1、南京工程学院毕业设计说明书本科毕业设计（论文）题 目 ： 双闭环直流调速系统的设计与仿真研究 南京工程学院毕业设计说明书Graduation Design (Thesis)Design and Simulation of Double Loop DC Motor Control SystemByWu JieSupervised byAssociate Prof. Zhang zhenyanDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyMay, 2014南京工程学院毕业设计说明书I摘 要为了提高运动控制系统在
2、实际工程中的应用效率，本文介绍了直流调速系统的工程设计方法 1，利用 MATLAB 软件，对直流调速系统进行数学建模和系统仿真的研究。所给出的仿真方法，可以灵活地调节系统的参数，从而获得理想的设计结果，并对设计出的系统进行分析。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是:1）概念清楚、易懂。2）计算公式简明、好记。3）不仅给出参数计算公式，而且指明参数调节方向。4）能考虑饱和非线性控制的情况，同时给出简单的计算公式。5）适合于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统 2。由于这个课题相对简单，我在里面加入了相关性的内容以丰富本课题的广度和深度。在本设计中，我加入了三种简单的单闭环直流调速系统，并且通过对
3、它们进行仿真分析，比较找出了它们的不足之处，从而更明显地体现了双闭环直流调速系统的优越性。并且通过对两种典型的双闭环直流调速系统进行仿真分析，从而更好地理解和运用双闭环直流调速系统 3。关键词：直流电动机；双闭环调速；MATLAB；仿真；直流调速系统；直流脉宽调制；工程设计方法南京工程学院毕业设计说明书IIABSTRACTIn order to raise application efficiency of the motion control system in actual project ,this article discussed the engineering design met
4、hods of the speed-governing system of DC motor. The mathematical modeling and system simulation of direct current governor system are researched by means of MATLAB platform . The simulation method can adjust the system controller parameters flexibly, so as to achieve the ideal design results, and th
5、e design of the system are analyzed.A controller design method is the principles of:（1）The concept of clear, easy to understand.（2）Simple formula, easy to remember.（3）Not only gives the parameter calculation formula, and indicates the parameter adjustment direction.（4）Can consider the saturation non
6、linear control, and gives a simple formula.（5）Suitable for all kinds of feedback control systems can be simplified into a typical system.Because this subject is relatively simple, I joined the correlation content inside to enrich the breadth and depth of the subject. In this design, I added three si
7、mple single loop DC speed regulation system, and then analyze them, compared to find their deficiencies, and thus more clearly showed the superiority of double closed loop DC speed regulating system. And through the simulation analysis of two kinds of typical double loop DC speed control system, so
8、as to better understand and use the double loop DC speed control system.Keywords: DC motor, double closed loop，MATLAB ，Simulation，V-M，PWM-M，The engineering design method南京工程学院毕业设计说明书目 录摘要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 直流调速系统国内外研究现状 .11.3 研究双闭环直流调速系统的意义 .21.4 论文的主要研究内容 .2第二章 仿真软件以及相关硬件简介 .3
9、2.1 MATLAB/Simulink 仿真平台 .32.2 仿真的数值算法 .32.3 工程设计法 .42.4 直流电动机 .4第三章 简单闭环调速系统的设计与仿真 .53.1 单闭环有静差转速负反馈调速系统的设计与仿真 .53.2 单闭环无静差转速负反馈调速系统的设计与仿真 .113.3 带电流截止负反馈的转速反馈系统的设计与仿真 .133.4 简单闭环调速系统的优缺点比较 .15第四章 转速、电流双闭环直流调速系统的设计与仿真 .174.1 转速、电流双闭环调速系统的设计与仿真 .174.2 V-M 直流调速系统的设计与仿真 .194.3 PWM-M 直流调速系统的设计与仿真 .26第五
10、章 总结与展望 .34致谢 . 35参考文献 .36南京工程学院毕业设计说明书南京工程学院毕业设计说明书1第一章 绪 论1.1 课题研究背景在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能 4。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。 因此，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统 5。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。而转速、电流双闭环直流调速系统, 因
11、其具有良好的动静态特性和抗扰性能以及广范围内的平滑调速性能, 特别适合应用到龙门刨床、可逆轧钢机、造纸、印染设备及其他直流调速等领域 6。1.2 直流调速系统国内外研究现状1.2.1.国内现状及发展趋势从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。给定信号为010V 直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双 PI 调节器，可获得良好的动静态效果 7。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展
12、，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流控制的基础 8。在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。1.2.2.国外现状及发展趋势从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置直流调速已经发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置
13、具有很高的精度、良好的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外受到广泛的应用 9。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数南京工程学院毕业设计说明书2字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统的总的发展趋势也向着控制的数字化、智能化和网络化发展。1.3 研究双闭环直流调速系统的意义1.3.1.根据 MATLAB/Simulink 仿真平台，研究双闭环直流调速系统的性能。双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用 10
14、。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础 11。1.3.2.通过比较单闭环有、无静差转速负反馈调速系统和带电流截止负反馈调速系统的仿真结果，从而得到它们各自的不足之处，从而突出双闭环直流调速系统的优越性以及必要性。1.3.3.通过对双闭环 V-M 系统和双闭环 PWM-M 调速系统这两种典型双闭环调速系统的的仿真分析，帮助我们更好的了解和应用双闭环直流调速系统。1.3.4.对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过
15、对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。1.4 论文的主要研究内容1.4.1.简单闭环调速系统系统的设计与仿真，其中包括单闭环有、无静差转速负反馈调速系统以及带电流截止转速负反馈调速系统的设计与仿真。通过比较它们的仿真分析结果，得出它们的不足之处，从而引出双闭环直流调速系统。1.4.2.双闭环直流调速系统的设计与仿真，其中包括建立双闭环调速系统的方框图以及仿真模型。并且通过仿真分析结果，与简单的闭环调速仿真分析进行比较，从而得出双闭环直
16、流调速优越性。1.4.3.双闭环 V-M 系统的设计与仿真，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。1.4.4.闭环 PWM-M 调速系统设计与仿真，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结构分析等。南京工程学院毕业设计说明书3第二章 仿真软件以及相关硬件简介2.1 MATLAB/Simulink 仿真平台MATLAB 是一种科学计算软件，MATLAB 是“矩阵实验室”(Matrix Laboratory)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算机语言。它由于使用方便，输入便捷，运算高效，适应
17、科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，特别受到用户的欢迎。从而使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。MATLAB 提供的动态系统仿真工具 Simulink 可以有效地对系统进行建模，而且仿真过程是交互的，可以随意地改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。另外使用 MATLAB 中的各种分析工具，还能对仿真结果进行分析以及可视化。Simulink 仿真平台具有如下特点：（1）系统仿真模型（即框图）完成后，设置了仿真参数，即可启动仿真。仿真开始时，软件首先自动进行被仿真电路和系统的初始化过程，将系统的框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的
18、数据结构并计算系统在给定激励下的响应。（2）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎是一致的。（3）以框图形式仿真控制系统是 Simulink 的最早功能，后来在 Simulink 的基础上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊控制等数十种模型库，但是 Simulink 的窗口界面是各种模型库共用的平台，在这平台上可以控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真 12。2.2 仿真的数值算法仿真的数值算法有很多种，其中包括Ode23，Ode15s，Ode45，Ode113，Ode23s，Ode23t，Ode23tb 等，而我在接下来的仿真软件件主要
19、运用到的是 Ode45 和 Ode23tb 这两种，下面我将对其进行大致的介绍。Ode45 (Dormand-Prince)基于显式 Rung-Kutla(4,5)和 Dormand- Prince 组合的算法，它是一种一步解法，即只要知道前一时间点的解 y(tn-1)，就可以立即计南京工程学院毕业设计说明书4算当前时间点的方程解 y(tn)。对大多数仿真模型来说，首先使用 ode45 来解算模型是最佳的选择，所以在 SIMULINK 的算法选择中将 ode45 设为默认的算法。Ode23tb（stiff/TR-BDF2)采用 TR-BDF2 算法，即在龙格-库塔法的第一阶段用用梯形法，第二阶
20、段用二阶的 backward differentiation formulas 算法，在容差比较大时，ode23tb 和 ode23t 都比 ode15s 好 13。2.3 工程设计法作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步:第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳、快和抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分为两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳态精度，然后第二步再进一步满足其他动态性能指标。2.4 直流电动机在即将进行的仿真设计中，直流电
21、动机是一个不可或缺的部分。众所周知，直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内进行平滑无级调速。并且它在轨钢机、金属切割机床、高层电梯、铁路机车、造纸机、矿井卷场机、挖掘机等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的运用。在目前知道的范围内，可控直流电源电动机调速系统，包括直流电动机启动、开环直流调速、单闭环直流调速、双闭环直流调速以及直流脉宽 PWM-M 等调速系统的仿真 14。直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高，维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有较高的过载能力、较大的启动转矩和良好的启动、制动、平滑的调速性能，可以在很宽范围内平滑调速，能在很短的时间里改变转向，所以直流调速系统在现阶段仍然是自动调速系统的主要形式 15。转速-电流双闭环直流调速系统具有结构简单，工作可靠，且设计较为方便的特点，是应用非常广泛的一种直流调速系统 16。
