基于某MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真资料
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姓名：学号：目录一、目录-----------------------------------------------------------1二、前言-----------------------------------------------------------2三、设计目的及要求--------------------------------------------3四、设计题目及参数--------------------------------------------3五、设计内容过程-----------------------------------------------31.计算电流和转速反馈系数-----------------------------------------32.电流环的动态校正过程--------------------------------------------33.转速环的动态校正过程--------------------------------------------94.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：控制系统理论与技术是现代科学技术的主要内容，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、安全、快捷、优化设计和预测的特殊功能等优点，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行分析、设计和综合研究中很有效的手段。
哈工大_基于matlab的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真设计
一、设计参数设一转速、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8=R Ω； 允许电流过载倍数λ=2；电势系数=e C 0.04Vmin/r ； 电磁时间常数=L T 0.008s ； 机电时间常数=m T 0.5；电流反馈滤波时间常数=oi T 0.2ms ； 转速反馈滤波时间常数=on T 1ms ；要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压==**im nmU U 10V ； 两调节器的输出限幅电压为10V ； PWM 功率变换器的开关频率=f 10kHz ； 放大倍数=s K 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≤i σ5%；空载起动到额定转速时的转速超调量σ ≤ 25%； 过渡过程时间=s t 0.5 s 。
二、设计过程1、稳态参数计算根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为10V电流反馈系数；*nom 10 1.25/24im U VV A I Aβλ===⨯转速反馈系数：*100.02min/500/min nm nom U Vn V rn r ===⋅2、电流环设计1) 确定时间常数电流滤波时间常数0.2oi T ms =，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑2）选择电流调节器结构电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。
电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为1()i ACR ii s G s K sττ+= 3）选择调节器参数超前时间常数：i τ=T L =0.008s电流环超调量为5%i σ≤，电流环开环增益：取0.5i i K T ∑=，则0.50.51666.670.0003I i K T ∑=== 于是，电流调节器比例系数为0.00881666.6717.7781.25 4.8i i I s R K K K τβ⨯=⋅=⨯=⨯ 4）检验近似条件电流环截止频率1666. 67 1/ci I K s ω== （1）近似条件1：13ci sT ω≤现在113333.3330.0003ci s T ω==＞，满足近似条件。
基于Matlab的双闭环直流调速系统仿真
基于Matlab 的双闭环直流调速系统仿真一、双闭环直流调速系统的组成及要求为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR 和ACR 一般都采用PI 调节器。
因为PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI 调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
图1直流双闭环调速系统动态结构图图中 、—转速给定电压和转速反馈电压、—电流给定电压和电流反馈电压ASR —转速调节器ACR —电流调节器TG —测速发电机TA —电流互感器UPE —电力电子变换器本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图1 所示，系统参数如下：电动机：V U N 220=；A I N 136=；rpm n N 1460=；rpm v C e /132.0=； 允许过载倍数： 5.1=λ；三相桥式整流装置放大倍数：40=s K ；电枢回路总电阻： Ω=∑5.0R ；时间常数： s T l 03.0=，ss T m 18.0=；电流反馈系数：A V /05.0=β；转速反馈系数：rpm V /07.0=α。
二、系统仿真根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图2 所示。
图2 直流双闭环调速系统的仿真模型仿真结果：在启动过程中，转速调节器ASR将经历不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此整个启动过程分为三个阶段。
▪第一阶段是电流上升阶段,由于转速变化慢，转速调节器很快饱和――饱和时转速环相当于开环，ASR输出限幅值。
基于matlab的双闭环直流调速系统仿真及参数进化设计
基于matlab的双闭环直流调速系统仿真及参数进化设计本文基于matlab平台，设计了一个双闭环直流调速系统，并通过参数进化算法对其进行优化设计，以提高系统的性能和稳定性。
一、双闭环直流调速系统的基本结构和参数双闭环直流调速系统包括基本结构和控制回路两个部分。
其基本结构如下图所示：
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真直流电机双闭环调速系统是一种常见的控制系统，常用于工业生产中对电机速度的精确控制。
本文将基于MATLAB软件进行直流电机双闭环调速系统的设计与仿真，包括系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等方面。
文章将以1200字以上的篇幅进行详细阐述。
一、系统设计直流电机双闭环调速系统由速度环和电流环构成。
速度环控制系统的输入为速度设定值和电机实际速度，输出为电机期望电压；电流环控制系统的输入为速度环输出的电压和电机实际电流，输出为电机实际电压。
通过控制电机的期望电压和实际电压，达到对电机速度的调控。
二、参数设置在进行系统仿真之前，需要确定系统中各个参数的值。
包括电机的额定转矩、额定电压、电感、电阻等参数，以及控制环节的比例增益、积分增益、微分增益等参数。
这些参数的选择会影响系统的稳定性和动态性能，需要根据实际情况进行调整。
三、控制策略选择常见的控制策略包括PID控制、PI控制、PD控制等。
在直流电机双闭环调速系统中，可以选择PID控制策略。
PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节组成，可以提高系统的稳定性和响应速度。
四、系统仿真在MATLAB中进行直流电机双闭环调速系统的仿真，可以使用Simulink模块进行搭建。
根据系统设计和参数设置，搭建速度环和电流环的控制器，连接电机实际速度和电机实际电流的反馈信号，输入速度设定值和电机期望电流，输出电机期望电压。
通过仿真可以得到系统的动态响应曲线，评估系统的性能。
五、性能分析在仿真结果中，可以分析系统的静态误差、超调量、调整时间等指标，评估系统的控制性能。
通过参数调整和控制策略更改等方式，可以优化系统的控制性能，使系统达到更好的调速效果。
总结：本文基于MATLAB软件对直流电机双闭环调速系统进行了设计与仿真。
通过系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等步骤，可以得到直流电机双闭环调速系统的动态响应曲线，并通过参数调整和控制策略更改等方式，优化系统的控制性能。
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真1 计算电流和转速反馈系数β=U im∗dm=10V=1.25Ωα=U nm∗=10=0.02V∙min/r2 按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果根据设计的一般原则“先内环后外环”，从内环开始，逐步向外扩展。
在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
电流调节器设计分为以下几个步骤：a 电流环结构图的简化1）忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即∆E ≈0。
这时，电流环如下图所示。
2） 等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U *i (s ) /β ，则电流环便等效成单位负反馈系统。
3） 小惯性环节近似处理由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为T ∑i = T s + T oi 简化的近似条件为ois ci 131T T ≤ω电流环结构图最终简化成图。
b 电流调节器结构的选择 1) 典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。
从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统 2) 电流调节器选择电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成ss K s W i i i ACR )1()(ττ+=K i — 电流调节器的比例系数；τi — 电流调节器的超前时间常数3) 校正后电流环的结构和特性为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图a 所示的典型形式，其中a) 动态结构图:b) 开环对数幅频特性c. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数有：K i 和 τi ，其msT l8i==τRK K K i siI τβ=中 τi 已选定，剩下的只有比例系数 K i ， 可根据所需要的动态性能指标选取。
MATLAB双闭环直流调速系统的工程设计与仿真
MATLAB双闭环直流调速系统的工程设计与仿真双闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，在工业中被广泛应用于电机的调速。
本文将针对MATLAB中的双闭环直流调速系统进行工程设计与仿真。
1.系统架构设计双闭环直流调速系统主要由速度环和电流环组成。
速度环主要负责控制电机的速度，通过比较给定速度和实际速度，产生速度偏差。
电流环主要控制电机的电流，通过比较给定电流和实际电流，产生电流偏差。
速度环和电流环形成了一个闭环控制系统，可以使得电机在速度和电流方面达到我们所要求的目标。
2.系统建模在MATLAB中，可以使用Simulink进行系统建模。
首先，需要建立电机的数学模型，包括机械模型、电磁模型和电气模型。
电机的机械模型可以使用转矩方程来描述，电磁模型可以使用电压方程来描述，电气模型可以使用网路方程来描述。
然后，将这些模型通过各个子系统进行连接，并进行参数设置。
最后，通过连接速度环和电流环的闭环控制系统，完成整个系统的建模。
3.控制器设计在MATLAB中，可以使用PID控制器进行控制器的设计。
首先，通过调节PID控制器的参数，使得系统的过渡过程满足我们对速度和电流的要求。
然后，使用增量PID算法对控制器进行改进，减小控制误差。
最后，通过将速度控制器与电流控制器进行串联，完成双闭环控制系统的设计。
4.系统仿真在MATLAB中，可以使用Simulink进行系统的仿真。
首先，设置仿真时间和步长，并进行仿真参数设置。
然后，通过给定输入信号，例如阶跃信号，观察系统的输出响应。
通过调整控制器的参数，观察系统的响应特性，包括超调量、稳定时间和稳态误差等。
最后，通过对仿真数据的分析，检验系统是否满足我们的设计要求。
总结：MATLAB提供了丰富的工具和函数，可以帮助我们进行双闭环直流调速系统的工程设计与仿真。
通过建立系统模型、设计控制器并进行仿真分析，可以快速有效地完成系统设计。
同时，可以通过调整参数和算法对系统进行优化，使得系统的性能更加稳定和可靠。
基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真
摘要摘要直流调速系统的在工业中的应用很广泛，也是交流调速系统的基础。
直流调速系统用双闭环结构时控制效果最好，为此本文对双闭环直流调速系统进行了研究，重点对控制部分展开研究。
分析调速系统的稳态和动态结构，建立双闭环直流调速系统的数学模型，通过全面分析根据双闭环直流调速系统的控制要求将电流和转速都设计为比例积分调节器，并设计了电流和转速调节器的参数。
对经典双闭环系统进行分析的同时，为了能得到合理的设计参数，用MATLAB软件对电流环和转速环的设计举例进行了仿真，通过比较说明了直流调速系统的特性。
关键词：双闭环直流调速系统；比例积分调节器；MATLABIABSTRACTDC servo system is widely used in the industry，and is the fadation of AC servo System.The DC servo system can be controled well with double-closed system.In this paper double-closed loop DC servo system is studied,the importance of zhe study is the control section.analysis of the static and dynamic of speed control system,and establishing a double-closed loop DC system mathematical model. PI controler is designed for both the current and speed regulator，and design current and speed regulator parameters. When analysis of the classical double-loop system，in order to get a reasonable design parameters. MATLAB software has been selected to simulate parameters of the system which has been choosen,with a comparison to show the characteristics ofDC Control system.KEY WORDS：Double-closed loop DC servo system ;PI controller;MATLABII目录目录第一章绪论 (1)1.1 课题背景、发展及意义 (1)1.2 课题的主要任务及内容 (1)1.3论文的内容安排及主要工作 (5)第二章直流调速系统理论研究和方案确定 (6)2.1双闭环调速系统的工作原理 (6)2.1.1 转速控制的要求和调速指标............................................... 错误!未定义书签。
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《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
1 计算电流和转速反馈系数
2 按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果
根据设计的一般原则“先环后外环”，从环开始，逐步向外扩展。
在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
电流调节器设计分为以下几个步骤：
a 电流环结构图的简化
1）忽略反电动势的动态影响
在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即D E≈0。
这时，电流环如下图所示。
2） 等效成单位负反馈系统
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环，同时把给定信号改成U *i (s ) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。
3） 小惯性环节近似处理
由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T ∑i = T s + T oi
简化的近似条件为
oi
s ci 1
31T T ≤
ω
电流环结构图最终简化成图。
b 电流调节器结构的选择
1) 典型系统的选择：
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。
从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统
2) 电流调节器选择
电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI
型的电流调节器，其传递函数可以写成
s
s K s W i i i ACR
)
1()(ττ+=
K i
— 电流调节器的比例系数； t i — 电流调节器的超前时间常数
3) 校正后电流环的结构和特性
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择
则电流环的动态结构图便成为图a 所示的典型形式，其中
a) 动态结构图:
b) 开环对数幅频特性
c. 电流调节器的参数计算
ms
T l 8i ==τR
K K K i s i I τβ=
电流调节器的参数有：
K
i
和 t i ， 其中 t i 已选定，剩下的只有比例系数 K i ， 可根据所需要的动态性能指标选取。
1) 参数选择
在一般情况下，希望电流超调量s i < 5%，由第二章可选 x =0.707，K I T Si =0.5，则
PWM 功率变换器的开关频率为，故其时间常数
将已知数据代入公式中，得
3 编制Matlab 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
i
ci I 21∑=
=T K ω)
(22i
s i s i ∑∑==
T T K R
T K R T K l l ββ
图1
图2
图3
图4
分析：在ACR电流调节环节，超调量，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。
在这里，ACR作用力图使尽快地跟随起给定值，电流环的作用就是一个电流随动子系统。
对电网的电压的波动起及时的抗干扰作用。
4 编制Matlab 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
图6
图7
图8
图9
分析：在ACR电流调节环节，超调量，幅值裕度，相位裕度，均符合题目要求。
在这里，ACR作用力图使尽快地跟随起给定值，电流环的作用就是一个电流随动子系统。
对电网的电压的波动起及时的抗干扰作用。
这里只是调节器未化简。
5 按工程设计方法，详细写出转速环的动态校正过程和设计结果。
a. 电流环的等效闭环传递函数
1) 电流环闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。
1
11
)1(1)1(/)()()(I
2I i i I i I
*i d cli ++=++
+==∑∑∑s K s K T s T s K s T s K s U s I s W β
2) 传递函数化简
忽略高次项，上式可降阶近似为
近似条件
i
I
cn 31∑≤
T K ω
式中 w — 转速环开环频率特性的截止频率。
11
1)(I
cli +≈
s K s W
3)电流环等效传递函数
接入转速环，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为
1
1
1
)
(
)
(
)
(
I
cli
*
i
d
+
≈
=
s
K
s
W
s
U
s
Iβ
β
这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。
b.转速调节器结构的选择
1) 转速环的动态结构
用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图所示。
2)系统等效和小惯性的近似处理
和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / K I 和T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为TΣn的惯性环节，其中
on
I
n
1
T
K
T+
=
∑
3) 转速环结构简化
4) 转速调节器选择
转速环等效成典型II 型系统因该是比较明确的。
首先是基于稳态无静差的要求，
由结构图可知，在负载扰动作用点之后已经有了一个积分环节，该积分环节对消除负载扰动引起的稳态误差不起作用，必须在扰动作用点之前增加一个积分环节，因此需要典型II 型系统。
再从动态性能方面考虑，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型II 型系统恰好能够满足此项要求。
5) 调速系统的开环传递函数
由此可见，ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为
s
s K s W n n n ASR )1()(ττ+= 式中 K n — 转速调节器的比例系数；
t n — 转速调节器的超前时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为
)
1()1()1()1()(n 2m e n n n n m e n n n n ++=+⋅+=∑∑s T s T C s R K s T s T C R s s K s W βτταβ
αττ
令转速环开环增益为
m
e n n N T C R
K K βτα=
则
)
1()
1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ
6) 校正后的系统结构
c. 转速调节器参数的选择
转速调节器的参数包括 K n 和 t n 。
按照典型Ⅱ型系统的参数关系，
n n ∑=hT τ
再由式 2n 2N 21∑+=T h h K ，因此n
m e n 2)1(∑+=RT h T
C h K αβ
至于中频宽 h 应选择多少，要看动态性能的要求决定。
由题目要求可知，h=10
则由表可知；
6编制Matlab 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
图10
图11
图12
图13
由上图可知，超调量，稳态时间，幅值裕度，相位裕度均满足要求。
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，采用PI调节器，实现无静差。
7 编制Matlab 程序，绘制未经过小参数环节合并近似后的电流开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线
图14
图15
图16
图17
由上图可知，超调量，稳态时间，幅值裕度，相位裕度均满足要求。
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，采用PI调节器，实现无静差。
只是在设计的过程中未进行化简。
8 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行仿真。
图18
图19
图20
图21
分析：由上图可知，由上图可知，超调量，稳态时间，幅值裕度，相位裕度均满足要求。
9 给出阶跃信号速度输入条件下的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输出过渡过程曲线，分析设计结果与要求指标的符合性；
图22
图23
注释：out1口是转速输出口，out2口是电流输出口，
out3口是ACR输出口，out4口是ASR输出口。
分析：根据所学知识，双闭环直流调速系统启动时的转速和电流波形应该如下图所示，
图16与该图相比，没有限幅，这是在仿真过程中遇到的问题。
按照理论分析，当电流时，电机开始转动，在本仿真中，是空载启动，故电流，即初始时刻，电机就开始转动。
当电流达到限幅值时，由于滞后延时的原因，会有小围的超调，在限幅的作用下，趋于一条直线，但是，转速n未达到额定转速，故在反馈调节的作用下，直线部分的电流略小于，转速直线上升。
当转速达到额定转速后，电流依旧处在最大值附近，，转速继续上升，当电流下降至以下时，反馈调节作用，使转速退出饱和状态。
最后，趋于稳定。