基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真资料.doc

MATLAB课程设计

基于MATLAB直流电机双闭环调速系统设计及仿真

班级：自动化12-2
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学号：

目录

一、 目录-----------------------------------------------------------1
二、 前言-----------------------------------------------------------2
三、 设计目及要求------------------------------------------3
四、 设计题目及参数--------------------------------------------3
五、 设计内容过程-----------------------------------------------3
1. 计算电流和转速反馈系数-----------------------------------------3
2. 电流环动态校正过程--------------------------------------------3
3. 转速环动态校正过程--------------------------------------------9
4. 建立转速电流双闭环直流调速系统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---------------------------------------------------19

二、前言：

控制系统理论及技术是现代科学技术主要内容，以经广泛应用于航空及航天工业、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、安全、快捷、优化设计和预测特殊功能等优点，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，这是通过仿真技术应用可以获得对系统某种超前认识，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手段。随着控制系统日益复杂化，任务多样化，对控制要求越来越高，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工程技术人员所必须掌握一门技术。

在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如 MATLAB、XmathGauss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、多部门要求新一代科技应用软件MATLAB。经过多年国际竞争，MATLAB 已经占据了数值型软件市场主导地位。

MATLAB是一套高性能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、界面友好用户环境。在MATLAB进入市场前，国际上许多应用软件包都是直接以FORTRAN和C语言等编程语言开发。MATLAB 是一种对技术计算高性能语言。它集成了计算，可视化和编程于一个易用环境中，在此环境下，问题和解答都表达为我们熟悉数学符号。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、稳定可靠高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。MATLAB环境下SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析集成软件包，在它提供图形用户界面（GUI）上，只要进行鼠标简单操作就可以构造出复杂仿真模型，是目前最优秀、最容易使用一个仿真环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛应用。

MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选工具箱。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、文字处理功能以及及硬件实时交互功能。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，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高专家编写，所以用户无需编写自己学科范围内基础程序，而直接进行高、精、尖研究。

三、设计目及要求:

本综合课程设计总体目是，使学生能熟练应用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过度，为今后处理相应领域专业问题打下坚实程序基础。
本次课程设计基本要求是，利用MTLAB完成一个小应用程序编程，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直流电机双闭环调速系统设计及仿真
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W；允许电流过载倍数l=2；电势系数0.04Vmin/r；电磁时间常数0.008s；机电时间常数0.5；电流反馈滤波时间常数0.2ms；转速反馈滤波时间常数1ms；要求转速调节器和电流调节器最大输入电压10V；两调节器输出限幅电压为10V；PWM功率变换器开关频率10kHz；放大倍数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5%；空载起动到额定转速时转速超调量s £ 25%；过渡过程时间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：；
转速反馈系数：
2.电流环动态校正过程
（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，建立如下图所示经过小参数环节合并并简化后电流环动态结构图。

也可通过编制MARLAB程序进行仿真，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);
>> grid on
通过MATLAB仿真，获得如下图所示经过小参数环节合并近似后电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：

经过小参数环节合并近似后电流环开环频率特性曲线

经过小参数环节合并近似后单位阶跃响应曲线
对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知电流超调量=4.32%5%，满足设计指标要求。

（2）编制MATLAB程序，未经过小参数环节合并近似后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，建立如下图所示未经过小参数环节合并并简化后电流环动态结构图。

也可通过编制MARLAB程序进行仿真，程序如下：
>> sys0=tf(1,[0.0002 1]);
>> sys1=tf(1.25,[0.0002 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

通过MATLAB仿真，获得如下图所示未经过小参数环节合并近似后电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：

未经过小参数环节合并近似后电流环开环频率特性曲线

未经过小参数环节合并近似后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=4.57%5%，满足设计指标要求。

比较经过经过小参数环节合并近似后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电流环单位阶跃响应曲线可知，在满足近似条件前提下，可以按小惯性环节降阶处理方法，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，建立如下图所示经过小参数环节合并并简化后转速环动态结构图。

也可通过编制MARLAB程序进行仿真，程序如下：
>> 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
通过MATLAB仿真，获得如下图所示经过小参数环节合并近似后转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：

经过小参数环节合并近似后转速环开环频率特性曲线

经过小参数环节合并近似后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。

（2）未经过小参数环节合并近似后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，建立如下图所示经过小参数环节合并并简化后转速环动态结构图。

也可通过编制MARLAB程序进行仿真，程序如下：
>> 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(0.02,[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
通过MATLAB仿真，获得如下图所示未经过小参数环节合并近似后转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：

未经过小参数环节合并近似后转速环开环频率特性曲线

未经过小参数环节合并近似后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。

比较经过经过小参数环节合并近似后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转速环单位阶跃响应曲线可知，在满足近似条件前提下，可以按小惯性环节降阶处理方法，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Simulink仿真模型，对上述分析设计结果进行仿真

各个out端口处阶跃响应曲线如下图所示：

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：

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）

Scope1（电流调节器输出）

Scope2（电流）

Scope3(转速)

由图发现仿真结果及理论结果有较大差别，原因可能在于图中限幅元件。
六、设计总结：
通过这次课程设计是我们认识到我们对MATLAB方面知识知道，了解还不够多，对于书本上很多知识运用还不够灵活，还有很多我们需要掌握和学习知识在等着我们去学习和了解，我们会在以后学习生活中 弥补我们所缺少知识。本次设计使我们从中学到了一些很重要东西，那就是如何应用我们从书本上学到知识，怎样将我们所学到知识运用到我们以后工作中去。在大学课堂上学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应该把所学知识用到我们现实生活中去，此次MATLAB课程设计又给我们奠定了一个实践基础，我会在以后学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后工作竞争。
在课程设计中有收获，同样也有许多不足之处。首先就是软件安装问题和应用，就遇到了很多困难，有好多英文单词都不懂，所以在应用时不是很顺利，通过百度，最终解决。由于理论知识学习不是很好，所以在设计时候一直在翻书进行查找，到图书馆查找相关资料，上网搜索相关知识，问同学。经过本次课程设计，加强了我对应用软件技术理论知识学习，其次我发现了MTLAB软件强大之处，使我对MTLAB学习产生了强大兴趣。
通过这次课程设计我从中学到了很多东西，最重要是做好一个设计心态，也许在你拿到题目是会觉得很困难，这个时候就要你有足够耐心和信心了。经过老师悉心指导和同学们团结合作，使我对于MTLAB软件知识一些基本知识又有了更深了解，了解了很多MTLAB软件知识应用。提高了自我动手能力，增强了面对困难勇气，勇于解决问题信心。

七、参考文献：

[1]陈怀琛,吴大正,高西全.《MATLAB及在电子信息课程中应用》[M].电子工业出版社2006
[2] 陈怀琛.《MATLAB及其在理工课程中应用指南》[M].西安电子科技大学出版社,2000
[3]吴锡龙.《电路分析》.高等教育出版社,2004
[4]薛定宇.《控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用》[M].清华大学出版社,1996
[5]张俊红，王雅慧，陈一民.《控制系统仿真——MATLAB应用》[M].机械工业出版社，2010
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