直流电动机智能调速方法的仿真研究毕业设计1.docx

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直流电动机智能调速方法的仿真研究毕业设计1

毕业设计

（2013届）

题目直流电动机智能调速方法的仿真研

学院物理电气信息学院

专业电气工程与自动化

年级2009级

学生学号***********

学生姓名杨玲

指导教师马华杰

2013年3月30日

摘要

电机的调速性能，对提高产品质量、劳动生产率等有着直接的决定性影响。

直流电动机具有良好的的运行和控制功能，与电能的生产、传输和使用密切相关，长期以来，直流电动机一直占据着重要地位。

电动机作为把电能转换为机械能的动力设备，已被广泛应用于工业、农业、国防军事、交通运输等各个领域。

在许多工业部门，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。

电动机的调速性能，对于提高产品质量、提高劳动生产率、节省电能方面有着直接的决定性影响。

本文利用Matlab软件特别是Simulink工具箱，构建了电机调速系统的仿真模型，对多种智能方法的仿真实现、性能分析和算法设计等方面进行了深入的研究。

本文首先以开环直流调速系统为研究对象，采用面向电气原理结构图的仿真方法，对典型的开环直流调速系统进行了仿真实验分析。

其次，以双闭环直流调速系统为研究对象，设计了一种基于Matlab与Simulink环境的双闭环直流调速系统仿真实验平台。

随后,使用模糊控制的方法，利用直流电机的斩波调速原理，在MATLA环境下，对直流电机模糊调速进行仿真分析，并利用仿真结果证明了方法的有效性。

关键词：

直流电动机，模糊控制，PID控制，MATALB仿真

ABSTRACT

目　录

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第一章　绪　论

1.1课题研究背景及意义

直流电动机具有良好的的运行和控制功能，与电能的生产、传输和使用密切相关，长期以来，直流电动机一直占据着重要地位。

电动机作为把电能转换为机械能的动力设备，已被广泛应用于工业、农业、国防军事、交通运输等各个领域。

在许多工业部门，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。

电动机的调速性能，对于提高产品质量、提高劳动生产率、节省电能方面有着直接的决定性影响。

研究电机调速控制的先进理论方法和技术，不仅可以满足工业生产的实际要求、而且能够提高能源的利用效率，为国民经济的发展做出重要贡献。

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[1]。

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。

众所周知，直流电机具有优越的调速性能，但由于换向器的原因，使其存在使用寿命缩短，维护工作量大的不足之处。

然而，交流电机与直流电机相比，具有种种优点，如结构紧凑，便于安装维护等，因此交流电机驱动系统在工业中得到了越来越广泛的应用，并且近年来它一直是国外很多大公司、大学研究开发的热点。

随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性，如机器人系统、纺织过程等。

尽管在很多情况下，当我们考虑系统的某些现象时，可以用系统的线性模型来代替系统的非线性模型，然后，对线性模型开展研究。

但在工程技术、自然、社会、经济等众多情况下，不可能用系统的简单线性模型作为该真实系统的替身。

人们必须建立真实系统的非线性模型来代替简单容易处理的线性模型[2]。

随着电力电子技术的发展，对工业过程控制的要求越来越高，不仅要求控制的精确，而且还要注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。

调速控制系统的计算机仿真是涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性技术[3]。

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（物理模型或数学模型）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。

因此，凡是要用模型进行实验的，几乎都可以用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。

本文利用Matlab软件特别是Simulink工具箱，构建了电机调速系统的仿真模型，对多种智能方法的仿真实现、性能分析和算法设计等方面进行了深入的研究。

本文首先以开环直流调速系统为研究对象，采用面向电气原理结构图的仿真方法，对典型的开环直流调速系统进行了仿真实验分析。

其次，以双闭环直流调速系统为研究对象，设计了一种基于Matlab与Simulink环境的双闭环直流调速系统仿真实验平台。

随后,使用模糊控制的方法，利用直流电机的斩波调速原理，在MATLA环境下，对直流电机模糊调速进行仿真分析，并利用仿真结果证明了方法的有效性[4]，

1.2国内外研究状况

1.2.1调速控制系统的发展现状

一个多世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用范围以普及国民经济的各个领域及人们的日常生活之中。

直流电机调速性能好，起动转矩大，长期以来被广泛应用于电力机车、起重机和机床等对电动机的调速性能和起动性能要求高的生产机械上。

由于直流电机可以分别控制励磁电流和电枢电流，因此能实现对磁通和转矩的完全解耦控制。

直流电机的电磁时间常数较小，使得电枢电流可以迅速变化，从而达到电磁转矩的快速响应。

但是，由于直流电机中机械换向器的存在，导致直流电机中存在显著的换向电流和速度限制，这使得直流电机难以应用于腐蚀性比较强和易燃易爆的场合。

另外，随着各种微处理器的出现和发展，国内外对直流电机控制调速系统的研究也在不断发展和完善，特别是在20世纪80年代，达到了研究的空前繁荣。

目前，国外主要电气公司，均已开发出数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。

而在国内，数字式直流电机调速系统也具有很大的市场需求。

科研单位、大专院以及企业单位等，都在研究开发高性能的直流电机调速系统装置。

大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现[5]。

现如今，自动控制领域出现了许多新的控制算法，如预测控制算法、自适应算法、各种人工智能算法（包括模糊算法、神经网络算法、遗传算法等）。

这些算法发展至今都已有较完善的理论基础，而且在实际的工程中都已有很成功的应用实例。

归纳目前大量应用的调速控制系统，并对技术发展和应用需求进行全面分析之后，我们可以总结出下列发展趋势：

（1）智能化。

智能控制如模糊控制、神经网络控制、解耦控制等，已深入到运动控制系统的各个方面，各种智能观测器和辨识技术应用于电机控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为电机控制系统的智能化提供了可能[6]。

（2）网络化。

微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。

随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模多机协同工作的高度自动化系统，这就需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。

（3）高频化。

在功率驱动装置中，低频的半控器件——晶闸管在中小功率范围将会被高频的全控器件——大功率晶体管所代替，这既可提高系统性能，又可改善电网的功率因素。

1.2.2运用MATLAB／SIMULINK建模的特点已发展状况

MATLAB凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，己成为国际控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工具软件。

长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即建立准确而快速地仿真模型是至关重要的。

而MATLAB提供的动态系统仿真工具

SIMULINK，则是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种。

在SIMULINK中，对系统进行建模将变得非常简单，而且仿真过程是交互的，因此，可以很随意地改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。

另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。

它可以建模与仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真的动态系统复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合类型的[3]。

最近几年，随着计算机仿真软件的发展，调速系统的数学建模及其稳态性能和动态性能的仿真分析己成为对电机系统研究的一个重要方面。

运用MATLAB中的电力系统模块库（PowerSystemBlockset）[可以将电气传动控制系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合，因此运用MATLAB／SIMULIK来建立准确而有效的调速仿真模型是非常有必要的[7]。

运用MATLAB／SIMULINK来建立的调速系统的模型，其通用性强、构造模型简单、修改参数容易、界面友好、功能强大等优点，适宜于系统动态分析，减少了重复劳动，对分析和设计有较高的实用价值。

1.2.3模糊控制的现状与发展趋势

近一个世纪以来，模糊控制得到了很快的发展，这主要是由于模糊控制器可以应用专家的控制经验，对难以建立精确数学模型的被控过程实现自动控制。

目前模糊控制的理论研究很热，并已取得了许多显著进展，模糊控制在理论上和应用方面都取得了巨大成就。

虽然模糊控制技术发展历史只有三十年，本身还有待于完善，理论与实际的结合也有待于进一步探索，但是其发展前景十分诱人。

近些年以来，国内外众多专家学者围绕着这些问题展开了广泛的研究，取得了一定的阶段性成果。

未来模糊控制的发展大致有以下几个方向：

（1）专家模糊控制；

（2）与各种智能优化算法相结合的模糊控制；（3）复合模糊控制器；（4）多变量模糊控制[4]。

在国际大趋势的推动下，模糊控制已开始向多元化和交叉学科方向发展。

国外专家预言：

模糊技术、神经网络技术、混沌理论作为人工智能的三大支柱，将是下一代工业自动化的基础[8]。

随着模糊控制理论研究的不断完善和应用的广泛深入、高性能模糊控制器的研究开发，模糊控制技术将会更大限度地发挥其优势，为工业过程控制、运动控制和其它领域的控制开辟新的应用前景。

1.2.4PID控制的现状与发展

PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律，据统计，工业控制中PID类控制器占有90%以上。

PID控制器是最早出现的控制器类型，因为其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以格外受工程技术人员喜爱[9]。

此外，随着现代控制理论的发展，传统的PID控制与先进控制策略相结合又派生出各种新型PID类控制器，形成庞大的PID家族，大大改进了传统PID控制器的性能。

常规的PID控制由于算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在工业控制中得到了广泛应用，但是实际工业生产过程往往具有大滞后、非线性、时变不确定性，导致难以建立精确的数学模型，因此常规PID控制经常达不到理想的控制效果。

此外，在实际生产现场中由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差，不能适应复杂的工况和高指标的性能要求。

PID控制是目前应用最广的控制规律,然而现代工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性,这些不确定性造成模型参数变化甚至模型结构突变,使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作,这时就需要根据对象的不同及数学模型的特点采用不同的控制和整定方法,将其他的智能控制技术,诸如模糊控制、专家系统、神经网络等技术应用于PID控制中,使PID控制器具有在线修正参数的功能,从而使系统具有良好的鲁棒性和最优的控制效果[10]。

1.3本文的主要工作

主要内容：

针对目前直流电机调速策略所存在的一些问题，确立了本文设计出发点。

采用模糊PI（FuzzyPI）控制直流调速控制系统实现建模和仿真，并与传统的PID控制在直流调速控制系统中的应用进行比较，通过仿真得到的结果发现其优点并加以应用。

重点：

1.通过直流电机速度控制的静、动态特性，对速度调速控制系统的数学模型进行研究。

2.利用模糊控制理论，设计基于模糊控制方法的具有FuzzyPI复合调节器的速度串级控制系统。

3.借助于MATLAB中的FuzzyLogicToolbox和Simulink工具箱对系统进行仿真，并与传统的直流调速控制系统中的应用进行比较。

第二章直流电动机的基本结构和工作原理

7参考文献

[1]李勇军.电机智能调速方法的仿真研究[D].湖南大学，2008

[2]周凯汀，郑力新．基于Matlab的双闭环直流调速系统仿真及参数进化设计[J]．计算机与自动化，2001，20

（2）：

10-24

[3]邓成，孟志强，唐杰．模糊校正比例积分控制在直流双闭环调速系统中的应用[J]．湖南大学学报（自然科学版），2003，30（3）：

82-84

[4]章卫国，杨向忠模糊控制理论与应用[M].西安：

西北工业大学出版社，2004.83.

[5]朱新波,杨平基于DSP的无刷电机调速系统智能算法设计[J].机械设计与制造,2007,5：

189-191

[6]宋授俊、刘景林无数按直流电机建模及其现代调速方法的仿真[J].维持电机,2004（9）:

21-24

[7]王正林.MATLAB/SIMULINK与控制系统的仿真[M].北京电子工业出版社，2005

[8]龙瑜.论单闭环直流调速系统[J].电机电器技术，2004,1:

39-42

[9]高琴梅.晶闸管直流调速模糊控制系统[J].常熟高专学报，2001,15

（2）:

66-68

[10]张松兰.PID控制器参数整定[J].科技情报开发与经济，2007，17（29）：

220-221