基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计及仿真

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心口子三：.学习.资料.目录 TOC o 1-5 h z 目录1前言2设计目的及要求3设计题目及参数3设计容过程3计算电流和转速反响系数3电流环的动态校正过程3转速环的动态校正过程9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展仿真14设计总结18参考文献19、前言:控制系统理论与技术是现代科学技术的主要容，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领域，并且具有经济、平安、快捷、优化设计和预测的特殊功能等优点，在

2、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展分析、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，利用计算机进展仿真和研究，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核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如MATLAB、Xmath、Gaus娉，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Mathema

3、ticsMaple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根底上，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

4、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FORTRAN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是一个进展动态系统建模、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，只要进展鼠标的简单操作就可以构造出复杂的仿真模型，是目前最优秀、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包含两个局部：核心局部和各种可选的工具箱。核心局部中有数百个核

5、心部函数。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大其符号计算功能、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、signalprocessingtoolbox、communicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科围的根底程序，而直接进展高、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根底知识，同时使学生熟悉应

6、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根底。本次课程设计的根本要，利用MTLAB完成一个小应用程序的编程，课程设计完毕时写出课程设计报告，相关程序源代码。四、设计题目及参数:.题目：基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真.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，电动机参数为：额定功率200W;额定转速48V;额定电流4A;额定转速=500r/min;电枢回路总电阻R8；允许电流过载倍数=2；电势系数Ce0.04Vmin/r；电磁时间常数TL0.008s；机电时间常数Tm0.5；电流反

7、响滤波时间常数Toi0.2ms;转速反响滤波时间常数*Ton1ms；要求转速倜节器和电流倜节器的最大输入电压UnmUm10V；两倜节器的输出限幅电压为10V;PWM功率变换器的开关频率f10kHz;放大倍数Ks4.8。试对该系统进展动态参数设计，设计指标：稳态无静差；电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量25%；过渡过程时间ts0.5s。五、设计容过程：.计算电流和转速反响系数电流反响系数:*UimI nom10V2 4A1.25V/A；转速反响系数:*U nmnmax10V0.02V min/r 500r / min.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

8、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，建立如以下图所示的经过小参数环节合并并简化后的电流环动态构造图。也可通过编制MARLAB程序进展仿真，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通过MATLAB仿真，获得如以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阶跃响应曲线：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经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线号卷LaSrep Remmfime1 522.5335Time (Sfrc),经过小参数环节合并近似后的单位阶跃响应曲线i =4.32%5% ,满足设计指标要对阶跃响应曲线进展分析，如以下图所示，可知电流超调量求。111i11i1

10、_一 J -Irz -ni1 System;吕 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果，建立如以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构造图。也可通过编制MARLAB

11、程序进展仿真，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通过MATLAB仿真，获得如以下图所示的未经过小参数环节合并近似后的电流环

12、开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：Pm = 3.6 deg ：aL 1,S7e+O03 rad/secio2行1Q，1O!1OCFreusfiey(rsd/stj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未经过小参数环下合并近似后的电流环单位阶跃响应曲线i=4.57%5%,满足设计指对阶跃响应曲线进展分析，如以下图所示，可知电流超调量标要求。lipzdujv比较经过经过小参数环节合并近似后的电流环单位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

13、果。3.转速环的动态校正过程1编制MATLAB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单位阶跃响应曲线根据设计过程和结果，建立如以下图所示的经过小参数环节合并并简化后的转速环动态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通过M

14、ATLAB仿真，获得如以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：SyBode Diagr-am0123i10101Q1Q10Frequency (radl/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展分析，如以下图所示，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。apnuaFIV-ASystem:Pflalc snnplrtudi Ojftrsnoot(% At tim sec):r 1 23*- -h(J削题幡-IIIIaIIII .-II1i1

15、fl1nI11II1Step Re spun as10 A0.2a.0201Q咋003Time sec)1.2ao+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根据设计过程和结果，建立如以下图所示的经过小参数环节合并并简化后的转速环动态构造图。也可通过编制MARLAB程序进展仿真，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通过MATLAB仿真，获得如以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：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)未经过小参数环节

17、合并近似后的转速环开环频率特性曲线70-1/?K一11JIIStepResponse-&QQ5O.O10.015Q,Q2口0250030035QM0.&45Q5Time(sec)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展分析，如以下图所示，可知转速超调量=24.7%25%,满足设计指标要求。Tmt(itc)比较经过经过小参数环节合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

18、统的Simulink仿真模型，对上述分析设计结果进展仿真各个out端口处的阶跃响应曲线如以下图所示: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分析图可知，转速超调量和过渡时间均符合要求，如以下图所示: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-一专一一一TSystern:毋1|lr0ln(1to0utf4)1tSettlingTruersec:0J355J110101Swd廿u-.vwv,w,35d040.&4Sft.05Time(stc)将输出用示波器仿真，如以下图所示:TUL砧也一awoIlLjwakTEI图中各示波器如以下图所示:Scope转速调节器输出Scopel电流调节器输出Scope2电流Scope34专速）由图发现仿真结果与理论结果有较大差异，原因可能在于图中的限幅元件O六、设计总结：通过这次的课程设计是我们认识到我们对MATLAB方面的知识知道的，了解的还不够多，对于书本上的很多知识运用的还不够灵活，还有很多我们需要掌握和学习的知识在等着我们去学习和了解，我们会在以后的学习生活中弥补我们所缺少的知识。本次的设计使我们从中学到了一些很重要的东西，那就是如何应用我们从书本上学到的知识，怎样将我们所学到的知识运用到我们以后的工作中去。在大