基于matlab直流电机调速系统

基于matlab直流电机调速系统内容摘要：

的求解方法，所以用户根本不用怀疑 MATLAB 的准确性。 2）运算符丰富。 由于 MATLAB 是用 C语言编写的， MATLAB 提供了和 C 语言几乎一样多的运算符，灵活使用 MATLAB 的运算符将使程序变得极 为简短。 3） MATLAB 既具有结构化的控制语句（如 for循环， while 循环， break 语句和 if 语句），又有面向对象编程的特性。 4）程序限制不严格，程序设计自由度大。 例如，在 MATLAB 里，用户无需对矩阵预定义就可使用。 5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。 6） MATLAB 的图形功能强大。 在 FORTRAN 和 C 语言里，绘图都很不容易，但在 MATLAB里，数据的可视化非常简单。 MATLAB 还具有较强的编辑图形界面的能力。 7） MATLAB 的缺点是，它 和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。 由于 MATLAB 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。 8）功能强大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。 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。 功能性工具箱用于多种学科。 而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signl proceessing toolbox,mumnication toolbox 等。 这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。 9）源程序的开放性。 开放性也许是 MATLAB 最受人们欢迎的特点。 除内部函数以外，所有中北大学 2020 届毕业论文 第 14 页 共 36页 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。 SIMULINK 介绍 ⑴ SIMULINK 介绍 Simulink 工具箱是 Matlab 各种工 具箱中比较特别的，他是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面。 在这个环境中，用户可以利用鼠标或键盘，完成面向框图系统仿真的全部过程，并且更加直观、快速和准确地达到仿真的目标。 Simulink工具箱的另一个优点是他不给出任何新的函数。 SIMULINK是 MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与 MATLAB 语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。 Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。 在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿 真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 为了创建动态系统模型， Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulinkamp。 reg。 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于 模型的设计中北大学 2020 届毕业论文 第 15 页 共 36页 工具。 对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 Simulink 作为面向框图的仿真软件，具有以下功能： (1)用方框图的绘制代替程序的编写。 (2)仿真的建立和运行是智能化的。 (3)输入输出信号来源形式的多样化。 通常在通信系统仿真模型中使用的工具箱除了 Simulink 之外，还有一些以Simulink 为基础的模块工具箱。 最常用的有电力系统 (Powersys)模块工具 箱，数字信号处理 (DSP Blocks)模块工具箱，定点处理 (FixPointBlocks)模块工具箱和通信系统 (Comm)模块工具箱。 电力系统 (Powersys)模块工具箱提供了电力传输和拖动中用到的各种子系统模型，他包含电源、元件、电机、电力电子、测量、联接及其他。 数字信号处理 (DSP Blocks)模块工具箱，包括信号源库、信号漏 (终端库 )、通用 DSP 库、数学函数库、滤波器库、频谱分析库及演示库。 定点处理 (FixPoint Blocks)模块工具箱主要是为分析计算机字长有限对处理 信号造成的影响而提供的各种 Simulink 模块，包括定点的算术运算、定点的逻辑运算、定点的变换运算、定点数的传送和定点数的联接。 通信系统 (Comm)模块工具箱主要包括信号源和信号终端库、信源编码和信源解码库、纠错编码和纠错解码库、调制和解调库、多路存取库、发送滤波和接收滤波库以及信道库等。 通过使用 Simulink 工具箱以及以他为基础的其他工具箱可以很容易地建立起一个直观的通信系统模型。 第一阶段是用图形方式来画结构图并进行编辑；第二阶段是进行运算仿真。 在第一阶段中首先要进行环节库框图的建立，从各种库中 查找到需要的图标后进行排列；然后把各环节的端口按框图连接起来；最后进行环节参数的设定。 要注意在系统输入端加上信号源，在用户关心的输出端加中北大学 2020 届毕业论文 第 16 页 共 36页 上信号终端 (即观测或记录信号的设备，如示波器、电压表或文件等 )。 这样一个通信系统就确定了，接下来可以进行仿真、确定系统的性能指标及方案比较。 ⑵ Simulink 特点 ① 丰富的可扩充的预定义模块库 、 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 ② 通过 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、 参数、属性，生成模型代码。 ③ 提供 API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 ④ 使用 Embedded MATLAB™ 模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用 MATLAB 算法。 ⑤ 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译 C代码的形式来运行模型。 ⑥ 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 可访问 MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境， 定义信号参数和测试数据。 ⑦ 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 2 总体方案设计 根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为负反馈，采用变电压调节方式，实现对直流顶尖级的无级平滑调速。 所以，设计步骤流程图如下： 计算所需参数 建立带比例放大器的闭环系统对系统进行仿真得出需改进数据设计调节器 验证校正后的系统是否满足要求 中北大学 2020 届毕业论文 第 17 页 共 36页 设计原理 带比例放大的闭环直流调速系统的原理图与稳态结构图 由图可知：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 电压比较环节： *n n nU U U   放大器： c p nU K U 电力电子变换器： 0d s cU KU 调速系统的开环机械特性： 0ddU I Rn Ce 测速反馈环节： Un n 整理后可得系统的静特性方程式： *(1 )P s n dK K U RIn Ce k Ce R () 其中 /p s eK K K C 如果断开反馈回路，当电流连续时，系统的机械特性方程式为： 0ddU I Rn Ce 中北大学 2020 届毕业论文 第 18 页 共 36页 开环系统和闭环系统的转速降落分别为： Nop IRn Ce (1 )dcl RIn Ce k  它们之间的关系为： 1 opcl nn k 将各个环节的传递函数带入稳态结构图中，即可得其动态结构图： 3 参数设计 设计完系统框图后，就可以用已知的传递函数结合设计中要求给定的进行对系统静态和稳态参数的计算。 以便后面的系统仿真分析所用。 例出设计 要求给出的参数大小： 用 线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统，主电路是 VM 系统。 数据如下： 电动机：额定数据为 10KW， 220V， 55A， 1000r/min，电枢电阻 Ra=: 晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器 Y/Y 连接，二次线电压 U21=230V，电压放大系数 Ks=44，平均失控时间 TS=； VM系统主电路 R=1Ω ,电枢回路总电感 L=,系统运动部分飞轮力矩 GD2=10N m2， 设测速发电机的参数：永磁式， ， 110v,， 1900r/min； 生产机械要求调速范围 D=10， S5%。 中北大学 2020 届毕业论文 第 19 页 共 36页 静态参数计算 A 额定负载时的稳态速降 为 了满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为 ： 5 .2 6 / m in(1 )Ncl nsnrDs   B 闭环系统应有的开环放大系数 先计算电动机的电动系数 2 2 0 5 5 0 .5 0 .1 9 2 5 . m in /1000N N aNU I RC e V rn     则开环系统额定速降为： 5 5 1 2 8 5 .7 / m in0 .1 9 2 5Nop IRnrCe     闭环系统的开环放大系数应为： 1 53 .3opopnk n   C 计算转速负反馈环节的反馈系数和参数 转速负反馈 B包含测速发电机的电动势系数 Cetg和其输出电位器 RP2的分压系数a2，即 2 etgaC 根据测速发电机的额定数据，有 110 0 .0 5 7 9 . m i n /1900e tgC v r 取 a2= 由此可得 转速反馈系数： B=D 电位器 RP 的选择 为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流为额定值的 20%，则 e t g NR P 2N t gCn 0 . 0 5 7 9 1 0 0 0R 1 3 7 90 . 2 I 0 . 2 0 . 2 1    此时其所消耗的 功率为： 中北大学 2020 届毕业论文 第 20 页 共 36页 RP2 e tg N N tgW C n 0 .2 I 0 .0 5 7 9 1 0 0 0 0 .2 0 .2 1 2 .4 3 w       为了不致电位器温度很高，实选的功率应为其所消耗的一倍以上，故 2RP 选为 10w，。 E 运算放大器的放大系数和参数 运算放大器的放大系数： ，取 Kp=21 取 R0=40k ，则 R1= pK R0=2140k =840k 动态参数计算 在经典控制理论中，动态分析基于传递函数的确定，所以要求出传递函数，需根据已知求出动态参数，后再判定系统的稳定性。 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传函是： 2() ( 1 ) ( 1 )s m l mkWs T S T T S T S    其中 /p s eK K K C 其中 mT 为机电时间常数 lT 为电磁时间常数 由已知 L= 取 L= 电磁时间常数 0 .0 1 7 0 .0 1 71l LHTsR   机电常数： 2 10 1 30375 375 5 5m G D RC e C m     如果 Kp取 21，则闭环系统的开环放大系数取为： 2 1 4 4 0 .0 1 1 5 8/ 5 5 .5 80 .1。