计算机控制课程设计--数字PID闭环直流电机调速控制系统

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1、计算机控制课程设计学院：电子信息工程学院设计内容：数字PID闭环直流电机调速控制系统班级：***姓名：***学号：***设计时间；***目录一、摘要1.系统简介2.MATLAB简介二、系统设计1.系统概述2.直流电机的速度控制方案3.速度设定值和电机转速的获取4.非线性变速积分的PID算法4.1PID算法的数字实现4.2经典PID算法的积分饱和现象4.3变速积分的PID算法4.4非线性变速积分的PID算法5.计算机控制仿真及分析5.1实验仿真步骤以及理论分析：5.2系统仿真结论以及分析三、总结四、参考文献摘要系统简介数字

2、PID闭环直流电机调速控制系统是将电能转换成机械能的装置，它主要包括有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型。而各种系统又往往都是通过控制转速来实现的，因此选用PID控制器作为转速控制器是本系统的重要措施。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），它相比于旋转变流机组及离子拖动变流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且

3、在技术性能上也显示出较大的优越性。在分析了直流电机闭环速度控制方案的基础上,针对PID算法在直流电机应用中出现的种种问题,给出了相应的解决方法，提出了非线性变速积分PID算法,成功地解决了在低采样周期时PID算法的积分饱和问题。本课程设计为V-M双闭环不可控直流调速系统设计，报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，然后对电路各元件进行参数计算，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数确定。进而对双闭环调速系统有一个全面、深刻的了解。MATLAB简介在1980年前后，美国的Cle

4、ve博士在NewMexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrixLABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。MATLABSGI由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布

5、各个工程领域，并且不断加以完善。本文通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较开环系统和闭环系统的差别，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。系统设计1.系统概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛的应用。采用PI调节的转速单环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实

6、现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单环系统就难以满足要求。这主要是因为在单环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。对于经常正反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，尽量缩短起制动过程时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，达到稳态转速是立即使电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。为此需引入电

7、流负反馈，构成转速电流双闭环直流调速系统。系统原理图如图1所示。图1单环直流调速系统原理图为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间构成串级控制系统。把转速调节器的输入当作电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制电力电子变换器，即三相集成触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，即设计成带转速微分的负反馈直流调速系统。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压

8、Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运放的倒相作用。系统先进行信号采集再进行A/D转换,然后再通过给定和同步信号(由电源的过零点进行同步)使单片机送出脉冲来控制触发电路,控制整流电路输出,驱动电动机工作,再由检测电路带回实际转速给单片机,让单片机根据实际转速和给定转速进行比较、放大及PID运算等操作,从而控制整流电路α