析、 设计和 综合研究中很有效的手段。 随着控制系统的日益复杂化， 任务的多样化， 对控制的要求越来 越高， 利用计算机进行仿真和研究， 以及进一步实现计算机控制成为从事控制及相关行业的 工程技术人员所必须掌握的一门技术。在当今 30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如MATLAB、Xmat

3、h、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平 上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部 门要求的新一代科技应用软件 MATLAB 。经过多年的国际竞争， MATLAB 已经占据了数值 型软件市场的主导地位。MATLAB 是一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析，矩阵运算和图形显示 于一体，构成了

4、一个方便的、界面友好的用户环境。在 MATLAB 进入市场前，国际上的许 多应用软件包都是直接以 FORTRAN 和 C 语言等编程语言开发的。 MATLAB 是一种对技术 计算高性能的语言。它集成了计算，可视化和编程于一个易用的环境中，在此环境下，问题 和解答都表达为我们熟悉的数学符号。它几乎可以轻易地再现C或FORTRA语言全部功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。MATLAB环境下的SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在它 提供的图形用户界面（GUI）上，只要进行鼠标的简单操作就可以构造出复杂的仿真模型， 是

5、目前最优秀、最容易使用的一个仿真环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛的应用。MATLAB 包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内 部函数。 其工具箱又可分为两类： 功能性工具箱和学科性工具箱。 功能性工具箱主要用来扩 充其符号计算功能、 图示建模仿真功能、 文字处理功能以及与硬件实时交互功能。 功能性工 具箱能用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control 、 toolbox 、 signalprocessing toolbox、 communication toolbox 等。这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高 的专家编写的，所以用户无需编写自

6、己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研 究。三、设计目的及要求本综合课程设计总体目的是，使学生能熟练的应用MATLAB软件实现编程，了解程序开发过程中用到地一些基础知识，同时使学生熟悉应用程序开发过程，使学生从学校学习到参加工作之间有一个良好的过度，为今后处理相应领域的专业问题打下坚实的程序基础。本次课程设计的基本要求是，利用MTLAB完成一个小应用程序的编程，课程设计结束 时写出课程设计报告，相关程序源代码。四、设计题目及参数：1题目：基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真2.参数：设一转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动，已知电动机参数为：额定

7、功率 200W ;额定转速48V ;额定电流4A ;额定转速=500r/min ;电枢回 路总电阻R 8 ;允许电流过载倍数=2 ;电势系数Ce 0.04Vmin/r ;电磁时间常数Tl 0.008s;机电时间常数 Tm 0.5;电流反馈滤波时间常数 Toi 0.2ms；转速反馈滤波时* *间常数Ton 1ms；要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压Unm U im 10V ；两调节器的输出限幅电压为 10V ; PWM功率变换器的开关频率 f 10kHz ;放大倍数Ks 4.8。 试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差；电流超调量i 5% ;空载起动到额定转速时的转速超调量25%

8、;过渡过程时间ts 0.5 s。五、设计内容过程：1. 计算电流和转速反馈系数电流反馈系数：Uim10Va巴1.25V/A ；1 nom2 4A转速反馈系数：U；m10V0.02V min/ r nmax500r/mi n2. 电流环的动态校正过程（1）编制MATLAB 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线根据设计过程和结果，建立如下图所示的经过小参数环节合并并简化后的电流环动态结>>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通过MATLAB仿真，获得如下图所示的经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率 特性曲线和单位

10、阶跃响应曲线：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)经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线8 7-540.0 QO.O.Qpnscwc. 10.511.5Time stc)35x 10经过小参数环节合并近似后的单位阶跃响应曲线对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知电流超调量j =4.32%5%，满足设计指标要求。Step Response"me (see.e.5.43o.0(9.o.o2 10o o-(2)编制MATLAB 程序，未经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线和单 位阶跃响应曲线根据设计过程和结

14、果，建立如下图所示的未经过小参数环节合并并简化后电流环的动态 结构图。QDIn110 C002S+1Transfer DGainO.OOSe+1 o oo ask比8.0.126Oull0 &QD1S+11IF0 O08$friTransfer FcmlFeii2rransfAT Fc-riHTransffer 10(10023*1也可通过编制 MARLAB程序进行仿真，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通过MATLAB仿真，获得如下

16、图所示的未经过小参数环节合并近似后的电流环开环频 率特性曲线和单位阶跃响应曲线：:at 1 :-7e+uO3 rad/sec；Bode DiagramGm = 19.-T (at 7 07e+C03 rad/sec. Pm = 63.6 deg10Frequency (radJsc'未经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线Step Resparse0.5Time (sec)未经过小参数环节合并近似后的电流环单位阶跃响应曲线对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知电流超调量i=4.57%5%，满足设计指标要求。Time i se-c)比较经过经过小参数环节合并近似后的电流环单位

17、阶跃响应曲线和未经过小参数环节合并近似后的电流环单位阶跃响应曲线可知，在满足近似条件的前提下，可以按小惯性环节的降阶处理方法，将小惯性环节合并成一个惯性环节，从而简化电流环，并且不影响结果。3. 转速环的动态校正过程（1）编制 MATLAB单位阶跃响应曲线曲线，绘制经过小参数环节合并近似后的转速环开环频率特性曲线和根据设计过程和结果，建立如下图所示的经过小参数环节合并并简化后的转速环动态结>> 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通过MATLAB仿真，获得如下图所示的经过小参数环节合并近似后的转速环开环频率 特性曲线和单位阶跃响应曲线：Oode DiaarsniGm = Inf cB

19、(at Inf naWsec)Pnn = S2.1 deg (at 30 rad»c)inn-1Q01ni2ii10 10 10 10 10Fequency (rad/sec)经过小参数环节合并近似后的转速环开环频率特性曲线Step Response7060201Q0.03Trne (secG.040.35经过小参数环节合并近似后的转速环单位阶跃响应曲线对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知转速超调量=23.3%25%，过渡过程远小于0.5s,满足设计指标要求。4営秃0耳Time fsec(2 )未经过小参数环节合并近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线MATLAB根据设

20、计过程和结果，建立如下图所示的经过小参数环节合并并简化后的转速环动态结 构图。也可通过编制 MARLAB程序进行仿真，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通过MATLAB仿真，获得如下图所示的未经过小参数环节合并近似后的转速环开环频 率特性曲线和单位阶跃响应曲线：(Bap)adwfflL-llBode DiagramGm = 13.5 册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未经过小参数环节合并近似后的转速环开环频率特性曲线未经过小参数环节合并近似后的转速环单位阶跃响应曲线对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知转速超调量=24.7%25%，满足设计指标要求。epnwdlwStep Responw已0.005Q.01Q.O1&0.&20.030 035 dM 0.&450.05Time (&&c)Go'D5丸0比较经过经过小参数环节合

23、并近似后的转速环单位阶跃响应曲线和未经过小参数环节合并近似后的转速环单位阶跃响应曲线可知，在满足近似条件的前提下， 可以按小惯性环节的降阶处理方法，将小惯性环节合并成一个惯性环节，从而简化转速环，并且不影响结果。4. 建立转速电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真模型，对上述分析设计结果进行仿真+a各个out端口处的阶跃响应曲线如下图所示:21Step ResponstO分析图可知，转速超调量和过渡时间均符合要求，如下图所示: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将输出用示波器仿真，如下图所示:图中各示波器如下图所示:Scope （转速调节器输出）Scopel （电流调节器输出）Scope3（转速）由图发现仿真结果与理论结果有较大差别，原因可能在于图中的限幅元件。六、设计总结：通过这次的课程设计是我们认识到我们对多，对于书本上的很多知识运用的还不够灵活，我们去学习和了解，我们会在以后的学习生活中MA TLAB 方面的知识知道的， 了解的还不够还