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1、长春大学课程设计说明书题目名称直流电机速度PID控制与仿真院（系）电子信息工程学院专业（班级）自动化13403学生姓名张华挺指导教师曹福成起止日期 2016.10.24 2016.11.04直流电机速度PID控制与仿真摘要:在本次课程设计中重点研究直流电机的工作原理以及直流电机的各种 调速方法。在调速控制中，我们包含两个大的部分，一个是直流电机的开环控 制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又分别介绍转 速闭环控制和PID闭环控制，并且对直流电机的每个模型进行建模并仿真，观 察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点。关键词：直流电动机；转速控制;PID控制；Mat l
2、ab仿真DC Motor Speed PID Control and SimulationAbstract: In this curriculum design, the work principle of DC motor and DC motor speed control methods are studied. In speed control, we include two parts, one is the!open loop control of DC motor, the other is a closed loop DCmotor control in DCI motor c
3、losed-loop control, and introduces the speed closed-loop control and PID control, and each model of the DC motor for modeling and simulation to observe thedynamic performance analysis of DC motor control and the advantages and I II disadvantages of each.Keywords: DC motor; speed control; PID control
4、; Matlab simulation装目录第一章 直流电动机的工作原理及基本结构 11.1直流电机的结构|1.2直流电机的基本工作原理.1.3本章小结 第二章直流电机开环系统仿真2.1 Matlab 简介|2.2直流电机的稳态模型2.4 本章小结 第三章直流电机PID控制3.1 PID控制简介3.2比例（P）调节特性3.3比例积分（PI ）调节特性.3.4比例积分微分（PID）调节特性3.5 PID的动态数学模型 3.7 本章小结 总结.1123336777889131415参考文献第一章直流电动机的工作原理及基本结构1.1直流电机的结构如下图1-1所示是直流电机的物理模型，由图可以看出，直
5、流电动机结 构中有换向器、电刷，磁极和转子，在实际直流电机中，还包括机座和端 盖，换向磁极、主磁极、机座和端盖，电刷装置组成电机的定子，电枢绕 组、电枢铁心、转轴、轴承和换向器构成电机的转子。图1-1直流电机模型图中N、S为定子的磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线 圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子，我们又叫它电枢。线圈的a、d 端连接到两个相互绝缘的换向片上。换向片上面有不动的电刷，电刷和转子 线圈与外电路是连通的。1.2直流电机的基本工作原理当我们在AB相加上直流电压源后，电流方向为dcba，我们由楞次定 律可 知，在N上S下的情况下，电枢有向左的力，是电枢向左运动，当 电枢转
6、动180度时，由于换向器的作用，使电流的方向发生改变，电流方 向为abcd，虽然电流方向发生改变，但是力的方向没有发生改变，仍然是向左的，正因为如 此，可以使电机一直朝一个方向运动下去，但是由于转子只有1个磁极的 关系，在磁场中的受力并不均匀，所以这样的电机在转的时候会有明显的震 颤感觉，所以实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布 在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，当线圈增加时，相 应的磁极也要增加。直流电机是电能转换装置，它将电能转换为机械能，当电枢上有直流电 通 过时，会在电枢绕组上感应电动势，称为电枢电动势，电枢电动势与电机 转速 成正比，表达式分别为：E
7、 C n（1.1）a e U - IRn= K*1.2）在上式中，n为直流电机转速 R为电枢电阻 Ke为电动机电动势常 数 励磁磁通（Wb）。我们可以看出，电动机转速与电枢电压电枢电流和励磁 磁通有关，当电压不变时，增大电枢电流，转速n就会下降，当电枢电流 不变时，减小电枢电压转速n也会下降。1.3本章小结我们从直流电机的结构中可以看出，直流电机的结构复杂，工艺复杂，但 是直流电机相对节能，功率因素高，和交流电机相比，直流电机用的是直流电， 如今大多数用的电是交流的，所以在使用直流电机的时候需要交直转换器，从 而增加了成本，最重要的是直流电机中存在换向器，在换向器工作中会产生火 花，当速度增大
8、到一定的值后，换向器中的火花会形成环火，从而影响直流电 机的转速，使不能转的很快。但是直流电机独特的工作方式使它的调速范围广 带负载能力大、震动小、噪音低、通用性强、维护方便，而且直流电机对环境 的适应能力强，可在有腐蚀等恶劣环境中工作，所以直流电机在我们生产生活 中也得到了广泛的使用，研究直流电机控制不仅关系着国民生产，更是一种对 未知事物的探索。第二章直流电机开环系统仿真2.1 Matlab 简介现在我们用到最多的仿真软件是MATLAB，它是由美国The MathWorks公司编写的一款数学软件。它是一种可用于数据分析、数据可视 化、算法开发以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了
9、可以进 行绘制、矩阵运算函数/数据图像等常用功能外，还可以使用其它语言（包 括C， C+和FORTRAN）编写的程序。虽然MATLAB主要时用于数学上的数值运算，但是由于它集成了很多的 附加工具箱使它也适合不同的领域，比如应用在图像处理、控制系统设计与 分析、金融建模和分析、信号处理与通讯等。在建模仿真中，我们常用的是 Simulink， 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。我们可以在该环境中通过简单直观 的鼠标操作构造出复杂的系统，而不需要很繁琐的键盘鼠标操作，基于以上 优点，所以Simulink已被 广泛应用于控制理论和数字信
10、号处理的复杂仿真 和设计领域。它具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细贴近实际 效率高、灵活等优点。2.2直流电机的稳态模型通过上面的式子n=UK-e/，外加电压由PWM控制，当忽略晶闸管的延迟 时间，在额定励磁下，直流电机的开环调速系统稳态结构图如下图2-1所示。图2-1直流电机开环稳态结构图假设电机的各个参数为：额定电压4=220V，额定电流I n=55A，空载 转速 为560r/min，那么电动机电动势系数Ce= un =0.393V - min/r,电枢 总回路电阻R=1Q,当放大系数、为22, Uc= u为10。ks图2-2阶跃信号模块我们知道了直流调速系统中的各个参数后，打开Mat
11、lab,点击图上面的运 行按钮，进入Simulink操作窗口，从上面的仿真框图中我们知道要有比 例环，在Simulink中，我们从Math Operations组中找到Sum和Gain，这就是我们要的比例和求和环，除此外，我们在Source中找到 STEP，即阶跃模块，我们将 找到的模板拖入在Simulink中新建的窗口中， 其中Scope1为阶跃相应，因为我们的4为10，双击Scope1，将10填 入其中，得到如上2-2图，Gain2为放大 环节，双击它，因为、为22， 填入数据22,得到如下图2-3所示。因为我们的电枢电阻R=1，所以Gain3里面填入1，Ce=0.393V min/r，我
12、们 打开Gain2,填入数据1/0.393,填入数据完成， 我们将各个环节连接起来后就可以进行仿真了。当电枢电流扃=0,即不带负载，我们得到转速如下图2-4 所示图2-4直流电机转速图我们可以看出，点击空载 时电机的转速稳定在560r/min左右。当我们增大 电枢电流扃二5时，进行仿真，仿真图如下图2-5所示。图2-5直流电机转速图我们可以看出这时候转速下降到547r/min左右，当我们在0-5S设置 Id=10,5s后Id=20,仿真图如图2-6所示图2-6直流电机转速图我们从图上可以看出, 时，转速下降很快。电机转速为535下降到510，当我们增大电流2.4本章小结通过我们对直流电机的学习
13、，我们知道电机转速与电机的电枢电流成反比关系，在仿真过程中也印证了这一事实，电机的转速随着电机的电流增大而下 降，然而电流的大小是和负载大小息息相关的，负载大电枢电流就大，负荷小 电枢电流就小，换句话说就是负载大转速就小，负载小转速就大，在直流电机 开环控制中，电机转速下降非常快，当负载为零时，它与输入电压成正比，在 仿真图中我们也可以明显的看到这种现象，由于电机的这种随负荷转速降落很 快的特点，所以这种电机只能胜任对转速没有特别要求的工作中，但是在对转 速要求很高的场合下就不适用了，所以这种调压控制方式只能在我们不需要直 流电机转速要求很稳定的情况下用到。但是，在很多的生产中，很多工艺都严
14、格要求电机的转速保持稳定，不然就会对生产造成损失，所以我们急需找到一 种控制方式来替代传统的调压调速，使电机的转速可以保持稳定。第三章直流电机。ID 控制3.1 PID控制简介3.1)PID调节即比例、积分、微分控制，这种调节器是将设定值与输出值进 行比较，通过比较得到的偏差值来进行比例、积分和微分的控制它不仅用途 广泛、使用灵活，而且使用中只需设定三个参数（匕，L和Td）。在这三 个参数中，我们可以选取其中的一个或两个参数来控制，但是比例控制单元 是不可或缺的。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，L和Td 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由 负载
15、的变化引起系统动 态特性变化，PID参数就可以重新整定，PID调节 的控制规律为：Tlu(t K e(te( t)其中Tl为积分时间常数，Kp为放大系数，t Td为微分时间常数3.2比例（P）调节特性PID控制方法从诞生到现在已经有70多年的历史，虽然过去了这么多 年，但是现在仍然是应用最广泛的工业控制器。因为PID控制器结构简单 易懂，在参数整定过程中不需精确的算出参数值，而却系统模型也多种多 样，因而成为应用最为广泛的控制器。这个理论和应用自动控制的关键 是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID调节器的 类型有比例调节（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID），其中 比例调节方程为：3.2)3.3)V。Kpe(t)传递函数为:G( S) Kp图3-1比例控制响其相应时间图如上图3-1所示，我们可以看出比例调节器对于偏差响 应速 度快，其控制的强弱取决于比例系数的Kp的大小。只要有偏差出现, 则系统就会迅速的出现反馈值。从而响应速度非常快，虽然比例作用大 可以加快调节减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚
