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1、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 12-1班姓 名： 学 号：指导老师： 前 言MATLAB 是一种对技术计算高性能的语言，它集成了计算、可视化和编程于一个易用的环境中。在此环境下，问题和解答都表达为我们熟悉的数学符号。典型的应用有：1.数学和计算；2.算法开发；3.建模、模拟和原形化；4.数据分析、探索和可视化；5.科学与工程制图；6.应用开发，包括图形用户界面的建立。MATLAB 在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。由于信号与系统课程的许多内容都是基于公式演算，而 MATLAB 借助符号数学工具箱提供的符号运算功能，能基本满足信号与
2、系统课程的需求。例如解微分方程、傅里叶正反变换、拉普拉斯正反变换和 z 正反变换等。MATLAB 在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析，主要包括函数波形绘制、函数运算、冲击响应与阶跃响应仿真分析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的 S 域分析和零极点图绘制等内容。数值计算仿真分析可以帮助学生更深入地理解理论知识，并为将来使用 MATLAB 进行信号处理领域的各种分析和实际应用打下基础。此次课程设计主要是为了进一步熟悉对matlab软件的使用，以及学会利用matlab对直流电机双闭环调速系统这种实际问题进行处理，将理论应用于实际，加深对它的理解。目 录前言第一章 Matlab 软
3、件简介1.1 Matlab 的产生和历史背景11.2 Matlab 的语言特点2第二章 系统介绍2.1 设计参数要求42.2 稳态参数计算42.3 电流环设计52.4 转速换设计8第三章 仿真调试3.1 仿真结果分析 113.2 转速电流双闭环程序流程框图 113.3 Matlab 源程序 12第四章 总结 14参考文献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1第一章 Matlab 软件简介1.1 Matlab 的产生和历史背景在 20 世纪 70 年代中期，Cleve Moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用 EISPACK 和 L
4、INPACK 的 FORTRAN 子程序库。 EISPACK 是特征值求解的 FORTRAN 程序库，LINPACK 是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到 20 世纪 70 年代后期，身为美国 New Mexico 大学计算机系系主任的 Cleve Moler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序库，但他发现学生用 FORTRAN 编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。Cleve Moler 给这个接口程序取名为 MATLAB，该名为矩阵（ma
5、trix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB 在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。在当今 30 多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如 MATLAB、Xmath、Gauss 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的基础上，
6、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、多部门要求的新一代科技应用软件 MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地位。在 MATLAB 进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以 FORTRAN 和 C 语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB 的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在 MATLAB 问世不久的 20 世纪 80 年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在 MATLAB
7、 上重建。时至今日，经过 Math Works 公司的不断完善，MATLAB 已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB 已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB 已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB 被广泛用于科学研究和解决各种具体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2问题。1.2 Matlab 的语言特点一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出
8、如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点。正如同 FORTRAN 和 C 等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的 MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB 的最突出的特点就是简洁。MATLAB 用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了 C 和 FORTRAN 语言的冗长代码。MATLAB 给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下 MATLAB 的主要特点。语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB 程序书写形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任
9、务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用 MATLAB 进行科技开发是站在专家的肩膀上。具有 FORTRAN 和 C 等高级计算机语言知识的读者可能已经注意到，如果用 FORTRAN 或C 语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试都不容易。即使有部分源代码，
10、用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方程的程序用 FORTRAN 和 C 这样的高级语言编写至少需要好几十行。再如用双步 QR 方法求解矩阵特征值，如果用 FORTRAN 编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。以下为用 MATLAB 编写以上两个小程序的具体过程。用 MATLAB 求解下列方程，并求矩阵 A 的特征值。其中：解为：x=Ab；设 A 的特征值组成的向量为 e，e=eig（A） 。可见，MATLAB 的程序极其简短。更为难能可贵的是，MATLAB 甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB 会根据矩阵的特性选择方程的求解方法，所以用户
11、根本不4321,571349862, bbxMatlab 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3用怀疑 MATLAB 的准确性。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。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。语法限制不严格，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。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
12、和操作系统上运行。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。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。功能强劲的工具箱是 MATLAB 的另一重大特色。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
13、处理功能以及与硬件实时交互功能。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的，如 control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox 等。这些工具箱都是由该领域内的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。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4第二章 系统介绍2.1 设计参数要求转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式 H 桥 PWM 方式驱动。电机参数：额定功率 200W；额定电压 48V；额定电流 4A；
14、额定转速 500r/min；电枢回路总电阻 R=8；允许电流过载倍数 =2；电势系数 Ce=0.04Vmin/r；电磁时间常数 TL=0.008s；机电时间常数 T m=0.5；电流反馈滤波时间常数 Toi=0.2ms；转速反馈滤波时间常数 Ton=1ms要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压 U*nm=U*im=10V；两调节器的输出限幅电压为 10V；PWM 功率变换器的的开关频率 f=10kHz；放大倍数 K=4.8；动态参数设计指标：稳态无静差；电流超调量 5%；i空载启动到额定转速时的转速超调量 25%；过渡过程时间 ts=0.5s。2.2 稳态参数计算根据两调节器都选用 PI 调
15、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 12V。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5电流反馈系数： AVIUim/25.140no*转速反馈系数： rrmin/.in/5max* 2.3 电流环设计（1）确定时间常数电流滤波时间常数 T =0.2ms，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则oi sisi 03.2.01.（2）选择电流调节器结构电流环可按典型型系统进行设计。电流调节器选用 PI 调节器，其传递函数为sKsWiACR)(（3）选择调节器参数超前时间常数： =T =0.008siL电流环超调量为 5%，电流环开环增益：应取 ，则i5.0iITK= = =1666.67IKiT5.03.于是，电流调节器比例系数为 0.816.717.254iiIsR
