基于MATLAB的调速控制系统仿真研究设计
毕业设计基于MATLABSIMULINK的交流电动机调速系统仿真
1 绪论1.1课题研究背景及目的研究背景直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能;在相当长时期内,高性能的调速系统几乎都是直流调速系统;尽管如此,直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向和在恶劣环境下的不适应问题,同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难,这就限制了直流拖动系统的进一步发展;交流电动机自1985年出现后,由于没有理想的调速方案,因而长期用于恒速拖动领域;20世纪70年代后,国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题,使得交流调速系统得到了迅速的发展,现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统;目前,交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性,其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美;与直流调速系统相比,交流调速系统具有以下特点：（1）容量大；（2）转速高且耐高压；（3）交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小,且结构简单、经济可靠、惯性小；（4）交流电动机环境使用性强,坚固耐用,可以在十分恶劣的环境下使用；（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；（6）交流调速系统能显著的节能；从各方面看,交流调速系统最终将取代直流调速系统;1.1.1研究目的本课题主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行仿真,由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性;本文重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究,认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响,认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境;在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度;电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响;因此,调速技术一直是研究的热点12;而交流调速系统凭着其绝对的优势,最终必将取代直流调速系统3;近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础;交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高4;目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,交流变频调速装置的生产大幅度上升;在日本,1975年在调速领域,直流占80%,交流占20%；1985年交流占80%,直流占20％5;到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机外,几乎所有的调速系统都采用变频装置67;计算机仿真技术在交流调速系统的应用,使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便;传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模,其直观性、灵活性差,编程量大,操作不便;随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现,实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现8;如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程;matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究,能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率;随着新型计算机仿真软件的出现,交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步910;交流调速技术发展到今天,相对而言已经比较成熟,在工业中得到了广泛的应用,但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现,工业应用对交流调速系统又提了新的要求,现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔;20世纪80年代中期研制开发出一种新型交流调速系统——开关磁阻电动机调速系统,它将新型的电机、现代电力电子技术与控制技术融为一体,形成一个典型的机电一体化的调速系统;由于它在效率、调速性能和成本方面都具有一定的优势,已成为当代电力拖动的一个热门课题,将会在调速领域占有一席之地;交流调速的控制策略近年来发展非常迅速,诸如转差矢量控制,自适应控制磁通自适应、断续电流自适应、参数自适应等模型参考自适应控制,状态观测器磁通观测器、力矩观测器等,为补偿速度降以提高精度的前馈控制,以节能、平稳、快速等为目标函数的优化控制,线性二次型积分控制,滑模变结构控制,直接转矩控制及模糊控制等已见诸国内外有关文献及杂志中论文主要工作1.分析各种调速系统在实际运用中的优缺点,分析各种调速方式适用的场合;2.重点分析掌握三相交流调压调速原理,机械特性等,然后对其进行MATLAB的仿真实现,通过修改系统各部分的参数,可以输出稳定的波形;根据示波器输出结果,对系统的性能进行分析;论文章节安排第一章绪论：主要介绍本课题的研究背景和研究内容,以及交流调速系统在国内外的发展和前景展望；介绍了文章的主要工作安排以及论文章节安排;第二章交流调速系统：比较交流调速系统的各种调速方案,重点分析了交流调压调速系统的原理及机械特性,及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系统进行了重点的研究分析;第三章交流调压调速系统的MATLAB仿真：运用MATLAB的SIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置,最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型,并对其进行了仿真分析和研究,给出仿真结果,通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模型的正确性;第四章结论：对全文进行总结,指明异步电动机调压调速系统的发展方向;2 交流调速系统原理与特性交流调速系统交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类;对交流异步电动机而言,其转速为：()min /)1(60r ps f n -= 2-1 从转速公式可知改变电动机的极对数p ,改变定子供电功率f 以及改变转率s 都可达到调速的目的;对同步电动机而言,同步电动机转速为：()min /601r pf n = 2-2 由于实际使用中同步电动机的极对数p 是固定的,因此只有采用变压变频VVVF 调速,即通常说的变频调速;运用到实际中的交流调速系统主要有：变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统1;1变极调速系统：调旋转磁场同步速度的最简单办法是变极调速;通过电动机绕组的改接使电机从一种极数变到另一种极数,从而实现异步电动机的有级调速;变极调速系统所需设备简单,价格低廉,工作也比较可靠,但它是有级调速,一般为两种速度,三速以上的变极电机绕组结构复杂,应用较少;变极调速电动机的关键在于绕组设计,以最少的线圈改接和引出头以达到最好的电机技术性能指标;2串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法;改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获得不同斜率的机械特性,从而实现速度的调节;这种方法简单方便,但调速是有级的,不平滑,并且转差功率消耗在电阻发热上,效率低;自大功率电力电子器件问世后,采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送转差功率的任务,这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统;转子回路中引入附加电势不但可以改变转子回路的有功功率——转差功率的大小,而且还可以调节转子电流的无功分量,即调节异步电动机的功率因数;3调压调速系统：异步电动机电机转矩与输入电压基波的平方成正比,所以改变电机端电压基波可以改变异步电动机的机械特性以及它和负载特性的交点,来实现调速;异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法;在20世纪50年代以前一般采用串饱和电抗器来进行调速;近年来随着电力电子技术的发展,多采用双向晶闸管来实现交流调压;用双向晶闸管调压的方法有两种：一是相控技术,二是斩波调压;采用斩波控制方法可能调速不够平滑,所以在异步电机的调压控制中多用相控技术;但是采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波,会引起附加损耗,产生转矩脉动15;4变频调速系统：在各种异步电机调速系统中,效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统;变压变频调速系统在调速时,须同时调节定子电源的电压和频率,在这种情况下,机械特性基本上平行移动,转差功率不变,它是当前交流调速的主要方向16;调压调速系统的优点是线路简单,价格便宜,使用维修方便,本文主要针对交流调压调速系统进行MATLAB仿真;下面对交流调压调速系统的原理及机械特性进行介绍;交流异步电动机调压调速系统三相交流调压电路交流调压调速需要三相交流调压电路,晶闸管三相交流调压电路的接线方式很多,工业上常用的是三相全波星形连接的调压电路;如图所示;这种电路的接法特点是负载输出谐波分量低,适用于低电压大电流的场合11;图三相全波星形连接的调压电路要使得该电路正常工作,必须满足下列条件：1在三相电路中至少有一相的正向晶闸管与另一相得反相晶闸管同时导通;2要求采用脉冲或者窄脉冲触发电路;3为了保证输出电压三相对称并且有一定的调节范围,要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外,各个触发信号之间还必须严格的保持一定的相位关系;即要求U、V、W三相电路中正向晶闸管即在交流电源为正半周时工作的晶闸管的触发信号相位互差120°,三相电路中的反向晶闸管的触发信号相位互差120°；在同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°;由上面结论,可得三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT 1、VT 2、VT 3、VT 4、VT 5、VT 6、VT 1以此类推;相邻两个晶闸管的触发信号相位差60°;在晶闸管交流调压中,晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断,不需要另加换流装置,故线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉,从而得到广泛的应用;调压调速原理根据异步电动机的机械特性方程式()()[]2'21212'211'221'22'211//33l l M L L s R R s R pU s R I P P T +++==Ω=ωωω 2-3其中 p ——电动机的极对数1U 、1ω——电动机定子相电压和供电角频率s ——转差率1R 、'2R ——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻11L 、'12L ——定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见,当转差率s 一定时,电磁转矩T 与定子电压1U 的平方成正比;改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性,如图所示;在带恒转矩负载L T 时,可以得到不同的稳定转速,如图中的A,B,C 点,其调速范围较小,而带风机泵类负载时,可得到较大的调速范围,如图中的D,E,F 点;S S L m图 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速,就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩T ,可得到较大的调速范围,从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的13;为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围,使电机在较低速下稳定运行又不致过热,可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性;在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性;图显示此类电动机的调速范围增大了,而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电;动机14图交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性闭环控制的调压调速系统系统的组成及其静特性异步电动机调压调速时,采用普通电机的调速范围很窄；并且在低速运行时候稳定性很差,在电网电压、负载有扰动时候会引起较大的转速变化;解决这些矛盾的根本方法是采用带转速负反馈的闭环控制,以达到自动调节转速的目的;在调速要求不高的情况下,也可采用定子电压负反馈闭环控制;图a是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图,图b是相应的调速系统静特性;如T在A点稳定运行,当负载增大导致转速下降时,通过转速反馈控制作用提果系统带负载L高定子电压,使得转速恢复,即在新的一条机械特性上找到了工作点A';同理,当负载减小使得转速升高时,也可以得到新的工作点A'';将工作点A''、A、A'连起来就是闭环系统的静特性1;M3a 原理图L e min 1Ub 静特性图 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统在额定电压N U 1下的机械特性和最小电压min 1U 下的机械特性是闭环系统静特性左右两边的极限,当负载变化达到两侧的极限时,闭环系统便失去控制能力,回到开环机械特性上工作14;对图a所示的系统,可画出系统静态结构图,见图所示：ASRL T -图 异步电动机调压调速系统的静态结构图图中：ctS U U K 1=----晶闸管交流调压器VVC 和触发装置GT 的放大系数； ct U ----触发装置的控制电压；n U n /=α----为转速反馈系数；n U ----测速发电机TG 输出的反馈电压;转速调节器ASR 采用PI 调节器；()T U f n ,1=是由式2-3描述的异步电动机械特性方程,它是一个非线性函数;近似的动态结构图异步电动机调压调速的近似动态结构图如下所示：U 图 异步电动机调压调速系统的近似动态结构图图中各环节的传递函数为:1 转速调节器ASR常用PI 调节器消除静差并改善动特性,其传递函数为：()ST S T K S W n n n ASR 1+= 2-4 2 晶闸管交流调压器和触发装置GT-V假定该环节输入输出关系是线性的,在动态中可近似为一阶惯性环节,其近似条件与晶闸管触发与整流装置一样;本环节传递函数可表示为:()1+=-TsS K S W S V GT 2-5 3 测速反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用, 传递函数为:()1+=S T S W on FBS α2-64 异步电动机MA由于描述异步电动机动态过程是一组非线性微分方程,只用一个传递函数来准确的表示异步电动机在整个调速范围内的输入输出关系式不可能的;只有做出一定的假设,并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数;3 交流调压调速系统的MATLAB仿真系统的建模和模型参数设置主电路的建模和参数设置主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电机信号分配器等部分组成;下面分别讨论三相交流电源、三相交流调压器、同步脉冲触发器、交流异步电动机、电机测试信号分配器的建模和参数设置问题16;三相交流电源的建模和参数设置首先从图中的电源模块组中选取一个交流电压源模块,再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块,并把模块名称分别修改成A相、B相、C相;然后从图中的链接器模块组中选取“ground”元件也复制成三份,按图所示连接即可图Simulink中的电源模块图Simulink中的连接模块图三相交流电源的模型为了得到三相对称交流电压源,对其参数设置：双击A相交流电压源图标打开参数设置对话框,A相得参数设置分别是：幅值peak amplitude取220V、初相位Phase设置成 0、频率Frequency设置为50HZ,其他为默认值;B、C的参数设置方法与A相相同,除了将初相位设置成互差120以外,其它参数都与A相相同;由此可得到三相对称交流电源4;3.1.1.2晶闸管三相交流调压器的建模与参数设置晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成,单个晶闸管元件采用“相位控制”方式,利用电网自然换流;图中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型;图晶闸管三相交流调压器仿真模型子系统触发脉冲的顺序为V1－V2－V3－V4－V5－V6,其中V1－V3－V5之间和V4－V6－V2之间互差120度,V1－V4之间、V3－V6之间、V5－V2之间互差180度;双击晶闸管对话框得到晶闸管参数设置图,根据图中要求及系统要求对其进行参数设置如下：电阻Resistance Ron：40 Ω；电感Inductance Lon：0H；正向电压Forward voltage Vf：;初始电流Initial current Ic：0A；缓冲器电阻Subber resistance Rs：1200Ω；μ;缓冲器电容Subber capacitance Cs：250 F上图是用单个晶闸管元件按三相交流调压器的接线要求搭建成仿真模型的,单个晶闸管的参数设置仍然遵循晶闸管整流桥的参数设置原则,具体如下：如果针对某个具体的变流装置进行参数设置,对话框中的参数应取默认值进行仿真,若仿真结果理想,就可认可这些设置的参数,若仿真结果不理想,则通过仿真实验,不断进行参数优化,最后确定其参数;这一参数设置原则对其它环节的参数设置也是适用的18;在使用Simulink进行系统仿真分析时,首先需要进行模块参数设置,因此需要对系统中所有模块进行正确的参数设置;如果逐一的对各个系统进行参数设置时很繁琐的,因为子系统一般均为具有一定功能的模块组的集合,在系统中相当于一个单独的模块,具有特定的输入和输出关系;对于已经设计好的子系统而言,能够像Simulink模块库中的模块一样进行参数设置,则会给用户带来很大的方便,这时用户只需要对子系统参数选项中的参数进行设置,无需关心子系统的内部模块的实现;具体封装步骤如下：选择需要封装的子系统Subsystem,然后单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择Mask Subsystem项,或者单击Edit-Mask Subsystem项19;这时将出现图中所示的封装编辑器;使用封装编辑器子系统中的图标、参数初始化设置对话框以及帮助文档,从而可使使用户设计出非常友好的模块界面,以充分发挥Simulink的强大功能;打开Mask editor:Subsystem对话框,如图所示;使用此编辑器可以对封装后的子系统进行各种编辑;在默认情况下,封装子系统不使用图标;但友好的子系统图标可使子系统的功能一目了然;为了增强封装子系统的界面友好性,用户可以自定义子系统模块的图标;只需在途中编辑对话框中的“图标和端口”选项卡中“绘制命令”栏中使用MATLAB 中相应便可以绘制模块图标,并可设置不同的参数控制图标界面的显示20;图 子系统封装编辑器下图为晶闸管三相交流调压器子系统封装图如下所示：aU bU cU a bcP图 三相交流调压器子系统封装图图中,Ua,Ub,Uc 分别连接三相交流电源的三相,P 连接从脉冲触发器出来的触发脉冲,输出a,b,c 分别连接交流电动机的A,B,C 输入4;同步脉冲触发器的建模和参数设置通常,工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究,所以,在此处讨论同步脉冲触发器;同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分;6脉冲触发器可以从图所示的附加模块Extras Control Blocks 子模块组获得;图附加模块Extras Control Blocks子模块6脉冲触发器需要三相线电压同步,所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压;同步电源与6脉冲触发器符号图如下所示4：图同步脉冲触发器子系统同步脉冲触发器封装后子系统符合如下：UaUbUcOutIn2Uct图同步脉冲触发器封装后子系统符号然后根据主电路的连接关系,建立起主电路的仿真模型;图中ln2为脉冲器开关信号,当脉冲器开关信号为“0”时,开放触发器；为“1”时,封锁触发器4;交流异步电动机的建模和参数设置在Power System 工具箱中有一个电机模块库,它包含了直流电机、异步电机、同步电机以及其他各种电机模块;其中,模块库中有两个异步电动机模型,一个是标幺值单位制PI unit 下的异步电动机模型,另一个是国际单位制SI unit 下的异步电动机模型,本设计中采用后者;国际单位制下的异步电动机模型符号如图所示2：图 异步电动机模块其电气连接和功能分别为：A,B,C ：交流电机的定子电压输入端子；m T ：电机负载输入端子,一般是加到电机轴上的机械负载；a,b,c:绕线式转子输出电压端子,一般短接,而在鼠笼式电机为此输出端子；m:电机信号输出端子,一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号,或引出反馈信号2;异步电动机模型参数设置如下;双击异步电动机的模型,即了得到参数设置对话框;分别对其进行参数设置如下所示6：1绕组类型Rotor type: 转子类型列表框,分别可以将电机设置为绕线式Wound 和鼠笼式Squirrel －cage 两种类型;在本文中用鼠笼式Squirrel －cage 异步电动机；2参考坐标系Reference Frame ：参考坐标列表框,可以选择转子坐标系Rotor 、静止坐标系Stationary 、同步旋转坐标系Synchronous;在本文中选择同步旋转坐标系Synchronous ； 3额定参数: 额定功率n P KW 取30KW,线电压n V V 为380V ,频率f 赫兹为50HZ ； 4定子电阻s R Statorohm 取Ω和漏感ls L H 取为；5转子电阻r R Rotorohm 为Ω和漏感lr L H 取为；其它设置为默认值电动机测试信号分配器的建模和参数设置电动机测试信号分配器模块的模型图如下所示：图Machines Measurement Demux电动机测试信号分配器模块双击电动机测试信号分配模块得图电机测试信号分配器参数设置图;图电动机测试信号分配器参数设置对话框及参数选择图中：ir_abc：转子电流ira,irb,irc；ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d；vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d；is_abc：定子电流isa,isb,isc；is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d；wm ：电机的转速wm ；Te ：电机的机械转矩Te ；Thetam ：电机转子角位移Thetam 1;控制电路的建模和参数设置交流调压系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器、限幅器、速度反馈环节等;控制电路的有关参数设置如下：速度反馈系数设为20；调节器的参数设置分别是：ASR ：30=pn K ；300=n τ；上下限幅为400-0；其它没做说明的为系统默认参数;给定环节的建模与参数设置在调压调速的仿真模型中有几个给定环节,它可以从图中的输入源模块组中选取“constant ”模块,模块路径为Simulink/Commonly Used Blocks 14;图 输入源模块组然后双击该模块的图标,打开参数设置对话框,在该系统中用到两个给定模块,分别将给定值Constent value 设置为-20以及0两个;其它设置为默认值;实际调速时,给定信号是在一定的范围内变化的,我们可以通过仿真实践,确定给定信号允许的变化范围4;速度调节器的建模和参数设置速度调节器通常采用PI 控制,比例和积分参数的设置要根据系统的仿真结果不断地变化改动,以得到最稳定的输出特性以及动态特性;限幅器、速度反馈环节也一样;具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小的值进行仿真,弄清它们对系统性能影响的趋。
基于Matlab的直流电机弱磁调速系统仿真
毕业设计 (论文)课题：基于Matlab的直流电机弱磁调速系统仿真学院：机械与电气工程学院学生姓名：XXXXXXXXX 学号：XXXXXXXXXXXX 专业班级：XXXXXXXXXXXXXXX 指导老师： XXXXXXXXX 完成时间：XXXXXXXXX摘要直流电动机的调速性能好，启动转矩大，特别是调速性能为交流电机所不及。
因此，在对电动机的调速性能和启动性能要求比较高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动。
而通过减小直流电动机励磁磁通的方法对直流电动机调速，不仅调速过程平滑，可控制性高，而且能量损耗小，成本低，被广泛应用于恒功率调速场合。
Matlab是一种科学计算软件，利用其Simulink仿真环境可以很方便的对各类系统进行仿真。
利用matlab进行电机仿真有很多优点。
第一、能够大大提高实验过程当中的安全性；第二、搭建仿真模型操作简单，修改各参数方便快捷，在今后电动机的改良及系统的设计中可以大大缩短设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案；第三、仿真结果通过Simulink模块当中示波器显示其曲线变化，这样可以更为直观的观察到各参数对电动机性能的影响，对电动机的研究带来了极大的方便。
本文使用Simulink仿真环境中的各类模块，组成直流电动机弱磁调速控制系统。
通过改变励磁磁通量，可以得到电机在不同条件下的运行参数。
经过对仿真结果进行分析，对弱磁调速特点进行了验证。
关键词：直流电机；弱磁调速；Matlab仿真；SimulinkAbstractDC motor‘s speed performance and starting torque is higher than AC motor。
Therefore DC motor has been widely applied in the in many demanding occasions.The design is electric machinery simulation experiment based on MATLAB. Firstly, we sh ould learn to study the internal structure and principle of operation of the electric machiner y. Secondly, it is the learning of the MATLAB software. To build up a simulation model we need to use the Simulink module to build up different type and capacity motors’ starting, s peed regulation and braking module by Simulink module, then simulate the curves of the p arameters.The simulation of the motor plays an important role in studying the electric machinery. By buildi ng up the models to simulate the variety of the motors’starting,speed regulation and braking curves. Firstly, we can greatly improve the safety during the process of the experiment. Secondly, it is easy to build up a simulation model and convenient to modify the parameters, so we can greatly shorten the design cycle in the future motor improvement and system design and it is propitious to select optimum parameters and design the most reasonable system scheme. Thirdly, the simulation results is used by oscilloscope in Simulink modules to display theirs’ curves variety, in this way we can intuitionisticly observe the effects of parameters on the performance of the motors, it brings great convenience in motor research.KeyWords：DC motor; Matlab; Speed regulation with Field weakening；Simulink目录摘要 (2)Abstract (3)1 绪论 (5)1.1课题研究的目的和意义 (5)1.2论文的主要研究内容 (5)2 直流电动机 (6)2.1 直流电动机的基本工作原理 (6)2.2直流电机的励磁方式 (7)2.3直流电动机相关公式 (8)3 弱磁调速系统 (9)3.1他励直流电动机的机械特性 (9)3.1.1他励直流电动机的机械特性 (9)3.1.2固有机械特性 (10)3.1.3人为机械特性 (10)3.2他励直流电动机的调速 (13)3.2.1调速指标 (13)3.2.2 调速方法 (14)3.3 他励直流电动机弱磁调速系统概述 (16)4 Matlab概述 (17)4.1 Matlab简介 (17)4.2 Simulink的应用 (18)4.2.1 简介 (18)4.2.2 功能 (18)4.2.3 启动方法 (19)5 直流电机弱磁调速仿真 (19)5.1 设计思路及模块介绍 (19)5.1.1设计思路 (19)5.1.2模块介绍 (19)5.2 在simulink上建立仿真模型 (21)5.3仿真结果及分析 (25)5.3.1 仿真结果 (25)5.3.2 结果分析 (27)5.4 弱磁控制的直流调速系统 (27)6 总结 (29)致谢 (30)参考文献 (30)附录（中英文翻译） (31)外文资料 (31)中文翻译 (36)1 绪论1.1课题研究的目的和意义在国民经济生产中，电机工业是机械工业的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的重要基础，电机可称为电气化的心脏。
基于MATLAB的直流调速控制系统设计研究
毕业设计
毕业设计任务书
设计题目：基于 MATLAB 的直流调速控制系统设计研究 系部： 学生： 机械工程系 专业： 机械电子工程 专业负责人： 学号：
指导教师：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1．设计的主要任务及目标 本设计要求设计者能设计出一个较好的双闭环直流调速系统。 了解直 流 调 速 的 原 理 和 方 法 ，比 较 各 种 调 速 方 法 的 特 点 与 不 足 。本 课 题 还 要 求 研 究 MATLAB 与 Simulink 在 控 制 方 面 的 应 用 ， 掌 握 仿 真 程 序 的 编 写 与 Simulink 模 块 参 数 的 设 置 。 2．设计的基本要求和内容 1. 主要调速方法选择，电路选择，调节器调节方式选择 2. 建立系统的数学模型和仿真模型 3. 系统参数的设定与校正 4. 编写仿真程序并进行仿真实验和分析实验结果 3．主要参考文献 [1] 陈伯时 自动控制系统 机械工业出版社 1981.7 [2] 李先允 自动控制系统 高等教育出版社 2003.2 [3］刘坤.MATLAB 自控原理习题精解[M].北京：国防工业出版社，2004 [4] 张葛祥，李娜.MATLAB 仿真技术与应用.清华大学出版社.2003. 4．进度安排 设计各阶段名称 1 2 3 4 5 查阅相关文献资料，并撰写开题报告 分析并确定系统的设计方案 系统各部分的设计和实验 对仿真结果进行研究和分析 整理毕业设计相关资料，准备答辩 起 止 日 期
单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真
1.1 直流调速系统概述
从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服 系统、力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速 系统是最基本的驱动控制系统。调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流 调速系统的调速围广，静差率小、稳定性好并且具有良好的动态性能。因此在相当长的 时期，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。相比于交流调速系统，直流调速 系统在理论上和实践上更加成熟。
中的 SimuLink 实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速 观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必 对实物模型进行反复拆装调试。本文运用 MATLAB 中的 SimuLink 实用工具对设计电路进 行了仿真。
1.3 国外现状
从 1971 年开始到目前的这个阶段，直线电机进入了独立的应用时代，在这个时代， 各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如 直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、 电动窗、电动纺织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超 500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。
基于matlab的永磁同步电机调速系统的仿真
摘要本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB 进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。
永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。
以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。
目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。
在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。
关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。
ABSTRACTIn the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM), gives a explanation about its basictheory, structure. Then it builds a mathematical model, and uses MATLAB to simulate that model.The PMSM is a nonlinear, strong-coupling and time-varying system, so in the operation process, it will be influenced by many factors such asload disturbance. Therere, it is necessary to take action when researching the control method of PMSM. The former research method is setting up a platform on hardware to perform experimensbut it is undesirable, because it often cause some loss, and the feedback cycle is longer than research cycle. As fordomestic and international current situation on the research of PMSM, it is obvious that researching under the simulation model created by MATLAB could greatly reduce the cost and cycle of researchment. When using MATLAB to build simulation model on the research of PMSM, we can transform these disturbance factors into analog signal, making a qualitative analysis to draw conclusions from them.Keywords：PMSM, SVPWM, MATLAB simulation, mathmatical model目录摘要 (I)ABSTRACT .............................................. I I 目录............................................... I II 第一章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究的目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 国内研究历史及现状 (2)1.2.2 国外研究现状及趋势 (2)1.3 本文的主要内容 (3)第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型 (5)2.1 引言 (5)2.2 永磁同步电机调速系统的结构 (5)2.3 永磁同步电机调速系统的数学模型 (6)2.3.1 PMSM在ABC坐标系下的磁链和电压方程 (6)坐标系下的磁链和电压方程 (8)2.3.2 PMSM在02.3.3 PMSM在dq0坐标系下的磁链和电压方程 (9)2.4 永磁同步电机的控制策略 (11)2.5 本章小节 (12)第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 (14)3.1 引言 (14)3.2 永磁同步电动机的矢量控制 (14)3.3 空间矢量脉宽调制概念 (15)3.4 SVPWM模块的建立 (17)3.5 本章小结 (23)第四章基于Matlab的永磁同步调速系统仿真模型的建立 (24)4.1 引言 (24)4.2 MATLAB软件的介绍 (24)4.3永磁同步电机调速系统整体模型的建立 (25)4.4仿真参数调试及结果分析 (28)4.5本章小结 (29)第五章总结与展望 (30)5.1全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (33)第一章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流调速系统应用越来越广泛。
基于Matlab无刷直流电机双闭环调速系统仿真研究_张克涵
绕组的相电流幅值。 BLDCM 的运动方程可表示为 J· dω = Te － Tl － kb ω dt （ 3）
式中，J 为电机转子的转动惯量，ω 为电机转子的机 械角速度，T e 为电机电磁转矩， T l 为电机转子负载 转矩，k b 为转子对轴承的阻尼系数。
2
基于 Matlab / Simulink 的 BLDCM 调 速系统模型的建立
［23 ］
0
引
言
永磁无 刷 直 流 电 机 （ Brushless DC Motor， BLDCM） 以其体积小、 效率高、 转动惯量小、 控制方法 相对简单、控制效果较好等优点， 同时还保留了普 通直流电动机优良的机械特性， 广泛应用于伺服控 制、航空航天、 机器人等领域
［1 ］
，
也为实际电机调速系统的设计提供了新的思路 。
真模型的新方法。在 Matlab / Simulink 环境下，把功能模块和 S 函数相结合， 实现了 BLDCM 本体模块、 速度控制模 块、电流滞环控制模块等 ，再进行功能模块的有机整合 ， 搭建了 BLDCM 调速系统的仿真模型。 仿真和试验结果证 明了该方法的有效性 ，同时也适用于验证其他控制算法的合理性 ，为实际电机调速系统设计提供了新的思路 。 关键词： 无刷直流电机； 电流滞环； 双闭环 中图分类号： TM36 + 1 文献标志码： A 文章编号： 1001-6848 （ 2015 ） 02-0044-05
2期
张克涵等： 基于 Matlab 无刷直流电机双闭环调速系统仿真研究
· 45 ·
（ 4 ） 不 考 虑 电 枢 反 应， 气 隙 磁 场 分 布 近 似 为 120° 平顶矩形波，三相绕组完全对称。 则根据 BLDCM 特性，可建立其电压、转矩与运 动方程： 1. 1 BLDCM 的电压方程 假设 电 机 各 相 绕 组 及 空 间 结 构 完 全 对 称， 则 BLDCM 的定子三相绕组的电压平衡方程为 ： U an Ｒ U = 0 bn U cn 0 0 Ｒ 0 0 ia L － M 0 ib + 0 Ｒ ic 0 0 L －M 0 0 · L － M （ 1） 0
基于MATLAB模拟调制系统的仿真设计
基于MATLAB模拟调制系统的仿真设计摘要：本文基于MATLAB平台，通过建立调制系统的仿真模型，实现了对调制系统的仿真设计。
首先对调制系统的基本原理进行了介绍，然后建立了调制系统的数学模型。
接着使用MATLAB对模型进行了仿真分析，包括调制信号的产生、载波信号的产生、调制信号与载波信号的混合调制、调制后的信号的传输等过程。
最后，通过仿真结果的分析，对调制系统的性能进行了评估，并提出了优化方案。
本文的研究对于调制系统的设计和优化具有一定的参考意义。
关键词：调制系统；MATLAB仿真；混合调制；性能评估；优化方案一、引言调制是无线通信中的一项基本技术，通过将信息信号与载波信号进行合成，使信息信号能够被传输到远距离的通信接收端。
调制系统是实现调制技术的关键，其性能直接影响到通信系统的可靠性和传输质量。
因此，对调制系统的研究和优化具有重要的意义。
二、调制系统的基本原理调制系统的基本原理是将信息信号经过调制器与载波信号进行混合调制，形成调制后的信号。
调制过程中，需要考虑到载波频率、调制信号幅度、调制信号频率等参数的选择。
常见的调制方式有幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）等。
三、调制系统的数学模型调制系统的数学模型是根据调制原理建立的，一般可表示为：$s(t) = A_c \cdot (1 + m \cdot \cos(f_m \cdot t)) \cdot\cos(f_c \cdot t)$其中，$s(t)$表示调制后的信号，$A_c$为载波幅度，$m$为调制系数，$f_m$为调制信号频率，$f_c$为载波频率。
四、MATLAB仿真设计4.1调制信号的产生通过MATLAB生成调制信号，并将其绘制出来，以便后续的仿真分析。
4.2载波信号的产生通过MATLAB生成载波信号，并将其绘制出来，以便后续的仿真分析。
4.3调制信号与载波信号的混合调制将调制信号与载波信号进行混合调制，并将调制后的信号绘制出来，以便后续的仿真分析。
基于MATLAB控制系统仿真实验报告
tf 4
y0
0 1
6、求出 G1(s)
2 (s2 2s 1) 与 G2 (s)
1 (2s3
3s2
1)
的单位阶跃响应，并分别
求出状态空间模型。
解：（1） G1(s) 2 (s2 2s 1) 的状态空间模型求解如下：
function shiyan2 b1=[2];
D(z)
0.62(1 0.136z 1)(1 0.183z (1 0.045z 1)(1 0.53z 1)
1 )
分别用仿真算法得到系统在单位阶跃输入作用下的响应，系统在单位速度输
入是的输出响应。
解：（1）首先将 W1(s)转换为 W1(z)，采样周期 T=0.2s，程序清单如下： function shiyan42 num=[10];den=[0.005 0.15 1 0]; ts=0.2;[nc,dc]=c2dm(num,den,ts)
INTRO（注意：intro 为一个用 MATLAB 语言编写的幻灯片程序，主要演示
常用的 MATLAB 语句运行结果。）
然后，根据现实出来的幻灯片右面按钮进行操作，可按 START——NEXT—
—NEXT 按钮一步步运行，观察。
3、自编程序并完成上机编辑，调试，运行，存盘：
（1）用 MATLAB 命令完成矩阵的各种运算，例如：
5、利用 ode23 或 ode45 求解线性时不变系统微分方程 y(t) Ay(t) ，并绘制出 y(t)
曲线，式中
A
0.5
1
1 0.5
t t0 t 如下： function xdot=fun21(t,x) A=[-0.5 1;-1 -0.5]; xdot=A*x; function fzsy22 t0=0;tf=4;tol=1e-6; x0=[0;1];trace=1; [t,x]=ode23('fun21',t0,tf,x0,tol,trace); plot(t,x) 得到的实验结果如下图所示：
基于MATLAB控制系统的仿真与应用毕业设计论文
基于MATLAB控制系统的仿真与应用毕业设计论文目录一、内容概括 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 研究目的和内容 (5)二、MATLAB控制系统仿真基础 (7)三、控制系统建模 (8)1. 控制系统模型概述 (10)2. MATLAB建模方法 (11)3. 系统模型的验证与校正 (12)四、控制系统性能分析 (14)1. 稳定性分析 (14)2. 响应性能分析 (16)3. 误差性能分析 (17)五、基于MATLAB控制系统的设计与应用实例分析 (19)1. 控制系统设计要求与方案选择 (20)2. 基于MATLAB的控制系统设计流程 (22)3. 实例一 (23)4. 实例二 (25)六、优化算法在控制系统中的应用及MATLAB实现 (26)1. 优化算法概述及其在控制系统中的应用价值 (28)2. 优化算法介绍及MATLAB实现方法 (29)3. 基于MATLAB的优化算法在控制系统中的实践应用案例及分析对比研究31一、内容概括本论文旨在探讨基于MATLAB控制系统的仿真与应用，通过对控制系统进行深入的理论分析和实际应用研究，提出一种有效的控制系统设计方案，并通过实验验证其正确性和有效性。
本文对控制系统的基本理论进行了详细的阐述，包括控制系统的定义、分类、性能指标以及设计方法。
我们以一个具体的控制系统为例，对其进行分析和设计。
在这个过程中，我们运用MATLAB软件作为主要的仿真工具，对控制系统的稳定性、动态响应、鲁棒性等方面进行了全面的仿真分析。
在完成理论分析和实际设计之后，我们进一步研究了基于MATLAB 的控制系统仿真方法。
通过对仿真模型的建立、仿真参数的选择以及仿真结果的分析，我们提出了一种高效的仿真策略。
我们将所设计的控制系统应用于实际场景中，通过实验数据验证了所提出方案的有效性和可行性。
本论文通过理论与实践相结合的方法，深入探讨了基于MATLAB 控制系统的仿真与应用。
基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统
基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统本文主要研究基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统。
直流电机是工业生产中常用的电机，其调速系统对于保证生产效率和质量至关重要。
因此，研究直流电机调速系统的控制方法和参数设计具有重要意义。
本文将首先介绍直流电机的数学模型和调速系统的工作原理，然后探讨常规PID控制器的设计方法和参数控制原理，最后通过MATLAB仿真实验来研究数字PID控制器的设计和应用。
2 直流电机调速系统的数学模型直流电机是一种常见的电动机，其数学模型可以用电路方程和动力学方程来描述。
电路方程描述了电机的电气特性，动力学方程描述了电机的机械特性。
通过这两个方程可以得到直流电机的数学模型，为后续的控制器设计提供基础。
3 直流电机调速系统的工作原理直流电机调速系统是通过控制电机的电压和电流来改变电机的转速。
其中，电压和电流的控制可以通过PWM技术实现。
此外，还可以通过变换电机的电极连接方式来改变电机的转速。
直流电机调速系统的工作原理是控制电机的电压和电流，从而控制电机的转速。
4 常规PID控制器的设计方法和参数控制原理常规PID控制器是一种常见的控制器，其控制原理是通过比较实际输出值和期望输出值来调整控制器的参数，从而实现控制目标。
常规PID控制器的参数包括比例系数、积分系数和微分系数，这些参数的选取对于控制器的性能有重要影响。
常规PID控制器的设计方法是通过试错法和经验公式来确定参数值。
5 数字PID控制器的设计和应用数字PID控制器是一种数字化的PID控制器，其优点是精度高、可靠性强、适应性好。
数字PID控制器的设计方法是通过MATLAB仿真实验来确定控制器的参数值。
数字PID控制器在直流电机调速系统中的应用可以提高系统的控制精度和稳定性。
6 结论本文主要研究了基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统，介绍了直流电机的数学模型和调速系统的工作原理，探讨了常规PID控制器的设计方法和参数控制原理，最后研究了数字PID控制器的设计和应用。
现代控制系统分析与设计——基于matlab的仿真与实现
现代控制系统分析与设计——基于matlab的仿真与实现近年来，随着工业技术的飞速发展，控制系统逐渐成为工业自动化过程中不可缺少的重要组成部分，因此其分析与设计也会受到人们越来越多的关注。
本文从控制系统的分类出发，介绍了基于Matlab 的分析与仿真方法，并结合详细的实例，展示了最新的Matlab软件如何用来设计现代控制系统，及如何实现仿真结果。
一、控制系统分类控制系统是将完整的物理系统划分为几个部分，通过规定条件把这些部分组合起来，共同完成某一特定任务的一种技术。
控制系统可分为离散控制系统和连续控制系统，离散控制系统的尺度以脉冲的形式表现，而连续控制系统的尺度以连续变量的形式表现，常见的连续控制系统有PID、环路反馈控制等。
二、基于Matlab的分析与仿真Matlab是一款实用的高级计算和数学工具，具有智能语言功能和图形用户界面，可以进行复杂数据分析和可视化。
Matlab可以用来开发控制系统分析与仿真，包括：数学建模，系统建模，状态估计与观测，数据处理，控制算法研究，仿真实验及系统原型开发等。
此外，Matlab还可以利用其它技术，比如LabVIEW或者C程序，将仿真结果实现在实物系统上。
三、实现现代控制系统分析与设计基于Matlab的现代控制系统分析与设计，需要从以下几个方面进行考虑。
1.数学建模：Matlab支持多种数学计算，比如代数运算、矩阵运算、曲线拟合等，可以用来建立控制系统的数学模型。
2.系统建模：Matlab可以用于控制系统的建模和仿真，包括并行系统建模、混沌建模、非线性系统建模、时滞建模、系统设计建模等。
3.状态估计与观测：Matlab可以用来计算系统状态变量，并且可以根据测量信号估计系统状态，用于系统诊断和控制。
4.数据处理：Matlab可以用来处理控制系统中的大量数据，可以更好地研究控制系统的特性，以便进行更好的设计和控制。
5.算法研究：Matlab可以用来研究新的控制算法，以改进控制系统的性能。
控制系统建模与仿真基于MATLABSimulink的分析与实现
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
实现
通过
仿真
技术
进行
分析
方法
分析
matlabsi mulink
仿真
系统
simulink
实现
介绍
工程
精彩摘录
精彩摘录
《控制系统建模与仿真基于MATLABSimulink的分析与实现》精彩摘录 随着科技的发展和社会的进步，控制系统在各个领域中的应用越来越广泛， 掌握控制系统的建模与仿真技术对于科学研究、工程实践等方面都具有重要意义。 而《控制系统建模与仿真基于MATLABSimulink的分析与实现》这本书，正是为满 足这一需求而编写的。
阅读感受
而真正让我感到震撼的是第4章到第8章的内容。作者利用MATLAB强大数据处 理、绘图函数和Simulink仿真工具，对被控对象模型进行了系统建模、分析、计 算、性能指标的优化及控制器设计。从时域、频域、根轨迹、非线性及状态空间 几个方面，完成了对系统性能指标的验证及控制系统设计。这其中的细节和深度， 都足以显示作者对这一领域的深入理解和实践经验。
目录分析
在“仿真技术”部分，目录涵盖了控制系统仿真的基本原理、仿真模型的建 立、参数设置以及仿真结果的分析等内容。还介绍了如何利用MATLABSimulink进 行仿真，使得读者能够快速上手这一强大的仿真工具。
目录分析
“应用实例”部分通过多个具体的案例，展示了如何将建模与仿真技术应用 于实际控制系统。这些案例既有简单的单输入单输出系统，也有复杂的非线性多 输入多输出系统，具有很高的实用价值。
基于MATLAB／SIMULINK直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真
式 中 ：Ｔ ＝Ｌ／ 为 电 枢 回 路 电 磁 时 问 ； Ｒ
Ｅ＝Ｃｎ为额 定励 磁下 电 动机 的反电动 势 ； ， 在零 初 始条件 下对 （ ）式进 行拉 氏变换 得 １
ＧＤ。 ２ ４ ＝２ ． ５；ＣⅣ一 ３ ／ ｏ ＰＩ＊ｅ
固定转 矩 为 ６ 。 ７ ３ １ 电机 模 型 的 实现 ．
（ ） 电机 数 学模 型 １ 额 定励直 流 电机 电枢 回路 电压 平衡 方程式 为 ：
Ｕ ｄ 。一 Ｅ — ＲＩ ｄ十 Ｉ ，
围 ３ 直流电机仿真模型
标 器 在 模 型 窗 口上 “ ”出所 需 的控 画
直 流 电机模 糊控制 系统结 构 图如图 １所示 。
图 １ 模 糊 控 制 直 流 电 机 系 统框 图
由 图 １可 见 ， 机 直 流 调 速 系 统 的 过 程 为 ： 测 速 电 由
发 电机输 出 电压 中取 出转速负 反馈 电压 ，与给定 电压 进 行 比较 得 到 的偏 差和 偏 差变 化率 送 给模 糊 控 制 器。 由模 糊控 能 器计算 出 电机控 制量 ，送给 电机 ，实 现 电
２ ＳＭＵ Ｉ Ｋ 下直流 调速 系统仿真 模型 的实现 Ｉ ＬＮ
计算 机仿 真技 术是 应用 电子 计算机 对研究 对象 的 数 学模 型进 行计 算 和分析 的方 法 。对 于从 事控 制系统 研究 与设 计 的技术 人员 而 言 ，ＭＡＴＩ Ｂ是 目前 控制 Ａ 系统 计算 机辅 助设计 实用 且有 救 的工具 。这不 仅是 因 为 它能解 决控 制论 中大量 存在 的矩 阵运算 问题 ，更 因 为它提供 了强 有力 的工 具箱 支持 。与控 制 系统直接 相 关 的工 具箱 有控制 系统 、系统 辨 识、信 息处 理、优化 等 还有 一些 先进 和流行 的控 制 策略工 具箱 ，如鲁棒 控 制 、ｕ 一分 析与 综台 、神经 网络 、模糊 预 测控 制 、非 线性 控 制设计 、模糊 逻辑 等 。 可以说 目前理论 界 和工 业 界 广 泛 应 用 和 研 究 的控 制 算 法 ，几 乎 都 可 以 在 ＭＡＴＩ ＡＢ中找到相 应的 工 具箱 。 同时 ，ＭＡＴ Ｉ ＡＢ软件 中还提供 了新 的控制 系统模 型输人与仿真工具 Ｓ ＭＵＩ ＮＫ，它具有构 造模型简单 、 Ｉ Ｉ 动态修改参数实现系统控制容易 、 界面友好 、 功能强大等 优点 ，成为动态建模与仿 真方面应用 最广泛的软件包之一。它可以利用 鼠
基于MATLABSimulink的控制系统建模与仿真实践
基于MATLABSimulink的控制系统建模与仿真实践控制系统是现代工程领域中一个至关重要的研究方向，它涉及到对系统的建模、分析和设计，以实现对系统行为的控制和调节。
MATLAB Simulink作为一款强大的工程仿真软件，在控制系统领域有着广泛的应用。
本文将介绍基于MATLAB Simulink的控制系统建模与仿真实践，包括建立系统模型、进行仿真分析以及设计控制算法等内容。
1. 控制系统建模在进行控制系统设计之前，首先需要建立系统的数学模型。
MATLAB Simulink提供了丰富的建模工具，可以方便快捷地搭建系统模型。
在建模过程中，可以利用各种传感器、执行器、控制器等组件来描述系统的结构和功能。
通过连接这些组件，并设置其参数和初始条件，可以构建出一个完整的系统模型。
2. 系统仿真分析建立好系统模型后，接下来就是进行仿真分析。
MATLABSimulink提供了强大的仿真功能，可以对系统进行各种不同条件下的仿真实验。
通过改变输入信号、调节参数值等操作，可以观察系统在不同工况下的响应情况，从而深入理解系统的动态特性和性能指标。
3. 控制算法设计在对系统进行仿真分析的基础上，可以针对系统的性能要求设计相应的控制算法。
MATLAB Simulink支持各种常见的控制算法设计方法，如PID控制、状态空间法、频域设计等。
通过在Simulink中搭建控制算法，并与系统模型进行联合仿真，可以验证算法的有效性和稳定性。
4. 系统优化与调试除了基本的控制算法设计外，MATLAB Simulink还提供了优化工具和调试功能，帮助工程师进一步改进系统性能。
通过优化算法对系统参数进行调整，可以使系统响应更加迅速、稳定；而通过调试功能可以检测和排除系统中可能存在的问题，确保系统正常运行。
5. 实例演示为了更好地说明基于MATLAB Simulink的控制系统建模与仿真实践，接下来将通过一个简单的倒立摆控制系统实例进行演示。
基于MATLAB的异步电动机调速系统设计与仿真 (修改稿)
电能是人们日常生产生活不或缺的能源，并且在生活被浪费最多的能源也是电能，因此，充分有效利用电能并节省电力尤为重要，隐藏着非常巨大的技术发展空间。立足于节省控制能量这一方面，节省电动机控制能量扮演了一个非常重要的角色。各种类型的电动机是电能主要的使用者和生产者，我国电动机的年耗电量占了工业用电总量的80％以上。在电动机的运行维护过程中，功率电动机控制的效率很低，并且在其使用的过程中严重地浪费了大量的功率。近年来，我国在电机节能控制方面的投资增加，就是因为有巨大的潜力存在于电机调速的市场。
关于评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是：(1)工作效率不能低；(2)调速平滑即无级调速；(3)调速范围要大；(4)调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；(5)成本不能太高。[10]
在对交流旋转速度的调整控制系统中，变频系统的调速技术是最佳且最稳定的交流旋转速度调整控制系统性能。对变频系统调速控制技术的开发与研究应用是目前在电机控制领域最有发展希望且实用的技术研究工作。用于控制交流频率的转换器完全可以是一整个的变频控制系统，频率变换行业的整个市场的发展潜力非常大。这里所说的"频率变换行业"不仅局限于交流频率变换器本身，还广泛地涵盖了与交流频率变换器系统控制技术密切相关的所有领域和行业。如交流速度的调整控制系统及系统控制、电力电子重要部件的控制系统驱动与安全保护、相关集成电路的批量生产与工业技术应用等。
基于MATLAB直流双闭环调速系统仿真研究
图２ 电流环节
一
般， Ｔ ｓ 和Ｔ ｃ ｉ 都比
满 足 条 件 为 １ ／ 表， 这 时 才 可 忽 略 反 电 势 的 影 响 。
Ｔ １ 小得多， 所 以可 以看成一个惯性环节， 令Ｔ ； ＝ Ｔ ｓ ＋ Ｔ ｃ ｉ 则 电流环 节被 控对象为：
Ｇ ：
图１ 直流双 闭环调速系统的静态特性
２ ． ２ 系统的静态特性
在稳态工作点上， 转 速ｎ 是 由给定电压ｕ ｎ 和反馈 系数 ａ 决
定 的， 转 速调 节器 Ａ ｓ Ｒ的输 出量Ｕ 是 电流调 节器 的参 考输 入， 其大小有Ｂ 和负载系数Ｊ 决定。由于转速调节器处于不饱和
统校 正为典型Ｉ Ｉ 型 系统。 在 通常情况下， 其中有 两个惯性环节 时间常数 ， 当Ｔ １ ／ Ｔ ≤ｉ ０ 的时候 ， 典型系统 的恢 复时间是可 以 接受的。 在 题中， Ｔ Ｉ ＝ Ｏ ． ０ １ ２ ８ ， Ｔ ： ＝ Ｔ ｓ ＋ Ｔ ｃ ｉ ＝ Ｏ ． ０ ０ １ ６ ７ ＋ ０ ． ０ ０ ２ ＝ ０ ． ０ ０ ３ ６
（ ＋ １ ） （ ＋１ ） 其中， 被控 对象有两个惯 性环 节， 为了把 系统校正为典型Ｉ
型系统， 显然调节器选用Ｐ Ｉ 调节器， 其传递 函数为：
（ ） ：
三
ｆ－
等效 时间常数 Ｔ ＝ Ｏ ． ０ ０ ３ ６ ７ ， 采用 零极 点对 消的原理 ， 取
Ｔ ｉ ＿ Ｔ １ ＝ ０ ． ０ １ ２ ８ ：
， 因此， Ｔ １ ／ Ｔ １ Ｏ ， 系统选 用典型Ｉ 型系统。 状态 ； 当转速调节器Ａ Ｓ Ｒ 饱和时， ｕ ｎ ’ ＝ ｕ ’ ， 转速 的变化不再对系 ７ 在按动态性 能设计电流环 时， 可暂时不考虑反电势 的动态 统产 生影响， 相当于转速 反馈 环开环， 双闭环系统变成 为一个 影响， 即△Ｅ 一０ ， 这是电流环如图２ 所示： 电流无静 差的电流单 闭环调速系统 。 这 时稳态时， Ｉ ＝ Ｉ 因此 双 闭环调速 系统在负载 电流Ｉ ＜ Ｉ 时表现为转速 无静差 ， 这 时 反馈起主要作用。 但 负载 电流Ｉ ＝ Ｉ 时， 对应于转速调节环的最 大输 出Ｕ 这时转速 的变化不再影响转速 调节器 的输 出， 电流 换起 主要调节， 系统表 现为电流无静差。 如 图１ 所示 ：
基于MATLAB的交流调速控制系统设计研究
毕业设计
目 录
1 绪论 .................................................................. 1 1.1 现代交流调速系统的发展 ............................................. 1 1.2 矢量控制 ........................................................... 3 1.3 设计研究的目的及意义 ............................................... 4 2 异步电动机的多变量数学模型 ............................................ 5 2.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质 ............................ 5 2.1.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型 ................................ 5 2.1.2 异步电动机在三相坐标系上数学模型的性质 ........................... 11 2.2 坐标变换 ........................................................... 12 2.2.1 三相静止/两相静止坐标变换（3S/2S） ............................... 12 2.2.2 两相静止/两相同步旋转的坐标变换（2S/2R） ......................... 15 2.2.3 直角坐标—极坐标变换(K/P) ........................................ 16 2.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 ................................. 17 2.3.1 两相任意旋转坐标系上的数学模型 ................................... 17 2.3.2 两相静止坐标系上的数学模型 ....................................... 21 2.3.3 两相同步旋转坐标系上的数学模型 ................................... 22 2.3.4 按转子磁场（磁通）定向的数学模型 ................................. 22 3 异步电动机的矢量控制策略 ............................................. 25 3.1 矢量控制的基本思想 ................................................. 25 3.1.1 矢量控制方法的提出 ............................................... 25 3.1.2 矢量控制变换的思路 ............................................... 25 3.2 按转子磁场定向的矢量控制的实现 ..................................... 26 3.3 正弦波脉宽调制技术 ................................................. 28 3.3.1 正弦波脉宽调制的原理 ............................................. 28 3.3.2 SPWM 控制方法 ................................................... 29
基于matlab的异步电机变频调速系统的设计
本科毕业设计说明书基于MATLAB的异步电动机变频调速仿真实现SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLAB学院（部）：电气与信息工程学院专业班级：电气09-3班学生姓名：刘安康指导教师：唐超礼副教授2013年 5 月30 日基于MATLAB的异步电动机变频调速仿真实现摘要本文主要对交流异步电动机SPWM变频调速矢量控制系统进行建模与仿真。
变频调速系统在异步电动机的各种调速方式中效率最高、性能最好，因此有着极其重要的地位。
电气传动控制系统计算机仿真是应用现代软件工具对其工作特性进行研究的一种十分重要的方法。
通过仿真试验，可以比较各种策略与方案，优化并确定相关参数。
因此进行系统仿真是不可或缺的，为科学决策提供了可靠的依据。
本文介绍了交流调速系统概况、矢量控制的基本概念以及异步电动机变频调速系统在MATLAB/Simulink仿真工具中模型建立以及特性研究。
一方面，本文通过对交流异步电动机矢量控制调速系统各部分仿真，得出该系统各部分的运行特性；另一方面，通过对转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统和转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的仿真，熟悉了矢量控制系统的参数设置和工作特性。
本文通过仿真实验不仅了解和掌握了异步电动机运行特性，更重要的是得出的仿真数据，为新的实验设备的引进和进一步开发打下了坚实的基础。
关键词：矢量控制，仿真，数学模型ISIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OFASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLABABSTRACTThis paper mainly studies the modeling and the simulation about vector control system of the SPWM variable frequency control. Variable-frequency speed regulation is an efficient way of speed regulation. The computer simulation of the electric drive system is one of the most significant means in the science research. It works by establishing the simulation models and simulation experiments on computer repeatedly. By simulation, you can compare a variety of strategies and determine the relevant parameters. It is essential for system simulation, so as to provide a reliable scientific basis for decision-making.This paper mainly introduces the development of AC regulating speed system, the main idea of Vector control, and how to establish simulation for frequency control system of AC motor based on MATLAB. On the one hand, this paper established models for AC motor and obtained some features of the system. On the other hand, by the simulation for vector control system of AC motor with speed and flux loop on torque loop and slip frequency control to understand the vector control system parameter settings and operating characteristics.By simulation, for one thing, we understand and grasp the asynchronous motor operating characteristics. W hat’s more, simulation data has laid a solid foundation for the introduction of new experimental equipment and further development.KEYWORDS：vector control, simulation,mathematical modelsII目录摘要 (I)目录 (i)1 绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2交流变频调速技术的现状 (1)1.3 仿真工具MATLAB/Simulink简介 (2)1.4 毕业设计的研究内容及章节安排 (3)2 基于动态模型的异步电动机调速系统工作原理 (4)2.1 异步电动机的数学模型 (4)2.2 坐标变换 (7)2.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 (11)3 交流异步电动机性能的仿真研究 (13)3.1在交流情况下异步电动机工作仿真 (13)3.2 PWM变频器-电动机系统仿真 (15)PWM (16)4 交流异步电动机矢量控制调速系统仿真 (18)4.1 转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真及分析 (18)4.2 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真 (24)4.3 两种矢量控制系统的特点与存在的问题 (27)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (34)i1 绪论1.1 概述电动机作为在工农业生产过程中主要的动力来源，发挥着日益重要的作用。
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基于MATLAB的调速控制系统仿真研究
专业：通信工程
摘要直流电动机具有非常多的优越性，如调速性能好、转矩大、能在大范围内稳定调速。
在中、小功率的应用中，永磁直流电动机占据第一的地位，但在要求高性能如调速性能或需求大转矩的应用中，直流电动机有极其重要的地位。
双闭环（电流环、转速环）直流调速系统是直流调速系统中的典型系统。
目前，国际许多公司都已经研究出全数字直流调速装置，有商用标准化、系列化、模板化产品。
在国内，各大研究机构和院校也在努力开发全数字直流调速装置。
控制系统的设计、分析和仿真验证过程中，MATLAB具有重要的作用。
直流双闭环调速系统的分析设计中，电流环和转速换的参数设计是最重要的环节。
对于双闭环直流调速系统，本文中选取电流环和转速环的适当参数，通过编程语言对电流环和转速环的频率特性和阶跃响应进行仿真及分析，使调速系统工作于稳定状态，并满足直流调速控制系统动态性能要求。
关键词双闭环，调速控制系统，MATLAB，电流环，转速环
ABSTRACT
The DC motor has many advantages, such as speed performance, torque, stable speed control in a wide range. In the medium and small power applications, permanent magnet DC motor to occupy an important
position, but in the high-speed stability performance requirements or require large torque applications, the DC motor has an extremely important position. Double Loop DC Motor System is a typical system in the DC speed control system. At present, many foreign electrical companies have developed full digital DC converter, and own the commercial standardization, serialization, templates produce. In China, major research institutions and colleges have also developed fully digital DC converter device.
In process of control system design, analysis and simulation, MATLAB plays an important role. In DC double closed loop speed control system design, the current loop and speed loop is the most important part. In this article, we select the appropriate parameters of the current loop and speed loop for Double Loop DC Motor System, using programming language on the current loop and speed loop frequency response and step response simulation and analysis, so that the speed control system can run stability, and meet the dynamic performance of DC speed control system requirements.
Key Words:Double Closed Loop, Speed control system, MATLAB, Current loop,Speed loop
目录
1.绪论 (1)
1.1概述 (1)
1.2研究目标和内容 (2)
2.MATLAB软件及仿真调速控制系统概述 (3)
2.1MATLAB概述 (3)
2.2调速控制系统仿真概述 (4)
2.3控制系统常用函数 (4)
2.4对控制系统进行仿真MATLAB方法 (5)
3双闭环直流调速系统概述 (6)
3.1自动控制系统的基础概念 (6)
3.2直流调速系统的运行状态和稳定状态指标 (6)
3.3双闭环调速系统的结构 (8)
3.4双闭环调速系统静止态时的特性 (9)
3.5双闭环调速系统的运行时状态的解析 (10)
3.6双闭环直流调速系统总体描述 (11)
4.双闭环直流调速系统的参数计算与仿真 (12)
4.1已知的系统指标 (12)
4.2设计系统 (13)
4.2.1计算转速和电流反馈系数 (13)
4.2.2电流环的参数的动态选取与构造 (13)
4.2.3转速环的参数的动态选取与构造 (18)
4.3转速电流双闭环直流调速系统模型 (24)
4.4总结 (25)
5.结束语 (25)
参考文献 (27)
附录 (28)
1.绪论
1.1概述
直流电动机具有非常好的运行、大范围内的控制和稳定特性，长期以来，直流拖动系统中重要的一部分始终是直流调速系统。
直流调速系统在许多商业生产部门，在要求调速系统具有高性能的场合具有普遍的应用，如钢厂、造纸厂等。
对于交流调速系统而言，近年新兴发展的交流调速系统的基础是直流调速系统。
目前，调速系统中最典型的系统就是直流调速系统。
在直流调速系统中，最重要的研究方面是算法选取和参数的选取，系统的运行性能与算法的简略程度有很大的关系。
MATLAB软件由于其仿真方面优异的性能，使其在控制系统的设计、分析、计算和优化中扮演重要的角色。
使用MATLAB软件对各类直流调速系统仿真，可使系统的算法得到极大地简略和减少系统算法的运行周期。
仿真研究直流调速系统的内容包括编程语言编程、直流调速系统正常运行和稳定是性能分析、控制算法设计与优化、调试参数和优化参数几个方面。
系统参数的优化可以通过仿真实现，如对于双闭环直流电动机调速系统，若想对参数值的参考值进行正确的选取，可以对直流调速系统进行软件的编程和仿真，以使得调速系统的运行状态始终处于较好的状态。
直流调速系统建模方式有很多种，其主要有三种方法，即在系统
的传递函数基础上建立系统的仿真模型、构建电气原理结构建模和MATLAB源程序建模。
其中传递函数建模和电气原理结构建模是在MATLAB/SIMULINK下完成，三种方式各自有各自的特点。
基于传递函数建模根据系统中各部分传递函数进行建模，仿真时间通常情况下不会太长，仿真在三四秒之内就能完成。
最近周渊深博士开创性研究出面向电气原理图，并建立调速系统的模型，在此结构的基础上进行仿真、分析和优化。
由于使用了MATLAB/SIMULINK工具箱，所以系统的电气原理图与仿真模型的物理方面的结构基本一致，另一方面而言，此种系统的仿真需要各个元器件的运行，故而时间比较长。
综上所述，由于MATLAB软件能够实现对调速控制系统的方便仿真，故在此论文中，我将利用MATLAB对双闭环直流调速系统的重点部分（电流环、调速换）进行仿真、分析、参数的选取和优化等进行研究。
1.2研究目标和内容
1.研究目标：对电流环和转速环进行MATLAB编程和仿真，研究调速系统各个方面的优越性能。
2.主要内容：
（1）对双闭环直流调速系统的仿真过程中，利用MATLAB软件，对双闭环直流调速系统进行深入研究，尤其是动态性能；
（2）选取合适的双闭环直流调速系统的电流环和转速环的参数，并
进行计算分析；
（3）利用MATLA编程对双闭环直流调速系统的电流环和转速环进行MATLAB仿真，并对仿真结果进行分析；
（4）对所设计的系统进行总的观察与统计，进行，对于文中系统的差的问题点进行提出分析，并进行改进。
2.MATLAB软件及仿真调速控制系统概述
2.1MATLAB概述
Math Works在1984年推出了MATLAB这款软件，它是一具有高效率的运算功能科学工程计算的高级语言。
MATLAB的本来解释是“矩阵实验室”，其主要功能是提供命令关于矩阵运算方面的给用户，伴随数值运算的演进，MATLAB软件逐步应用于各种主流的控制系统的仿真、数字信号处理和高级编程语言（可视化的科学研究方向）。
得益于MATLAB软件强大的容纳体系和领先的设计仿真思路，MATLAB软件在各个应用场合都有广阔的应用，特别是MATLAB主要的应用领域——高级计算、仿真分析、及设计构建信息工程系统已是设计工具的第一选择。
MATLAB有其他软件难以比拟的优势，如编程简单、运行速度快、编程率高、好学好懂等，故而MATLAB语言也被冠名为演算式的科学的超越低级的算法，并与Basic、Fortran、C/C++等语言比较而言，它更为简便，与人的思考方式类似。