-基于MATLAB的调速控制系统仿真研究

基于MATLAB的调速控制系统仿真研究专业：通信工程摘要直流电动机具有非常多的优越性，如调速性能好、转矩大、能在大范围内稳定调速。在中、小功率的应用中，永磁直流电动机占据第一的地位，但在要求高性能如调速性能或需求大转矩的应用中，直流电动机有极其重要的地位。双闭环（电流环、转速环）直流调速系统是直流调速系统中的典型系统。目前，国际许多公司都已经研究出全数字直流调速装置，有商用标准化、系列化、模板化产品。在国内，各大研究机构和院校也在努力开发全数字直流调速装置。控制系统的设计、分析和仿真验证过程中，MATLAB具有重要的作用。直流双闭环调速系统的分析设计中，电流环和转速换的参数设计是最重要的环节。对于双闭环直流调速系统，本文中选取电流环和转速环的适当参数，通过编程语言对电流环和转速环的频率特性和阶跃响应进行仿真及分析，使调速系统工作于稳定状态，并满足直流调速控制系统动态性能要求。关键词双闭环，调速控制系统，MATLAB，电流环，转速环ABSTRACTTheDCmotorhasmanyadvantages,suchasspeedperformance,torque,stablespeedcontrolinawiderange.Inthemediumandsmallpowerapplications,permanentmagnetDCmotortooccupyanimportantposition,butinthehigh-speedstabilityperformancerequirementsorrequirelargetorqueapplications,theDCmotorhasanextremelyimportantposition.DoubleLoopDCMotorSystemisatypicalsystemintheDCspeedcontrolsystem.Atpresent,manyforeignelectricalcompanieshavedevelopedfulldigitalDCconverter,andownthecommercialstandardization,serialization,templatesproduce.InChina,majorresearchinstitutionsandcollegeshavealsodevelopedfullydigitalDCconverterdevice.Inprocessofcontrolsystemdesign,analysisandsimulation,MATLABplaysanimportantrole.InDCdoubleclosedloopspeedcontrolsystemdesign,thecurrentloopandspeedloopisthemostimportantpart.Inthisarticle,weselecttheappropriateparametersofthecurrentloopandspeedloopforDoubleLoopDCMotorSystem,usingprogramminglanguageonthecurrentloopandspeedloopfrequencyresponseandstepresponsesimulationandanalysis,sothatthespeedcontrolsystemcanrunstability,andmeetthedynamicperformanceofDCspeedcontrolsystemrequirements.KeyWords:DoubleClosedLoop,Speedcontrolsystem,MATLAB,Currentloop,Speedloop目录1.绪论..............................................................11.1概述.........................................................11.2研究目标和内容...............................................22.MATLAB软件及仿真调速控制系统概述.................................32.1MATLAB概述...................................................32.2调速控制系统仿真概述.........................................42.3控制系统常用函数.............................................42.4对控制系统进行仿真MATLAB方法................................53双闭环直流调速系统概述............................................63.1自动控制系统的基础概念.......................................63.2直流调速系统的运行状态和稳定状态指标.........................63.3双闭环调速系统的结构.........................................83.4双闭环调速系统静止态时的特性.................................93.5双闭环调速系统的运行时状态的解析............................103.6双闭环直流调速系统总体描述..................................114.双闭环直流调速系统的参数计算与仿真...............................124.1已知的系统指标..............................................124.2设计系统....................................................134.2.1计算转速和电流反馈系数................................134.2.2电流环的参数的动态选取与构造..........................134.2.3转速环的参数的动态选取与构造..........................184.3转速电流双闭环直流调速系统模型..............................244.4总结........................................................255.结束语...........................................................25参考文献...........................................................27附录............................................................2811.绪论1.1概述直流电动机具有非常好的运行、大范围内的控制和稳定特性，长期以来，直流拖动系统中重要的一部分始终是直流调速系统。直流调速系统在许多商业生产部门，在要求调速系统具有高性能的场合具有普遍的应用，如钢厂、造纸厂等。对于交流调速系统而言，近年新兴发展的交流调速系统的基础是直流调速系统。目前，调速系统中最典型的系统就是直流调速系统。在直流调速系统中，最重要的研究方面是算法选取和参数的选取，系统的运行性能与算法的简略程度有很大的关系。MATLAB软件由于其仿真方面优异的性能，使其在控制系统的设计、分析、计算和优化中扮演重要的角色。使用MATLAB软件对各类直流调速系统仿真，可使系统的算法得到极大地简略和减少系统算法的运行周期。仿真研究直流调速系统的内容包括编程语言编程、直流调速系统正常运行和稳定是性能分析、控制算法设计与优化、调试参数和优化参数几个方面。系统参数的优化可以通过仿真实现，如对于双闭环直流电动机调速系统，若想对参数值的参考值进行正确的选取，可以对直流调速系统进行软件的编程和仿真，以使得调速系统的运行状态始终处于较好的状态。直流调速系统建模方式有很多种，其主要有三种方法，即在系统2的传递函数基础上建立系统的仿真模型、构建电气原理结构建模和MATLAB源程序建模。其中传递函数建模和电气原理结构建模是在MATLAB/SIMULINK下完成，三种方式各自有各自的特点。基于传递函数建模根据系统中各部分传递函数进行建模，仿真时间通常情况下不会太长，仿真在三四秒之内就能完成。最近周渊深博士开创性研究出面向电气原理图，并建立调速系统的模型，在此结构的基础上进行仿真、分析和优化。由于使用了MATLAB/SIMULINK工具箱，所以系统的电气原理图与仿真模型的物理方面的结构基本一致，另一方面而言，此种系统的仿真需要各个元器件的运行，故而时间比较长。综上所述，由于MATLAB软件能够实现对调速控制系统的方便仿真，故在此论文中，我将利用MATLAB对双闭环直流调速系统的重点部分（电流环、调速换）进行仿真、分析、参数的选取和优化等进行研究。1.2研究目标和内容1.研究目标：对电流环和转速环进行MATLAB编程和仿真，研究调速系统各个方面的优越性能。2.主要内容：（1）对双闭环直流调速系统的仿真过程中，利用MATLAB软件，对双闭环直流调速系统进行深入研究，尤其是动态性能；（2）选取合适的双闭环直流调速系统的电流环和转速环的参数，并3进行计算分析；（3）利用MATLA编程对双闭环直流调速系统的电流环和转速环进行MATLAB仿真，并对仿真结果进行分析；（4）对所设计的系统进行总的观察与统计，进行，对于文中系统的差的问题点进行提出分析，并进行改进。2.MATLAB软件及仿真调速控制系统概述2.1MATLAB概述MathWorks在1984年推出了MATLAB这款软件，它是一具有高效率的运算功能科学工程计算的高级语言。MATLAB的本来解释是“矩阵实验室”，其主要功能是提供命令关于矩阵运算方面的给用户，伴随数值运算的演进，MATLAB软件逐步应用于各种主流的控制系统的仿真、数字信号处理和高级编程语言（可视化的科学研究方向）。得益于MATLAB软件强大的容纳体系和领先的设计仿真思路，MATLAB软件在各个应用场合都有广阔的应用，特别是MATLAB主要的应用领域——高级计算、仿真分析、及设计构建信息工程系统已是设计工具的第一选择。MATLAB有其他软件难以比拟的优势，如编程简单、运行速度快、编程率高、好学好懂等，故而MATLAB语言也被冠名为演算式的科学的超越低级的算法，并与Basic、Fortran、C/C++等语言比较而言，它更为简便，与人的思考方式类似。42.2调速控制系统仿真概述在初期的控制系统的计算机技术仿真中，技术人员需要自行编写BASIC语言实现数值计算，即使是求频率特性及频率特性曲线都需要非常长的时间，同时又不能保证仿真结果的正确。MATLAB软件的开发成功，尤其是其中的控制工具和SIMULINK工具箱，对于控制系统的分析、设计、改进具有极大地益处，此软件至今的发展越来越成熟。在调速控制系统的仿真方面，使用MATLAB仿真，此软件的功能异常强大且仿真简便。MATLAB在实现仿真方面，可以用传递函数为基础；也可以通过对MATLAB语言程序进行编程，通过对程序运行得到仿真结果并进行分析、改进：最后也可以将MATLAB函数嵌入由SIMULINK模块构建成系统模型进行仿真，非常方便，易于实现。2.3控制系统常用函数控制系统仿真常用函数如下所示：1.G=tf(num,den)传递函数模型，num表示为系数行向量（分子多项式），den表示为系数行