基于pid算法的直流电机调速系统及matlab仿真设计
摘 要
近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。本文通过一个直流电动机双闭环调速系统实例，就如何利用MATLAB软件的仿真功能对系统进行分析做一些探讨，对系统的设计和改进具有一定的参考意义。本文实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确、直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，取得了较好的效果。
关键词：直流电机；调速；双闭环；PID算法；MATLAB仿真
Dc motor speed control system based on matlab
ABSTRACT
In recent years, due to the rapid development of microcomputers, the digitization of foreign AC and DC systems has reached a practical stage. Because the hardware circuit of digital control system based on microprocessor is highly standardized, the cost of fabrication is low, and it is not affected by device temperature drift. Its control software can make logical judgement and complex operation, and can realize the optimal, adaptive, non-linear and intelligent control laws different from general linear regulation. Therefore, the performance of the digital control system is far superior to that of the analog control system in all aspects, and its application is more and more extensive. In this paper, through an example of DC motor double closed-loop speed control system, how to use the simulation function of MATLAB software to analyze the system is discussed, which has a certain reference significance for the design and improvement of the system. This paper realizes the design of double closed-loop DC speed regulation system. The experimental results can accurately and intuitively observe the start-up process of speed-current double closed-loop speed regulation system, and achieve good results.
Key words: DC motor; speed regulation; double closed-loop; PID algorithm; MATLAB simulation
目录
摘 要 1
1 绪论 1
1.1 课题来源及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 研究目标及内容 3
1.3.1 研究目标 3
1.3.2 研究思路与研究内容 3
2 MATLAB介绍 4
2.1 MATLAB介绍 4
2.1.1 MATLAB简介 4
2.1.2 MATLAB产生的历史背景 5
2.1.3 MATLAB的特点 5
2.2 控制系统仿真中常用的函数介绍 5
2.3 MATLAB工具箱及SIMULINK简介 6
3.1 电流环设计 7
3.1.1 电流环参数设计 7
3.1.2 电流调节器作用 8
3.2 转速环设计 8
3.2.1 转速环参数设计 8
3.2.2 转速调节器作用 9
4.直流电机PID系统软件设计 10
4.1如何应用PID控制电机转速 10
4.2直流电机动态数学模型 10
4.3增量式PID控制算法 11
4.4调速系统主程序原理框图 17
4.5中断服务程序原理框图 18
5 MATLAB仿真 19
5.1 电流环仿真 19
5.1.1 频域分析 19
5.1.2 阶跃响应分析 20
5.2 转速环仿真 21
5.2.1 频域分析 21
5.2.2 阶跃响应分析 22
5.3 双闭环直流调速系统（综合）的设计仿真 23
总结 24
附 录 26
1 绪论
1.1 课题来源及意义
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation,简称pwm)已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统[1]。因电机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域[2]。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用己任的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可 靠性及低成本。以上技术的应用，直流调速技术不断发展走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地应用相当普遍，尤其是个数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的准确性。随着直流电机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。
本设计将PID算法算法用于对直流电机调速系统进行设计、仿真和性能对比的研究。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。通过PID算法算法的运用提高直流调速系统的精度及可靠性。并且具有结构简单，参数物理意义明确的特性，在以后的工业直流电机的发展中起到主导作用[3]。
控制理论的研究对象是系统，从系统控制理论的角度，系统即为由相互关联和相互制约的若干“部分”所组成的具有特定功能的一个“整体”[1]。系统存在于自然界和人类社会的一切领域[2]。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的旋转速度，以满足工作机的要求。从机械的角度来看，也就是通过改变电机的参数或外加工电压，改变电机的机械特性，从而改变电机的机械特性和机械的工作特性的交点的特征性能，使电机的转速的变化的稳定工作。
直流调速系统具有优异的速度快的特点，流畅的运行速度，范围广，精度高，过载，动态性能好，容易控制，和良好的起动和制动性能等，以满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊操作要求，所以广泛应用于电力传输。为了改善直流速度控制系统，通常是一个闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）的动态和静态性能指标。调速指标要求不高的场合，使用一个单一的闭环系统，高速指标，多闭环系统。可分为不同的方式，根据反馈速度反馈和电流反馈电压反馈。在双闭环系统，转速 - 电流双闭环使用较多。广泛应用于轧机，冶金，印刷，金属切削机床等众多领域的自动化控制系统。
参考文献
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