基于matlab的直流电机调速系统性能仿真研究.pdf
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1、摘要仿真对于控制系统的分析、设计和验证具有重要的意义,使用MATLAB编程语言及其 Si mul i nk工具箱可以进行控制系统的仿真。作者借助于MATLAB 7.0软件,对一些典型的直流 电机控制系统进行了仿真研究,实现了不同模型的动态仿真,对系统作了稳态和动态性能指标分 析。对同一种直流电机调速系统,可以采取纯由传递函数模块搭建系统模型仿真、基于电气原理 图结构搭建混合模块的系统模型仿真和编程仿真,并阐述了各种方法的特点。对数字PID控制算法进行了设计,包括简单的数字PID控制算法和不完全微分式、积分分离 式两种改进的数字PID控制算法。研究了利用仿真手段整定计算机控制直流电机系统的采样周
2、期 和PID参数的方法,以获得优良的系统调速性能。关键词:MATLAB;仿真;直流电机;调速;PIDABSTRACTTh e si mul at i on i s of g re at si g ni f i cance t o anal yze,de si g n and val i dat e t h e cont rol syst e m.Th e si mul at i on of cont rol syst e m can be carri e d out t h roug h usi ng MATLAB prog rammi ng l ang uag e and MATLAB/Si
3、 mul i nk t ool box.Th e st udy on a coupl e of t ypi cal DC cont rol syst e ms wi t h MATLAB 7.0 h as be e n carri e d out by t h e aut h or,and t h e syst e m si mul at i on base d on di f f e re nt MATLAB mode l s h as be e n re al i ze d,i ncl udi ng t h e si mul at i on of t h e syst e m mode l
4、 wh i ch i s pure l y const ruct e d by t h e t ransf e r f unct i on bl ock s,t h e si mul at i on of t h e syst e m mode l wh i ch i s made up of h ybri d Si mul i nk bl ock s and t h e si mul at i on of t h e syst e m mode l comi ng f rom MATLAB prog rammi ng,and t h e f e at ure s of t h e above
5、 ways are i l l ust rat e d.Th e anal yze of dynami c and st abl e pe rf ormance and i nde x of t h e se DC mach i ne cont rol syst e ms i s al so done i n t h i s st udy.More ove r,t h e si mul at i on st udy on di g i t al PID cont rol l e d DC cont rol syst e ms i s al so done i n t h i s re se a
6、rch,i ncl udi ng t h e si mul at i on of si mpl e di g i t al PID cont rol al g ori t h m and t h e si mul at i on of part i al di f f e re nt i al and i nt e g ral se parat i on,t wo k i nds of i mprove d di g i t al PID cont rol al g ori t h ms.Th e me t h od of t uni ng by si mul at i on t h e sa
7、mpl i ng t i me and t h e PID cont rol parame t e rs of di g i t al DC cont rol syst e m i s st udi e d t o obt ai n g ood spe e d re g ul at i on pe rf ormance.Key WbrdS:MATLAB;si mul at i on;DC mach i ne;spe e d re g ul at i on;PID中国农业大学硕卜学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 概述直流电动机具有良好的运行和控制特性,长期以来,直流调速系统一直占据垄断地位。在
8、许 多工业部门,如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制 技术的角度来看,又是近年发展迅速的交流调速系统的基础.目前,直流调速系统仍然是自动调 速系统的主要形式。特别是基于数字采集和计算机控制的直流调速系统得到了越来越广泛的应 用,在这种系统中,控制算法直接影响到控制系统的性能。MATLAB软件由于其强大的功能,早已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中,成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对各种直流调速系统进行仿真分析和设计,可以大大 缩短控制系统的算法设计开发周期。直流调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。算法
9、设计是仿真的一项重要应用。研究者们可以通过仿真实现各种算法的控制器设计,如采用PID 调节器控制的直流调速系统设计,将积分校正网络算法应用于直流电机控制器的设计和应用 于直流电机自动跟踪系统中的自校正积分分离P1D控制算法设计,等等。利用仿真还可以优化系统参数。如对于晶闸管直流电动机调速系统,可以通过仿真确定平波 电抗器的最佳值,以获得最好的电机电流响应特性。就直流调速系统的MATLAB建模方式而言,主要有三种类型,即主要基于系统传递函数建 模、面向电气原理图结构建模和编制MATLAB语言源程序建模。其中前两种是在 MATLAB/Si mul i nk集成环境下建模,这几种方式各有特点。研究者
10、大多使用主要基于系统传递函数的建模方式。这种方式建模依据系统各部分的传递函 数直接建模,运行仿真的时间一般很短,往往在一两秒之间即出结果,非常快捷。近年周渊深博士网依据MATLAB/Si mul i nk工具箱中的各种仿真模块,首次提出一种叫做面 向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法,以此进行各种交直流调速系统的仿真。该方法由 于使用了 Si mul i nk/Powe rSyst e m工具箱中的电力模块,所以搭建的仿真模型正如其名称,与系统 的电气原理图结构相似,很直观;但系统模型规模较大,仿真时间较长.性能分析是仿真工作的重要内容。利用MATLAB可以比较方便地实现各种系统的性能分析
11、。(5.6,7.8,9通过MATLAB来研究采用无刷直流电动机的直流调速系统,是近年来的一个研究热点。由 于无刷直流电动机的特点和在计算机外围设备、仪器仪表和伺服系统等领域的应用,有关这方面 的仿真研究很多。在直流电动机模型的建模方面,除了以传递函数表示的数学模型进行建模和使用Si mul i nk 下的直流电动机模型以外,有研究者建立了一种新的模型,这种模型是考虑了直流电动机运行在 零速度附近时产生的非线形摩擦所带来的影响而建立的,由于这种直流电动机模型更精确,因而 更加有利于今后控制器的设计与调试。口 a中国农业大学硕卜学位论文 第一章绪论综上所述,由于MATLAB软件能够很好地对直流调速
12、系统进行仿真,因此在本课题中,本 人将利用MATLAB特别是MATLAB/Si mul i nk工具箱,构建直流调速系统的仿真模型,对其仿真 实现、性能分析和算法设计等方面继续作深入而全面的研究。在研究方法上,考虑到上述提到的几种仿真方式的特点,进行多种方式的对调速系统的仿真 研究,是会使我们的研究工作富有灵活性从而为我们带来便利的。因此,在本课题中,采用了多 种仿真方式来研究各类直流调速系统。1.2 研究的目标与内容】.研究目标:通过仿真,深入研究直流调速系统的性能,开发新的控制算法。2.主要内容:(1)利用MATLAB软件进行直流调速系统仿真,深入研究单闭环与双闭环等控制系统的 动态特性;
13、(2)利用仿真手段对直流调速系统进行动态和稳态性能分析;(3)构建含有扰动的交流电源模型子系统,以实现对系统的电源扰动性能分析;(4)基于MATLAB,设计数字PID控制算法。2中国农业大学硕匕学位论文第二章MATLAB软件及其在挣制系统中的仿真第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真2.1 计算机仿真技术概述计算机仿真在经历了半个多世纪的飞速发展后,迄今已发展成为一种真正的、系统的实验科 学,并且在航空、航天等众多领域显示了巨大的社会效益和经济效益。1.计算机仿真基本概念计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型,利用计算机对系统进行分析与研究的技术与方 法。模型:模型是对现实系统有关结构信息
14、和行为的某种形式的描述,是对系统特征与变化规律 的一种定量抽象,是人们认识事物的一种手段或工具。模型可以分为物理模型、数学模型和仿真 模型。计算机仿真分类:的是现代计算机仿真,其数值计算功能强大,方法。计算机仿真应用:可分为模拟仿真、数字仿真、混合仿真和现代计算机仿真。目前主要采用 特征是采用先进的微型计算机,使用专用的仿真软件、仿真语言来实现,易学易用。它是在20世纪80年代发展起来的,是当前主流的仿真技术与 计算机仿真在目前有着广泛的应用。而且应用的深度和广度也越来越大,主要应用在航空与航天工业、电子与电力工业、原子能工业和非工程领域如医学、经济学等方面。计算机仿真技术的应用意义:计算机仿
15、真技术具有重要的意义,主要体现在以下几个方面:经济。大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的,而采用仿真实验成本很低,而且设备可 以重复使用。安全。采用仿真实验可以可以有效地降低对某些系统进行直接实验的危险程度,对系统的 研究起到保障作用。(3)快捷。提高设计效率,如电路设计、服装设计等.(4)具有优化设计和预测的特殊功能,对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困 难的,这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能;而且通过仿真技术与方法的应用可以获得对系 统的某种超前认识。2.自动控制系统仿真自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理 论、计算数学和计算机技术的
16、综合性新型学科。它是以控制系统的数学模型为基础,以计算机为 工具,对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究,而 计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型,可以通过计算机仿真来研究 被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案.随着计算机技术的发展,计算 机仿真越来越多地取代纯物理仿真,它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制 系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。3.自动控制系统计算机仿真基本过程3中国农业大学硕卜学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真自动控制系统仿真包括以下几个基本步骤
17、:问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析,其 流程如图21所示。图2-1计算机仿真流程图随着计算机技术的发展与进步,计算机仿真技术今后也将得到进一步的发展,诸如系统仿真 速度的有效提高等等。计算机仿真技术在今后的发展将在硬件、应用软件、分布式数字仿真和虚 拟现实技术几个方面得到体现。11312.2 MATLAB 简介MATLAB是Mat h Work s公司于1984年推出的数学软件,是一种用于科学工程计算的高效率 的高级语言。MATLAB的含义是“矩阵实验室”(Mat ri x Laborat ory),主要向用户提供一套非常 完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变,它逐渐发展成为各种系统仿
18、真、数字信号处理、科 学可视化的通用标准语言。由于MATLAB软件完整的专业体系和先进的设计开发思路,使得 MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间,特别是在MATLAB的主要应用方向一一科学计算、建模仿真及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。MATLAB具有其他高级语言难以比拟的一些优点,如编写简单、编程效率高、易学易懂等,因此MATLAB语言也被通俗地称为演算纸式的科学算法语言与Basi c,Fort ran,C/Ch等语言相 4中国农业大学硕上学位论文 第二用MATLAB软件及H在挣制系统中的仿真比,MATLAB的语法更简单,更贴近人的思维方式.MATLAB由主包和功能
19、各异的工具箱组成,其基本的数据结构是矩阵。2004年7月,Mat h Work公司推出了最新版的MATLAB R14版本,该版本集成了最新的 MATLAB 7编译器、Si mul i nk 6.0图形仿真器及很多工具箱,增加了很多新的功能和特性,内容 相当强大,针对编程环境、代码效率、数据可视化、文件VO等方面都进行了全面的升级。1刈2.3 MATLAB在控制系统中的仿真功能和意义在控制系统仿真初期,往往需要仿真技术人员自己用BASIC等语言去编写数值计算程序,即便想求得系统的阶跃响应数据并绘制阶跃响应曲线这样一个简单的问题也需要花费很多的时 间用于编写求解微分方程的子程序和绘图子程序;并且由
20、于没有纳入规范,往往不能保证求解结 果的正确性.MATLAB的问世,特别是其包含的控制系统工具箱和Si mul i nk工具箱,给控制系统的分析 和设计带来了极大的方便,软件版本发展至今已经愈发完善。随着MATLAB软件的不断升级以及功能强大的TOOLBOX的出现,MATLAB将成为自动控 制系统计算与仿真的一个越来越强有力的工具,使控制系统的计算与仿真较传统方法发生革命性 的变化,MATLAB正成为国内外控制领域内最流行的计算与仿真软件。MATLAB在控制系统的分析和仿真方面,既功能强大又灵活多样.使用MATLAB既可以以 系统的传递函数为基础,使用MAFLAB的Si mul i nk工具箱
21、搭建系统模型对其进行仿真研究;也 可以编制系统的MATLAB语言程序,通过执行程序而得到仿真结果;还可以在由Si mul i nk模块 搭建的系统模型中嵌入MATLAB函数进行仿真,非常灵活。2.4 控制系统仿真中常用的函数介绍下面我们择其主要介绍一些MATLAB函数,因为这些函数在使用编程的方式进行控制系统 的仿真时会经常用到。1.G=t f(num de n)建立传递函数模型。num是分子多项式系数行向量,de n是分母多项式系数行向量。2.num,de n=se ri e s(num 1,de n 1,num2,de n2)表示将串联连接的两个单输入单输出系统G|(s)和G2(s)的传递
22、函数进行相乘.3.(num,de n=f e e dback(t i um 1,de nI,num2,de n2,si g n)表示将两个系统按反馈方式连接,一般而言,系统1为对象,系统2为反馈控制器。Si g n用 来指示系统2输出到系统1输入的连接符号,si g n默认为负值,即si g n=L4.numc,de ne=cl oop(num,de n,si g n)表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统si g n的意义与上述相同。注意这里的闭环连接 指的是通常意义下的单位反馈连接,因这种连接在实际中大量存在。5.sysd=c2d(sysc,Ts me t h od)5中国农业大学硕卜学
23、位论文 第二章MATLAB软件及其rr捽制系统中的仿真连续时间m系统模型转换成离散时间系统模型,Ts是采样周期。6.sysc=d2c(sysd,me t h od)第5、6荫个函数中的me t h od表示转换是选用的变换方法,如其值为zoh,表示对输入 信号加零阶保持器;如为f bh、表示对输入信号加一阶保持器;如为t us t i n,表示采用双线 性变换方法;等等。2.5 Simul ink主要的仿真模块介绍1.DC mach i ne 模块模块符号如图22所示。DC Machine图2-2 DC mach i ne模块符号下面我们对DC mach i ne模块的结构作一个剖析,因为通过
24、了解其结构,可以决定我们对 MMATLAB/Si mul i nk模型仿真的信赖程度.限于论文篇幅.本节所提到的所有Si mul i nk模块,我们有选择性地作一下较为的详细介绍。DC mach i ne模块组成结构为图23所示。Rf U图2-3 DC mach i ne模块的组成结构1其中名为“Me ch ani cs”的模块是一个子系统,是直流电动机的机械部分.内部结构为图2-4中国农业大学硕上学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真图24 DC mach i ne模块的组成结构2(机械部分)直流电动机的有关关系式如下。E=Ke3在此E是反电势,&是电势常数,而3是角速度。(2
25、-1)KE=Laf i f(2-2)此处Laf是励磁绕组和电枢绕组之间的互感,If是励磁电流。Te=KT【a(23)在此Te是电磁转矩,Kt是电磁转矩常数,l a是电枢电流。Kt=Ke(2-4)Te n*时,该模块工作在电动机模式;Te l YH时,该模块工作在发电机模式。在机械部分里,实现以下关系=Te-sg n(co)Tc-Bmw-Tf(25)di式中,J是直流电动机的转动惯量,兀是负载转矩,Bm是粘滞摩擦系数,R是静摩擦转矩。倒1通过以上剖析可以看到,DC mach i ne模块的模型比较全面地描述和反映了直流电动机的结构 以及电学和机械特性,因此可以很好地仿真一台真实的直流电动机。而本
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