matlab課程設(shè)計(jì)-基于Matlab的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

matlab課程設(shè)計(jì)--基于Matlab的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真PAGE基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真班級(jí)：自動(dòng)化12-1班姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：前言MATLAB是一種對(duì)技術(shù)計(jì)算高性能的語(yǔ)言，它集成了計(jì)算、可視化和編程于一個(gè)易用的環(huán)境中。在此環(huán)境下，問(wèn)題和解答都表達(dá)為我們熟悉的數(shù)學(xué)符號(hào)。典型的應(yīng)用有：1.數(shù)學(xué)和計(jì)算；2.算法開(kāi)發(fā)；3.建模、模擬和原形化；4.數(shù)據(jù)分析、探索和可視化；5.科學(xué)與工程制圖；6.應(yīng)用開(kāi)發(fā)，包括圖形用戶界面的建立。MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括符號(hào)運(yùn)算和數(shù)值計(jì)算仿真分析。由于信號(hào)與系統(tǒng)課程的許多內(nèi)容都是基于公式演算，而MATLAB借助符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱提供的符號(hào)運(yùn)算功能，能基本滿足信號(hào)與系統(tǒng)課程的需求。例如解微分方程、傅里葉正反變換、拉普拉斯正反變換和z正反變換等。MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)中的另一主要應(yīng)用是數(shù)值計(jì)算與仿真分析，主要包括函數(shù)波形繪制、函數(shù)運(yùn)算、沖擊響應(yīng)與階躍響應(yīng)仿真分析、信號(hào)的時(shí)域分析、信號(hào)的頻譜分析、系統(tǒng)的S域分析和零極點(diǎn)圖繪制等內(nèi)容。數(shù)值計(jì)算仿真分析可以幫助學(xué)生更深入地理解理論知識(shí)，并為將來(lái)使用MATLAB進(jìn)行信號(hào)處理領(lǐng)域的各種分析和實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。此次課程設(shè)計(jì)主要是為了進(jìn)一步熟悉對(duì)matlab軟件的使用，以及學(xué)會(huì)利用matlab對(duì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)這種實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行處理，將理論應(yīng)用于實(shí)際，加深對(duì)它的理解。目錄前言第一章Matlab軟件簡(jiǎn)介1.1Matlab的產(chǎn)生和歷史背景……………………11.2Matlab的語(yǔ)言特點(diǎn)……………2第二章系統(tǒng)介紹2.1設(shè)計(jì)參數(shù)要求…………………42.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算…………………42.3電流環(huán)設(shè)計(jì)……………………52.4轉(zhuǎn)速換設(shè)計(jì)……………………8第三章仿真調(diào)試3.1仿真結(jié)果分析………………113.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)程序流程框圖……………113.3Matlab源程序………………12第四章總結(jié)…………………14參考文獻(xiàn)Matlab課程設(shè)計(jì)基于Matlab的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真PAGE14第一章Matlab軟件簡(jiǎn)介1.1Matlab的產(chǎn)生和歷史背景在20世紀(jì)70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下開(kāi)發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫(kù)。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序庫(kù)，LINPACK是解線性方程的程序庫(kù)。在當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)程序庫(kù)代表矩陣運(yùn)算的最高水平。到20世紀(jì)70年代后期，身為美國(guó)NewMexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的CleveMoler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手，利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler給這個(gè)接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣（matrix）和實(shí)驗(yàn)室（laboratory）兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母的組合。在以后的數(shù)年里，MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費(fèi)軟件廣為流傳。在當(dāng)今30多個(gè)數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計(jì)算型軟件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，如Mathematica、Maple等，這類軟件以符號(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)，能給出解析解和任意精度解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開(kāi)拓了其符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，開(kāi)發(fā)了適合多學(xué)科、多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB。經(jīng)過(guò)多年的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，MATLAB已經(jīng)占據(jù)了數(shù)值型軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。在MATLAB進(jìn)入市場(chǎng)前，國(guó)際上的許多應(yīng)用軟件包都是直接以FORTRAN和C語(yǔ)言等編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄、接口簡(jiǎn)陋、程序結(jié)構(gòu)不開(kāi)放以及沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的基庫(kù)，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。在MATLAB問(wèn)世不久的20世紀(jì)80年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。時(shí)至今日，經(jīng)過(guò)MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)勁的大型軟件。在國(guó)外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問(wèn)題。1.2Matlab的語(yǔ)言特點(diǎn)一種語(yǔ)言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語(yǔ)言的特點(diǎn)。正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級(jí)語(yǔ)言使人們擺脫了需要直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來(lái)。MATLAB的最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。MATLAB用更直觀的、符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C和FORTRAN語(yǔ)言的冗長(zhǎng)代碼。MATLAB給用戶帶來(lái)的是最直觀、最簡(jiǎn)潔的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。以下簡(jiǎn)單介紹一下MATLAB的主要特點(diǎn)。①語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用其豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。可以說(shuō)，用MATLAB進(jìn)行科技開(kāi)發(fā)是站在專家的肩膀上。具有FORTRAN和C等高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言知識(shí)的讀者可能已經(jīng)注意到，如果用FORTRAN或C語(yǔ)言去編寫程序，尤其當(dāng)涉及矩陣運(yùn)算和畫圖時(shí)，編程會(huì)很麻煩。例如，如果用戶想求解一個(gè)線性代數(shù)方程，就得編寫一個(gè)程序塊讀入數(shù)據(jù)，然后再使用一種求解線性方程的算法（例如追趕法）編寫一個(gè)程序塊來(lái)求解方程，最后再輸出計(jì)算結(jié)果。在求解過(guò)程中，最麻煩的要算第二部分。解線性方程的麻煩在于要對(duì)矩陣的元素作循環(huán)，選擇穩(wěn)定的算法以及代碼的調(diào)試都不容易。即使有部分源代碼，用戶也會(huì)感到麻煩，且不能保證運(yùn)算的穩(wěn)定性。解線性方程的程序用FORTRAN和C這樣的高級(jí)語(yǔ)言編寫至少需要好幾十行。再如用雙步QR方法求解矩陣特征值，如果用FORTRAN編寫，至少需要四百多行，調(diào)試這種幾百行的計(jì)算程序可以說(shuō)很困難。以下為用MATLAB編寫以上兩個(gè)小程序的具體過(guò)程。用MATLAB求解下列方程，并求矩陣A的特征值。其中：解為：x=A\b；設(shè)A的特征值組成的向量為e，e=eig（A）。可見(jiàn)，MATLAB的程序極其簡(jiǎn)短。更為難能可貴的是，MATLAB甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB會(huì)根據(jù)矩陣的特性選擇方程的求解方法，所以用戶根本不用懷疑MATLAB的準(zhǔn)確性。②運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語(yǔ)言編寫的，MATLAB提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。③MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句（如for循環(huán)、while循環(huán)、break語(yǔ)句和if語(yǔ)句），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。④語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無(wú)需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用。⑤程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。⑥MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語(yǔ)言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。⑦M(jìn)ATLAB的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢。⑧功能強(qiáng)勁的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱能用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control、toolbox、signalprocessingtoolbox、communicationtoolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無(wú)需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。第二章系統(tǒng)介紹2.1設(shè)計(jì)參數(shù)要求轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅(qū)動(dòng)。電機(jī)參數(shù)：額定功率200W；額定電壓48V；額定電流4A；額定轉(zhuǎn)速500r/min；電樞回路總電阻R=8Ω；允許電流過(guò)載倍數(shù)λ=2；電勢(shì)系數(shù)Ce=0.04V·min/r；電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.008s；機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.5；電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=1ms要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓U*nm=U*im=10V；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10V；PWM功率變換器的的開(kāi)關(guān)頻率f=10kHz；放大倍數(shù)K=4.8；動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；電流超調(diào)量5%；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%；過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts=0.5s。2.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算根據(jù)兩調(diào)節(jié)器都選用PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流和轉(zhuǎn)速偏差均應(yīng)為零；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅值均選擇為12V。電流反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：2.3電流環(huán)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)電流濾波時(shí)間常數(shù)T=0.2ms，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，則（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型Ⅰ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù)：=T=0.008s電流環(huán)超調(diào)量為σ5%，電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：應(yīng)取，則===1666.67于是，電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為（4）檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率==1666.671/s近似條件1：現(xiàn)在，==3333.33>，滿足近似條件。近似條件2：現(xiàn)在，==47.43<，滿足近似條件。近似條件3：現(xiàn)在，==2357.02>，滿足近似條件。（5）MATLAB仿真電流環(huán)給定階躍響應(yīng)的MATLAB仿真未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)電流環(huán)頻率分析的MATLAB仿真未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)頻率響應(yīng)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)頻率響應(yīng)2.4轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)：2=0.0006s轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：T=1ms=0.001，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：=2+T=0.0006+0.001=0.0016s（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)該按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能均比較好的原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為=h·T=50.0016=0.008s轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益==468751/于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為==58.59（4）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)截止頻率為==·=468750.008=3751/s近似條件1：現(xiàn)在，==666.67>，滿足近似條件。近似條件2：現(xiàn)在，==430.33>，滿足近似條件。（5）MATLAB仿真轉(zhuǎn)速環(huán)階躍信號(hào)響應(yīng)分析的MATLAB仿真未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)速環(huán)頻率分析的MATLAB仿真未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)頻率響應(yīng)經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)頻率響應(yīng)第三章仿真調(diào)試3.1仿真結(jié)果分析根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果的模擬仿真，可以得到設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速無(wú)誤差?？梢钥闯觯鹤鳛閮?nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。在實(shí)際系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和外負(fù)載的波動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的超調(diào)與穩(wěn)定有一定的影響，在仿真的時(shí)候可以加以考慮，最終可以看出系統(tǒng)對(duì)于外界干擾的協(xié)調(diào)能力很強(qiáng)。3.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)程序流程框圖3.3Matlab源程序>>s1=tf(1.25,[0.00021]);>>s2=tf(4.8,[0.00011]);>>s3=tf(0.125,[0.0081]);>>w=17.78*tf([0.0081],[0.0080]);>>figure(1);>>margin(s1*s2*s3*w);>>holdon>>gridon;>>figure(2)>>clos1=s1*s2*s3*w/(1+s1*s2*s3*w);>>t=0:0.0001:0.008;>>step(clos1,t)>>gridon;>>s1=tf(6,[0.00031]);>>s2=tf(0.125,[0.0081]);>>w=17.78*tf([0.0081],[0.0080]);>>figure(3);>>margin(s1*s2*w);>>holdon>>gridon;>>figure(4);>>clos1=s1*s2*w/(1+s1*s2*w);>>t=0:0.0001:0.008;>>step(clos1,t)>>gridon;>>s1=tf(1,[0.0011]);>>s2=tf(0.8,[0.00061]);>>s3=tf(8,[0.50]);>>n=1/0.04;>>s4=tf(0.02,[0.0011]);>>g=58.59*tf([0.0081],[0.0080]);>>figure(5);>>margin(s1*s2*s3*s4*n*g);>>holdon>>gridon;>>figure(6);>>clos1=s1*s2*s3*s4*n*g/(1+s1*s2*s3*s4*n*g);>>t=0:0.001:0.08;>>step(clos1,t)>>gridon;>>s1=tf(0.016,[0.00161]);>>s2=tf(8,[0.50]);>>n=1/0.04;>>g=58.59*tf([0.0081],[0.0080]);>>figure(5);>>margin(s1*s2*n*g);>>holdon>>gridon;>>figure(6);>>clos1=s1*s2*n*g/(1+s1*s2*n*g);>>t=0:0.001:0.08;>>step(clos1,t)>>gridon;第四章總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用在生活中可以說(shuō)得是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握計(jì)算機(jī)Matlab語(yǔ)言開(kāi)發(fā)技術(shù)是十分重要的。在這短短設(shè)計(jì)期間我獲取了不少新知識(shí)也鞏固了許多老知識(shí)。實(shí)訓(xùn)編程的同時(shí)暴露出了許多我自身存在的問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)自身有了很大的提高，我體會(huì)到了老師和同學(xué)們的熱心幫助，無(wú)論面對(duì)學(xué)習(xí)中多大的困難，同學(xué)們都會(huì)幫助我，老師也會(huì)幫助我，大家就像兄弟姐妹一