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1、电子与信息工程学院本 科 毕 业 论 文论文题目 基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真学生姓名 学 号 专 业 电气工程及其自动化 班 级 指导教师 2011年5月摘 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
2、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 ；MATLAB 37ABSTRACTABSTRACTDC 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,
3、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
4、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 ;P
5、I controller;MATLAB目 录目 录第一章 绪 论11.1 课题背景、发展及意义11.2 课题的主要任务及内容1第二章 直流调速系统理论研究和方案确定32.1 双闭环调速系统的工作原理32.1.1 转速控制的要求和调速指标32.1.2调速系统的动态性能指标42.2 双闭环调速系统的动态分析52.2.1直流电机动态模型52.2.2 调速系统的双闭环调节原理72.3 双闭环调速系统的起动过程分析72.4转速、电流双闭环直流调速系统92.4.1稳态结构图92.4.2双闭环调速系统组成10第三章 双闭环直流调速系统的调节器设计133.1按工程设计方法设计双闭环系统的调节器133.1.1系
6、统设计对象133.1.2系统设计原则133.2转速-电流调节器结构的确定133.3.电流调节器设计143.3.1电流环结构图的简化143.3.2电流调节器结构的选择153.3.3电流调节器的参数计算163.3.4电流调节器的实现173.3.5设计举例173.4转速调节器设计193.4.1电流环的等效闭环传递函数193.4.2转速调节器结构的选择203.4.3转速调节器参数的计算223.4.4转速调节器的实现223.4.5设计举例23第四章 双闭环直流调速系统仿真254.1电流环系统仿真254.1.1电流环仿真模型254.1.2饱和上限设置254.1.3仿真结果264.1.4仿真结果分析284.
7、2转速环系统仿真284.2.1转速环仿真模型284.2.2设置输入量个数294.2.3仿真结果294.2.4仿真结果分析31第五章 总结33致 谢34参考文献35附 录36第五章 总结第一章 绪 论1.1 课题背景、发展及意义随着科技的发展，控制技术的发展正在影响着人类生活的各个方面，在电气传动领域，由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，因此在要求高起、制动转矩，快速响应和宽速度调节范围的电气传动中，仍广泛采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足
8、生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控制要求较高的各种生产部门，是调速系统的主要形式。直流电动机的调速性能很好，起动转矩较大，特别是调速性能为交流电动机所不及的，因此，在对电动机的条随性能和起动性能要求较高的生产机械上面，大都使用直流电动机进行拖动。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织等场合仍然占有重要地位。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流
9、调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。1.2 课题的主要任务及内容在工业领域中，实际的传动系统并不如模型那样一成不变，电机本身的参数和拖动负载的参数(如转动惯量)在某些应用场合产生变化，不能使系统在各种情况下都保持设计时的性能指标而直流电机作为伺服系统的执行元件在跟踪性能方面的要求比一般的调速系统高且严格得多，而且需要更强的抗干扰能力；对整个系统的控制精度、响应速度有了更高的要求。因此需要找到一种更优的控制参数来改进直流调速系统的控制效果。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时
10、应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次4。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。为此本论文对双闭环直流调速系统进行MATLAB仿真与研究。本课题的目的是研究直流调速系统特性，分析系统的设计要求，通过分析将两调节器都设计为PI调节器，并对两调节器的设计举例进行了仿真，分析仿真结果，探讨直流调速系统的最优控制参数。Equation Chapter (Ne
11、xt) Section 1第二章 直流调速系统理论研究和方案确定2.1 双闭环调速系统的工作原理2.1.1 转速控制的要求和调速指标生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标(1)调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即 （2-1）其中和一般指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。nN=nmax，则 （2-2）(2)静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值
12、时所对应的转速降落，与理想转速n0之比，称作静差率s，即： （2-3）静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。图2-1不同转速下的静差率如图21所示nNa=nNb。，两者的机械特性硬度相同，但由于理想空载转速不一样，静差率因此也不同，显然sasb，故静差率和机械特性是有区别的。由此可见，调速范围和静差率这两项指标不是彼此孤立的。在调速过程中，若额定转速相同，则转速越低，则静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求。因此静差率的指标应以最低速时能达到的数值为准。(3)直流变压调速系统中调速
13、范围，静差率和额定转速之间的关系直流调速系统中，一般以电动机的额定转速做为最高转速，该系统在最低速时的静差率。即： （2-4）则，最低转速为 （2-5）而调速范围为= （2-6）将（2-8）式代入，得= （2-7）由上述关系可见：同一个调速系统，转速降一定，若对静差率要求越严，即要求S的值越小，系统能够允许的调速范围也越小。2.1.2调速系统的动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标：图2-2典型的阶跃响应过程和跟随性能指标(1)跟随性能指标在给定信号或参考输入r(f)的作用下，系统输出量C(f)变化情况可用跟随性能指标来描述。如图2-2所示。常用的阶跃响应性能跟随指标有上升时间，超调量和调节时间。上升时间tr输出量从零开始第一次上升到稳态值C时所经过的时间，它表示了动态响应的快速性。超调量峰值时间tp输出量到达最大值Cmax时的时间即为峰值时间tp。最大值超过稳态值的百分数叫超调量，即 （2-8）超调量反映系统的相对稳定性，超调量越小，相对稳定性越
