simulink的直流调速系统的设计与仿真
摘 要在现今电力驱动的自动控制系统中使用比较普及的应该就是调速系统了，随着生产质量、产品工艺需求一直增高和产能需求的增加，越来越多的机器要求能够自动调节速度。在这些调速体系中，直流调速系统具有良好的速度控制特性，速度控制过程平稳，调速范围宽，精度高，过载能力比较大，同时动态性能优秀、方便控制有着很好的启动以及停止。这些优点能满足很多场合的不同生产需要，因此研究直流调速是非常有实际生产意义的。这篇论文的研究对象就是直流电机调速系统，先是讲述了研究这个课题的实际意义，然后阐述了各种直流调速系统的想法以及分析各种方法的实际意义还有电气结构原理图，最后利用Matlab软件中的Simulink组件来完成建模仿真以及模拟运行的目的。分析并且比较了开环、单闭环、双闭环直流电机调速系统的优缺点。结合实际分析讨论了几种调速系统在当今工业生产过程中能起到哪些作用，以及分别适用于哪些场合，最终得出结论双闭环直流调速系统是最能符合要求并且调速性能最稳定最高效的调速方法。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2概述 1
1.3论文内容 2
1.4本章小结 2
第二章 直流调速系统的理论基础 3
2.1 Matlab/Simulink仿真软件 3
2.2 直流调速的理论基础 3
2.3 开环系统的电气原理 6
2.4 单闭环系统的电气原理 7
2.5 双闭环系统的电气原理 8
2.6 本章小结 9
3.1 开环调速系统的建模与仿真 10
3.1.1 开环建模过程 10
3.1.2 开环系统的仿真 13
3.2 单闭环调速系统的建模与仿真 15
3.2.1 单闭环系统的建模 15
3.2.2 单闭环系统的仿真 17
3.3 双闭环调速系统的建模与仿真 17
3.3.1 双闭环系统的建模 17
3.3.2 双闭环系统的仿真 20
3.4 本章小结 20
第四章 结论与展望 22
致 谢 23
参考文献 24
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/> 第一章 绪论
1.1 课题背景
电力传动设备在现代化的产业当中的使用可以说是处处都是，特别实在轻重工业生产当中电动机的调速更是有着十分重要的作用[1]。因此电动机的调速成为了现在自动控制系统中使用最为多的一类[2]。工艺质量日益提高产能需求也不断增加，越来越多的工业设备要求实现调速的自动化。现在的速度控制系统已迈入了PC时代，很多工业生产都变成了智能化控制[3]。面对传统的非智能化工业，先进的智能化硬件以及计算机应用所控制的自动调速系统在生产的安全性、稳定性便利性上面有着巨大的优势。不仅提高了产能和质量，提升了劳动效率，提高了企业的经济效益。而且也对我们国家综合国力的增强起到了至关重要的促进[4]。
直流调速系统有很多优点，比如：调速范围广、精确度高、过载能力大、比较平稳、有着良好的控制性。能满足很多生产过程中的特殊运行需求。因此应用广泛[5]。
交流调速系统顾名思义就是一种对交流电机进行速度调节的一种控制系统。跟直流电动机对比，交流电机的构造更加简单而且成本更低，另外还有运行安全、检修便捷、动态响应快、惯性小，以及便于更多方面发展的优势[6]。
1.2概述
电机调速系统是以电力电子技术为核心的，电力电子技术的飞速发展也促进了电机调速系统的发展。由于电力电子技术、传感器技术、超导材料和计算机技术的发展电动机调速系统也获得了飞速发展[7]。这些技术的共同进步推动了电机调速系统在近期巨大变化。
我们用计算机数字控制来实现电机的调速，这是技术发展的一个重要方向[8]。1980年开始数字式的调速传动装置就是各大电气公司纷纷开发的主要产品，到目前为止直流调速系统已经到了相当高的水平：采用可控硅来制作功率元件；控制板采用表面贴装工艺，采用电源控制技术对调速系统进行控制。随着这些先进技术的发展，直流调速装置的精度越来越高，控制性能和抗干扰能力也越来越出色，在世界各地得到了普遍的使用。最新的数字式直流调速装置和以前的调速方式相比较展现出了巨大的优势[9]。
技术的革新，在工业生产上面成为发展的前提。使用数字式直流调速控制后，系统更加可靠，构造也更加简单，使用操作维修方便，电机的转速精度可以到达比较高的要求[10]。直流电机本身的优良特性，也能对应工业生产当中不同场合下的不同运行需求[11]。
1.3论文内容
这篇论文的课题对象就是电动机直流调速系统，我们通过MATLAB软件模拟仿真了开环调速系统，单闭环调速系统与双闭环调速系统模型，主要是使用Matlab仿真软件中的Simulink组件来进行仿真，在仿真的过程中先设置参数再运行仿真程序。得到转速与电枢电流的仿真结果，并讨论研究与理论中的调速进行对比。
第一章是绪论。阐述了本篇论文的研究内容，主要就是介绍直流调速系统在当今工业生产中处于什么样的地位以及发展前景。
第二章是直流调速系统的理论基础。这章简要的介绍三种速度控制系统的原理以及结构，并且配合电气结构图来进一步分析。
第三章是直流电机速度控制系统的建模和仿真运行。是以第二章的电气原理图为模板，设计三种直流电机调速系统的模拟建模，简单阐述了组成步骤、参数设置。然后运行仿真软件，得出仿真输出波形图，最后分析结果。
第四章是结论与展望。
1.4本章小结
这一章简单阐述了电动机调速系统这个课题的现状与发展前景，还有各国对直流调速的研究状况。通过研究发现，这是一个与人们的日常生活密切相关的课题。发展直流调速与中国现代化的步伐密切相关。这些年来交流电机速度控制系统发展迅猛，但是相比较直流电动机速度控制系统的理论与实践还没有达到一个成熟地步。所以直流电动机速度控制系统的研究还是具有很强的发展前景的。
第二章 直流调速系统的理论基础
2.1 Matlab/Simulink仿真软件
MATLAB中的Simulink软件包能够模拟动态系统和系统分析集成环境。在其中只要通过简便的鼠标操作就能建立出一个复杂的仿真系统。没有像其他软件那样复杂的程序编码。Simulink的优点很多如：适应面宽、结构和流程清楚和仿真精确、贴合现实、工作效率高、使用轻便等。因为有这么多的优势所在，所以Simulink的使用十分的普遍，多用于复杂信号的建立与仿真运行。而且有不少的第三方软件和硬件能够适配于Simulink组件中去。
基于Matlab的Simulink作为仿真工具软件包，可以完成动态系统建模、仿真与分析。大量应用在线性、非线性系统、数字信号分析与控制的建模与仿真当中。有多速率系统，即仿真时系统的各部分有着各自的采样速率，能在连续的时间里面一直采样，也能离散采样甚至可以连续和离散混合采样来输出仿真波形。仿真显示的用户界面（GUI），可以建模和模拟。用户只需要经过点击和移动鼠标就能完成各种仿真系统的模拟建模。这种快捷简单的操作方式使用户可以马上看到建模仿真的效果。该方法用于构建和模拟实时变化的系统与嵌入式系统模型。对于有实时变化的系统设计仿真，如：信号控制、通讯、处理，图像与视频处理系统等，组件有一个交互式的图像环境，以及可定制化的库来应对。其他产品建立在仿真的基础上扩展了Simulink仿真能力，并提供设计、实施和相应的工具验证。MATLAB和Simulink是密切相关的，可以直接调用Matlab工具进行研究和开发，仿真，脚本创建，自定义仿真环境和数据信号测试和其他自定义功能。
2.2 直流调速的理论基础
由直流电动机的结构构造和运行方式,可以了解直流电机调速有下列三种方法：
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2概述 1
1.3论文内容 2
1.4本章小结 2
第二章 直流调速系统的理论基础 3
2.1 Matlab/Simulink仿真软件 3
2.2 直流调速的理论基础 3
2.3 开环系统的电气原理 6
2.4 单闭环系统的电气原理 7
2.5 双闭环系统的电气原理 8
2.6 本章小结 9
3.1 开环调速系统的建模与仿真 10
3.1.1 开环建模过程 10
3.1.2 开环系统的仿真 13
3.2 单闭环调速系统的建模与仿真 15
3.2.1 单闭环系统的建模 15
3.2.2 单闭环系统的仿真 17
3.3 双闭环调速系统的建模与仿真 17
3.3.1 双闭环系统的建模 17
3.3.2 双闭环系统的仿真 20
3.4 本章小结 20
第四章 结论与展望 22
致 谢 23
参考文献 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
/> 第一章 绪论
1.1 课题背景
电力传动设备在现代化的产业当中的使用可以说是处处都是，特别实在轻重工业生产当中电动机的调速更是有着十分重要的作用[1]。因此电动机的调速成为了现在自动控制系统中使用最为多的一类[2]。工艺质量日益提高产能需求也不断增加，越来越多的工业设备要求实现调速的自动化。现在的速度控制系统已迈入了PC时代，很多工业生产都变成了智能化控制[3]。面对传统的非智能化工业，先进的智能化硬件以及计算机应用所控制的自动调速系统在生产的安全性、稳定性便利性上面有着巨大的优势。不仅提高了产能和质量，提升了劳动效率，提高了企业的经济效益。而且也对我们国家综合国力的增强起到了至关重要的促进[4]。
直流调速系统有很多优点，比如：调速范围广、精确度高、过载能力大、比较平稳、有着良好的控制性。能满足很多生产过程中的特殊运行需求。因此应用广泛[5]。
交流调速系统顾名思义就是一种对交流电机进行速度调节的一种控制系统。跟直流电动机对比，交流电机的构造更加简单而且成本更低，另外还有运行安全、检修便捷、动态响应快、惯性小，以及便于更多方面发展的优势[6]。
1.2概述
电机调速系统是以电力电子技术为核心的，电力电子技术的飞速发展也促进了电机调速系统的发展。由于电力电子技术、传感器技术、超导材料和计算机技术的发展电动机调速系统也获得了飞速发展[7]。这些技术的共同进步推动了电机调速系统在近期巨大变化。
我们用计算机数字控制来实现电机的调速，这是技术发展的一个重要方向[8]。1980年开始数字式的调速传动装置就是各大电气公司纷纷开发的主要产品，到目前为止直流调速系统已经到了相当高的水平：采用可控硅来制作功率元件；控制板采用表面贴装工艺，采用电源控制技术对调速系统进行控制。随着这些先进技术的发展，直流调速装置的精度越来越高，控制性能和抗干扰能力也越来越出色，在世界各地得到了普遍的使用。最新的数字式直流调速装置和以前的调速方式相比较展现出了巨大的优势[9]。
技术的革新，在工业生产上面成为发展的前提。使用数字式直流调速控制后，系统更加可靠，构造也更加简单，使用操作维修方便，电机的转速精度可以到达比较高的要求[10]。直流电机本身的优良特性，也能对应工业生产当中不同场合下的不同运行需求[11]。
1.3论文内容
这篇论文的课题对象就是电动机直流调速系统，我们通过MATLAB软件模拟仿真了开环调速系统，单闭环调速系统与双闭环调速系统模型，主要是使用Matlab仿真软件中的Simulink组件来进行仿真，在仿真的过程中先设置参数再运行仿真程序。得到转速与电枢电流的仿真结果，并讨论研究与理论中的调速进行对比。
第一章是绪论。阐述了本篇论文的研究内容，主要就是介绍直流调速系统在当今工业生产中处于什么样的地位以及发展前景。
第二章是直流调速系统的理论基础。这章简要的介绍三种速度控制系统的原理以及结构，并且配合电气结构图来进一步分析。
第三章是直流电机速度控制系统的建模和仿真运行。是以第二章的电气原理图为模板，设计三种直流电机调速系统的模拟建模，简单阐述了组成步骤、参数设置。然后运行仿真软件，得出仿真输出波形图，最后分析结果。
第四章是结论与展望。
1.4本章小结
这一章简单阐述了电动机调速系统这个课题的现状与发展前景，还有各国对直流调速的研究状况。通过研究发现，这是一个与人们的日常生活密切相关的课题。发展直流调速与中国现代化的步伐密切相关。这些年来交流电机速度控制系统发展迅猛，但是相比较直流电动机速度控制系统的理论与实践还没有达到一个成熟地步。所以直流电动机速度控制系统的研究还是具有很强的发展前景的。
第二章 直流调速系统的理论基础
2.1 Matlab/Simulink仿真软件
MATLAB中的Simulink软件包能够模拟动态系统和系统分析集成环境。在其中只要通过简便的鼠标操作就能建立出一个复杂的仿真系统。没有像其他软件那样复杂的程序编码。Simulink的优点很多如：适应面宽、结构和流程清楚和仿真精确、贴合现实、工作效率高、使用轻便等。因为有这么多的优势所在，所以Simulink的使用十分的普遍，多用于复杂信号的建立与仿真运行。而且有不少的第三方软件和硬件能够适配于Simulink组件中去。
基于Matlab的Simulink作为仿真工具软件包，可以完成动态系统建模、仿真与分析。大量应用在线性、非线性系统、数字信号分析与控制的建模与仿真当中。有多速率系统，即仿真时系统的各部分有着各自的采样速率，能在连续的时间里面一直采样，也能离散采样甚至可以连续和离散混合采样来输出仿真波形。仿真显示的用户界面（GUI），可以建模和模拟。用户只需要经过点击和移动鼠标就能完成各种仿真系统的模拟建模。这种快捷简单的操作方式使用户可以马上看到建模仿真的效果。该方法用于构建和模拟实时变化的系统与嵌入式系统模型。对于有实时变化的系统设计仿真，如：信号控制、通讯、处理，图像与视频处理系统等，组件有一个交互式的图像环境，以及可定制化的库来应对。其他产品建立在仿真的基础上扩展了Simulink仿真能力，并提供设计、实施和相应的工具验证。MATLAB和Simulink是密切相关的，可以直接调用Matlab工具进行研究和开发，仿真，脚本创建，自定义仿真环境和数据信号测试和其他自定义功能。
2.2 直流调速的理论基础
由直流电动机的结构构造和运行方式,可以了解直流电机调速有下列三种方法：
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