基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真.docx

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基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真

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；MATLAB

ABSTRACT

DCservosystemiswidelyusedintheindustry，andisthefadationofACservoSystem.TheDCservosystemcanbecontroledwellwithdouble-closedsystem.Inthispaperdouble-closedloopDCservosystemisstudied,theimportanceofzhestudyisthecontrolsection.analysisofthestaticanddynamicofspeedcontrolsystem,andestablishingadouble-closedloopDCsystemmathematicalmodel.PIcontrolerisdesignedforboththecurrentandspeedregulator，anddesigncurrentandspeedregulatorparameters.Whenanalysisoftheclassicaldouble-loopsystem，inordertogetareasonabledesignparameters.MATLABsoftwarehasbeenselectedtosimulateparametersofthesystemwhichhasbeenchoosen,withacomparisontoshowthecharacteristicsofDCControlsystem.

KEYWORDS：

Double-closedloopDCservosystem;PIcontroller;MATLAB

1.2课题的主要任务及内容................................................................................................1

第一章绪论

1.1国内外现状及发展意义

随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）常用的控制直流电动机有以下几种：

第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。

这种方法简单易行设备制造方便，常用的控制直流电动机有以下几种：

第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。

这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。

但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。

第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。

但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。

第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。

但是汞弧交流器仍存在一些缺点：

维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。

第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。

晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。

同时，控制电路也出现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。

随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。

微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。

近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB、公司的PAD/PSD等等。

随着现代化不发的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不段扩大。

例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。

随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。

电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。

变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。

正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年发生了很大的变化。

其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD,DSP控制器等手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。

电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法得以实现。

其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛的应用，。

永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。

由于有为处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制为智能运动控制系统。

所以应用先进的控制算法，开发数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。

在那些电动机控制系统的性能的要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。

为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。

数字直流调速装置，从技术上，他能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法，完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。

国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的CE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化得应用产品。

我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。

目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。

我国关于数字直流调速系统的研究主要有：

综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。

具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。

因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation，简称PWM）方向发展。

我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。

但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。

目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。

价格低廉，但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。

第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。

但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。

第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。

但是汞弧交流器仍存在一些缺点：

维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。

第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。

晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。

同时，控制电路也出现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。

随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。

微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。

近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统