matlab課程設計--基于matlab的直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計與仿真

1、<p>　　基于MATLAB的直流電機雙閉環(huán)</p><p>　　調速系統(tǒng)的設計與仿真</p><p>　　班 級： 自動化12-1班</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號：</b></p><p>&

2、lt;b>　　指導老師： </b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　MATLAB是一種對技術計算高性能的語言，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，問題和解答都表達為我們熟悉的數(shù)學符號。典型的應用有：1.數(shù)學和計算；2.算法開發(fā)；3.建模、模擬和原形化；4.數(shù)據(jù)分析、探索和可視化；5.科學與工程制圖

3、；6.應用開發(fā)，包括圖形用戶界面的建立。</p><p>　　MATLAB在信號與系統(tǒng)中的應用主要包括符號運算和數(shù)值計算仿真分析。由于信號與系統(tǒng)課程的許多內容都是基于公式演算，而MATLAB借助符號數(shù)學工具箱提供的符號運算功能，能基本滿足信號與系統(tǒng)課程的需求。例如解微分方程、傅里葉正反變換、拉普拉斯正反變換和z正反變換等。MATLAB在信號與系統(tǒng)中的另一主要應用是數(shù)值計算與仿真分析，主要包括函數(shù)波形繪制、函數(shù)運算

4、、沖擊響應與階躍響應仿真分析、信號的時域分析、信號的頻譜分析、系統(tǒng)的S域分析和零極點圖繪制等內容。數(shù)值計算仿真分析可以幫助學生更深入地理解理論知識，并為將來使用MATLAB進行信號處理領域的各種分析和實際應用打下基礎。</p><p>　　此次課程設計主要是為了進一步熟悉對matlab軟件的使用，以及學會利用matlab對直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)這種實際問題進行處理，將理論應用于實際，加深對它的理解。</p&

5、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　第一章 Matlab軟件簡介</p><p>　　1.1 Matlab的產生和歷史背景……………………………………………………1</p><p>　　1.2 Matlab的語言

6、特點……………………………………………………………2</p><p><b>　　第二章 系統(tǒng)介紹</b></p><p>　　2.1 設計參數(shù)要求…………………………………………………………………4</p><p>　　2.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算…………………………………………………………………4</p><p>　　2

7、.3 電流環(huán)設計……………………………………………………………………5</p><p>　　2.4 轉速換設計……………………………………………………………………8</p><p><b>　　第三章 仿真調試</b></p><p>　　3.1 仿真結果分析 ………………………………………………………………11</p>&

8、lt;p>　　3.2 轉速電流雙閉環(huán)程序流程框圖 ……………………………………………11</p><p>　　3.3 Matlab源程序 ………………………………………………………………12</p><p>　　第四章 總結 …………………………………………………………………14</p><p><b>　　參考文獻</b><

9、;/p><p>　　第一章 Matlab軟件簡介</p><p>　　1.1 Matlab的產生和歷史背景</p><p>　　在20世紀70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美國國家科學基金的資助下開發(fā)了調用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。 EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當時

10、，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。</p><p>　　到20世紀70年代后期，身為美國New Mexico大學計算機系系主任的Cleve Moler，在給學生講授線性代數(shù)課程時，想教學生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手，利用業(yè)余時間為學生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個接口程序取名為MAT

11、LAB，該名為矩陣（matrix）和實驗室（laboratory）兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數(shù)年里，MATLAB在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。</p><p>　　在當今30多個數(shù)學類科技應用軟件中，就軟件數(shù)學處理的原始內核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如 MATLAB、Xmath、Gauss等，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)

12、學分析型軟件，如Mathematica、Maple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公司順應多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎上，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)了適合多學科、多部門要求的新一代科技應用軟件MATLAB。經過多年的國際競爭，MATLAB 已經占據(jù)了數(shù)值型軟件市場的主導地位。</p>

13、<p>　　在MATLAB進入市場前，國際上的許多應用軟件包都是直接以FORTRAN和C語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點是使用面窄、接口簡陋、程序結構不開放以及沒有標準的基庫，很難適應各學科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國科學家開發(fā)學科軟件提供了新的基礎。在MATLAB問世不久的20世紀80年代中期，原先控制領域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。</p><p>

14、;　　時至今日，經過Math Works公司的不斷完善，MATLAB已經發(fā)展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題。<

15、/p><p>　　1.2 Matlab的語言特點</p><p>　　一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點。正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機硬件資源進行操作一樣，被稱作為第四代計算機語言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB的最突出的特點就是簡潔。MATLAB用更

16、直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　以下簡單介紹一下MATLAB的主要特點。</p><p>　　①語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用其豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領域的專家編寫，

17、用戶不必擔心函數(shù)的可靠性?？梢哉f，用MATLAB進行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。</p><p>　　具有FORTRAN和C等高級計算機語言知識的讀者可能已經注意到，如果用FORTRAN或C語言去編寫程序，尤其當涉及矩陣運算和畫圖時，編程會很麻煩。例如，如果用戶想求解一個線性代數(shù)方程，就得編寫一個程序塊讀入數(shù)據(jù)，然后再使用一種求解線性方程的算法（例如追趕法）編寫一個程序塊來求解方程，最后再輸出計算結果。在求解過程

18、中，最麻煩的要算第二部分。解線性方程的麻煩在于要對矩陣的元素作循環(huán)，選擇穩(wěn)定的算法以及代碼的調試都不容易。即使有部分源代碼，用戶也會感到麻煩，且不能保證運算的穩(wěn)定性。解線性方程的程序用FORTRAN和C這樣的高級語言編寫至少需要好幾十行。再如用雙步QR方法求解矩陣特征值，如果用FORTRAN編寫，至少需要四百多行，調試這種幾百行的計算程序可以說很困難。以下為用MATLAB編寫以上兩個小程序的具體過程。</p><p&

19、gt;　　用MATLAB求解下列方程，并求矩陣A的特征值。</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　解為：x=A\b；設A的特征值組成的向量為e，e=eig（A）。</p><p>　　可見，MATLAB的程序極其簡短。更為難能可貴的是，MATLAB甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB會根據(jù)矩陣的特性選

20、擇方程的求解方法，所以用戶根本不用懷疑MATLAB的準確性。</p><p>　?、谶\算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用MATLAB的運算符將使程序變得極為簡短。</p><p>　　③MATLAB既具有結構化的控制語句（如for循環(huán)、while循環(huán)、break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。</p>

21、<p>　?、苷Z法限制不嚴格，程序設計自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預定義就可使用。</p><p>　　⑤程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。</p><p>　?、轒ATLAB的圖形功能強大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力

22、。</p><p>　?、進ATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。</p><p>　?、喙δ軓妱诺墓ぞ呦涫荕ATLAB的另一重大特色。MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內部函數(shù)。其工具箱又可分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性

23、工具箱主要用來擴充其符號計算功能、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科。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。這些工具箱都是由該領域內的學術水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高、精、尖的研究。</p><p&g

24、t;<b>　　第二章 系統(tǒng)介紹</b></p><p>　　2.1 設計參數(shù)要求</p><p>　　轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅動。</p><p><b>　　電機參數(shù)：</b></p><p>　　額定功率 200W；</p><p>&l

25、t;b>　　額定電壓 48V；</b></p><p><b>　　額定電流 4A；</b></p><p>　　額定轉速 500r/min；</p><p>　　電樞回路總電阻 R=8Ω；</p><p>　　允許電流過載倍數(shù) λ=2；</p><p>　　電勢系數(shù)Ce=0.0

26、4V·min/r；</p><p>　　電磁時間常數(shù)TL=0.008s；</p><p>　　機電時間常數(shù) Tm=0.5；</p><p>　　電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.2ms；</p><p>　　轉速反饋濾波時間常數(shù)Ton=1ms</p><p>　　要求轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的最大輸入電壓U*nm

27、=U*im=10V；</p><p>　　兩調節(jié)器的輸出限幅電壓為10V；</p><p>　　PWM功率變換器的的開關頻率f=10kHz；</p><p>　　放大倍數(shù)K=4.8；</p><p><b>　　動態(tài)參數(shù)設計指標：</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)無靜差；<

28、/b></p><p><b>　　電流超調量5%；</b></p><p>　　空載啟動到額定轉速時的轉速超調量25%；</p><p>　　過渡過程時間ts=0.5s。</p><p><b>　　2.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算</b></p><p>　　根據(jù)兩調節(jié)器都選用P

29、I調節(jié)器的結構，穩(wěn)態(tài)時電流和轉速偏差均應為零；兩調節(jié)器的輸出限幅值均選擇為12V。</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)：</b></p><p><b>　　轉速反饋系數(shù)：</b></p><p><b>　　2.3 電流環(huán)設計</b></p><p><b>

30、　?。?）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　電流濾波時間常數(shù)T=0.2ms，按電流環(huán)小時間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，則</p><p>　?。?）選擇電流調節(jié)器結構</p><p>　　電流環(huán)可按典型Ⅰ型系統(tǒng)進行設計。電流調節(jié)器選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　（3）選擇調節(jié)器參數(shù)</p>&l

31、t;p>　　超前時間常數(shù)：=T=0.008s</p><p>　　電流環(huán)超調量為σ5%，電流環(huán)開環(huán)增益：應取，則</p><p>　　===1666.67</p><p>　　于是，電流調節(jié)器比例系數(shù)為</p><p><b>　?。?）檢驗近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)截止頻

32、率==1666. 67 1/s</p><p><b>　　近似條件1： </b></p><p>　　現(xiàn)在，==3333.33>，滿足近似條件。</p><p><b>　　近似條件2：</b></p><p>　　現(xiàn)在，==47.43 <，滿足近似條件。</p><

33、;p><b>　　近似條件3：</b></p><p>　　現(xiàn)在，==2357.02>，滿足近似條件。</p><p>　?。?）MATLAB仿真</p><p>　　電流環(huán)給定階躍響應的MATLAB仿真</p><p>　　未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應</p><p>　

34、　經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應</p><p>　　電流環(huán)頻率分析的MATLAB仿真</p><p>　　未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)頻率響應</p><p>　　經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)頻率響應</p><p><b>　　2.4 轉速環(huán)設計</b></p><p><b>

35、;　?。?）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　電流環(huán)的等效時間常數(shù)：2=0.0006s</p><p>　　轉速濾波時間常數(shù)：T=1ms=0.001，</p><p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：=2+ T=0.0006+0.001=0.0016s</p><p>　?。?）選擇轉速調節(jié)器結構</p>&l

36、t;p>　　由轉速穩(wěn)態(tài)無靜差要求，轉速調節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應該按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正轉速環(huán)，因此轉速調節(jié)器應該選擇PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　?。?）選擇調節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨性和抗擾性能均比較好的原則，取h=5，則轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)為</p><p>　　=h·T=50.0016=0.008s

37、</p><p><b>　　轉速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p>　　==46875 1/</p><p>　　于是，轉速調節(jié)器比例系數(shù)為</p><p><b>　　==58.59</b></p><p><b>　　（4）校驗近似條件</b>&l

38、t;/p><p>　　轉速環(huán)的開環(huán)截止頻率為</p><p>　　==·=468750.008=3751 /s</p><p><b>　　近似條件1： </b></p><p>　　現(xiàn)在，==666. 67>，滿足近似條件。</p><p><b>　　近似條件2：&l

39、t;/b></p><p>　　現(xiàn)在，==430.33 >，滿足近似條件。</p><p>　?。?）MATLAB仿真</p><p>　　轉速環(huán)階躍信號響應分析的MATLAB仿真</p><p>　　未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉速環(huán)單位階躍響應</p><p>　　經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應<

40、;/p><p>　　轉速環(huán)頻率分析的MATLAB仿真</p><p>　　未經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉速環(huán)頻率響應</p><p>　　經過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉速環(huán)頻率響應</p><p><b>　　第三章 仿真調試</b></p><p>　　3.1 仿真結果分析</p><p>

41、;　　根據(jù)設計結果的模擬仿真，可以得到設計的調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時轉速無誤差。可以看出：作為內環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。</p><p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。</p

42、><p>　　在實際系統(tǒng)中，電網電壓的波動和外負載的波動會對系統(tǒng)的超調與穩(wěn)定有一定的影響，在仿真的時候可以加以考慮，最終可以看出系統(tǒng)對于外界干擾的協(xié)調能力很強。</p><p>　　3.2 轉速電流雙閉環(huán)程序流程框圖</p><p>　　3.3 Matlab源程序</p><p>　　>> s1=tf(1.25,[0.0002 1])

43、;</p><p>　　>> s2=tf(4.8,[0.0001 1]);</p><p>　　>> s3=tf(0.125,[0.008 1]);</p><p>　　>> w=17.78*tf([0.008 1],[0.008 0]);</p><p>　　>> figure(1);<

44、/p><p>　　>> margin(s1*s2*s3*w);</p><p>　　>> hold on</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> figure(2)</p><p>　　>> clos1=s1*s2*s3*w/(1+s

45、1*s2*s3*w);</p><p>　　>> t=0:0.0001:0.008;</p><p>　　>> step(clos1,t)</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> s1=tf(6,[0.0003 1]);</p><p>　　

46、>> s2=tf(0.125,[0.008 1]);</p><p>　　>> w=17.78*tf([0.008 1],[0.008 0]);</p><p>　　>> figure(3);</p><p>　　>> margin(s1*s2*w);</p><p>　　>> ho

47、ld on</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> figure(4);</p><p>　　>> clos1=s1*s2*w/(1+s1*s2*w);</p><p>　　>> t=0:0.0001:0.008;</p><p>　　>

48、;> step(clos1,t)</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> s1=tf(1,[0.001 1]);</p><p>　　>> s2=tf(0.8,[0.0006 1]);</p><p>　　>> s3=tf(8,[0.5 0]);</p&

49、gt;<p>　　>> n=1/0.04;</p><p>　　>> s4=tf(0.02,[0.001 1]);</p><p>　　>> g=58.59*tf([0.008 1],[0.008 0]);</p><p>　　>> figure(5);</p><p>　　>

50、;> margin(s1*s2*s3*s4*n*g);</p><p>　　>> hold on</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> figure(6);</p><p>　　>> clos1=s1*s2*s3*s4*n*g/(1+s1*s2*s3*s4*

51、n*g);</p><p>　　>> t=0:0.001:0.08;</p><p>　　>> step(clos1,t)</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> s1=tf(0.016,[0.0016 1]);</p><p>　　>

52、> s2=tf(8,[0.5 0]);</p><p>　　>> n=1/0.04;</p><p>　　>> g=58.59*tf([0.008 1],[0.008 0]);</p><p>　　>> figure(5);</p><p>　　>> margin(s1*s2*n*g);&

53、lt;/p><p>　　>> hold on</p><p>　　>> grid on;</p><p>　　>> figure(6);</p><p>　　>> clos1=s1*s2*n*g/(1+s1*s2*n*g);</p><p>　　>> t=0:0.

54、001:0.08;</p><p>　　>> step(clos1,t)</p><p>　　>> grid on;</p><p><b>　　第四章 總結</b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能

55、力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發(fā)展的日新日異，當今計算機應用在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握計算機Matlab語言開發(fā)技術是十分重要的。</p><p>　　在這短短設計期間我獲取了不少新知識也鞏固了許多老知識。實訓編程的同時暴露出了許多我自身存在的問題，同時也對自身有了很大的提高，我體會到了老師和同學們的熱心幫助，無論面對學習中多大的困難，同學們都會幫助我，老師也會幫助我，大家

56、就像兄弟姐妹一樣。</p><p>　　回顧起此次課程設計，至今我仍感慨頗多。的確，自從拿到題目到完成整個編程，從理論到實踐，可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立

57、思考的能力。在設計的過程中遇到問題，這畢竟獨立做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。</p><p>　　這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在老師的辛勤指導下，終于迎刃而解。同時，在老師的身上我學得到很多實用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭?/p>

58、的所有同學和各位指導老師再次表示忠心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉慧穎.MATLAB R2007基礎教程【M】.北京：清華大學出版社，2008.</p><p>　　[2] 瞿亮主.基于MATLAB的控制系統(tǒng)計算機仿真【M】.北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2006.</p

59、><p>　　[3] 薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析【M】.北京：清華大學出版社，2000.</p><p>　　[4] 樓天順，于衛(wèi). 基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計【M】.西安：西安電子科技大學出版社，1998.</p><p>　　[5]張晉格.自動控制原理【M】.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.</p><p>　　[6]張曉華