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摘 要

直流调速系统是一个早期的在现代电力传动自动控制系统的技术。双闭环直流调速系统具有良好的制动性能，它可以大规模的光滑的调节它的速度。直流调速系统在很多自动化领域有广泛的应用,它是电力传动课程教学的重要组成部分。本文模拟了双闭环调速系统的工作原理的双闭环直流调速系统,并分析了具体的模型。然后根据专业知识,做个详细的分析其具体的参数化设计。通过MATLAB仿真软件的数学建模与仿真,分析双闭环直流调速系统的特点。在MATLAB环境中使用GUI的用户界面设计和实现可视化虚拟实验平台的双闭环调速系统。这个实验平台可以实现硬件实验无法完成的项目,帮助学生更好地理解成分和双闭环直流调速系统的工作原理,还可以方便和迅速处理所有类型的数据和图表分析。通过改变输入参数,仿真结果将会更直观。

关键词：直流电机 双闭环控制系统 仿真 GUI界面 虚拟实验平台

Double closed loop dc motor speed control system software design of comprehensive experiment

Abstract

DC speed control system is one of the early technology in modern electric drive automatic control system. Double closed loop dc speed control system has good braking performance, it can be mass smooth adjust its speed. DC speed regulation system has wide application in many automation,it is the most important part of power transmission course teaching. In this paper, modeled the double closed-loop dc speed regulating system based on the the working principle of the double closed loop speed regulating system, and it analyses the specific model.Then according to the professional knowledge, make a detailed analysis of its specific parametric design. through the SIMULINK in MATLAB mathematical modeling and simulation, analysis of the characteristics of double closed-loop dc speed regulating system. Using the GUI's user interface in MATLAB environment to design and realize the visualized virtual experiment platform of the double closed loop speed regulation system. This experiment platform can realize the projects that the hardware experiment was unable to complete ,to help students better understand the composition and the working principle of double closed-loop dc speed regulating system,it can also be convenient and rapid ti process all types of data and charts analysis.By changing the input parameters, the simulation results will be more intuitive.

Keywords:DC motor;Double closed loop control system;Simulation;GUI Interface;Virtual experiment platform.

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1直流调速系统的概念 1

1.2研究的背景 1

1.3直流调速的发展现状 1

1.4双闭环直流调速系统实验软件虚拟研究的目的和意义 2

1.5本文的研究内容 3

第二章 双闭环直流电动机调速系统 4

2.1直流电动机 4

2.2双闭环直流调速系统的组成 4

2.3双闭环直流调速系统的工作原理 5

2.4直流电动机的起动与调速 5

2.4.1直流电动机的起动 5

2.4.2直流电动机的速度调节 6

第三章 双闭环直流调速系统的设计 7

3.1直流调速系统的性能指标 7

3.1.1稳态性能指标 7

3.1.2动态性能指标 7

3.2调节器的工程设计方法 7

3.2.1调节器的作用 7

3.2.2典型系统 7

3.2.3典型I型系统 8

3.2.4典型II型系统 10

3.3 调节器的具体设计 12

3.3.1电流调节器的设计 12

3.3.2转速调节器的设计 13

3.3.3电流环的参数设计 13

3.3.4转速环的参数设计 15

第四章 基于MATLAB的直流调速设计软件部分 16

4.1MATLAB简介 16

4.2安装MAYLAB 16

4.3 Simulink工具箱仿真 16

4.3.1系统的simulink仿真模型 16

4.4 GUI图形界面设计 17

4.4.1 GUI基本操作 17

4.4.2 系统GUI界面设计 20

4.4.3 界面操作流程 24

4.5 GUI实验软件仿真 24

总结 29

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1直流调速系统的概念

有非常好的运行和机械特性就是直流调速，一直以来在调速领域有着主导的地位。近年来虽然交流调速系统发展的非常迅猛，看上去有望在调速领域占据主导的地位。但是就目前而言，它依然是自动控制调速系统的主要调速方式。由于直流调速是较早的调速方式，有着缜密的原理并且在实际操作的过程中应用成熟广泛，直流电机其优良的调速性能仍有广阔的市场并且也是交流调速的基础，具有里程碑的意义。所以，我们着重的把重心放到直流调速上来是十分必要的^[1]。

1.2研究的背景

在二十世纪六十年代，电力电子技术开始起步发展，随着晶闸管的出现，电气中传奇的技术和自控原理的技术与电子计算机技术相结合促进了传动控制技术的发展。直流调速系统的可靠性和运行特性非常好，它是交流调速的基础。虽然交流调速逐渐开始取代直流调速，但是就目前而言，直流调速系统依然是自动控制调速系统的主要调速方式。直流电机调速系统广泛的应用于机械，矿山，冶金，石油，军工等行业。这些行业绝大部分的机械都使用直流电动机作原动机，提高其运行性能，直流电机其优良的调速性能仍有广阔的市场并且对国民经济的提高具有非常重要的意义。

1.3直流调速的发展现状

从二十世纪六十年代左右出现的最早的硅晶闸管，并且使用V-M调速系统也进入了告诉的发展时期，逐渐的被大部分人所接受并且使用。近年来，我国大部分地区的矿山矿井的自动传动系统主要是G-M调速系统和V-M调速系统，但是效率低，经常需要维修等。所以而今国家内很多知名学校、科学院和一些较大的公司也在研究新型的直流调速系统，并且很多的直流调速系统的控制算法都是由他们提出的，关于双闭环直流调速系统的研究也提出了一些宝贵的观点和建议^[2]。科技在国外的起步和发展都比我国要早并且快的多。有些自动控制方面的技术超过了一个世纪，在直流电机调速的领域，国外的直流电机比我国要早一个多世纪出现，它的发展时间更长。从七十年代开始，国外的微机控制技术技术的发展，已经逐渐的应用于矿业中。现今，国外的矿井提升机的电机控制技术已经达到了非常成熟的地步并且与实际的应用也十分完美，其技术应用于提升工艺过程微机控制，行程控制，提升过程监视。

1.4双闭环直流调速系统实验软件虚拟研究的目的和意义

直流调速系统的可靠性和运行特性非常好，它依然是自动控制调速系统的主要调速方式，交流调速的基础。双闭环直流调速系统的应用广，调速性能好，运行时静、动态调速特性良好。在二十世纪九十年代前的五十年的时间里，直流调速是仅有的可靠性最高的能在自动化领域中使用的调速方式，直流调速的定、转子磁场相互作用，为直流调速提高了性能，在电动机的起动和调速过程中起到了关键性的作用。虽然近年来直流电动机逐渐被交流电动机等所取代，但因为它优良的性能，运行的机械特性和可靠性，效率高等优点，时至今日直流电动机依然是大多数工业领域的首选。我们应该掌握双闭环直流调速系统的基本组成和原理。所谓闭环，最熟悉的一个环节九十反馈，正因为有了反馈才叫做闭环，因为反馈将输出又变成了输入使其在一个封闭的结构中相互影响，让它们中和出一个合适的结果。所以闭环控制系统具有良好的抗干扰性和较高的精度，适用于各种调速控制领域。在双闭环调过程中我们同时引用了电流和转速两种负反馈，使其系统更具优越性。当然与此同时利弊也得到了体现，在引入反馈的作用下，带来优点的同时它的缺点也显而易见。结构复杂、造价高昂而且不容易维护等等。由此我们引用了限流器，一定程度上放置电枢电流过高危及人的人生安全。在引入电流负反馈的同时也保证了电流在一定程度上不会改变，不会跨越临界值。与此同时我们通过了解并且分析调速系统的原理图和结构框图，利用MATLAB中simulink通过它的元件库利用里面的原件构造一个仿真模型通过仿真来了解分析整个双闭环直流调速系统。而且我们还可以设置自己想要的仿真参数，根据输入的参数数据，进行仿真试验，观察并且比对变化的波形。为了更好地直观地了解，我们还可以设计一个可视化的GUI软件，通过GUI来调用simulink的模型进行仿真，学生可以通过通过这个软件就可以很清楚直观地看到仿真实验的数据和结果，包括各种图形。我们可以从中发现问题直观了解到各种信息数据。并且直接地看到仿真的结果并且进行比较和分析，设置自己想要的仿真参数，了解不一样的参数对仿真结果的影响，增强学生的自主学习和思维能力。通过 GUI模拟仿真，学生可以对各个模块的性能、电路连接的情况有所了解，在实际的实验之前就能对电路有一定的了解，在实际操作机器之前减少不必要的麻烦和损失。

1.5本文的研究内容

本文以直流电动机的作为对象，用工程设计方法设计并且建立了双闭环直流调速系统的仿真模型，并仔细分析了直流调速系统的基础电路图和结构图。通过MATLAB中的simulink的元件库利用里面的原件构造一个仿真模型通过仿真，根据输入的参数数据，进行仿真试验，观察比对变化的波形并且分析特性。利用Matlab 环境中的GUI 用户界面，设计并且实现了双闭环调速系统的可视化虚拟实验平台，让仿真结果在GUI上更直观的显示表示出来。

第二章 双闭环直流电动机调速系统

2.1直流电动机

把直流电能转变为机械能的电机是直流电动机。直流调速系统的控制对象是直流电动机，调速就是针对直流电动机的转速进行调节。直流电动机拥有优良的可靠性，它的起动和制动性能非常好。它适合在广范围内平滑调速，因此V-M调速系统是当前采用较为广泛的电力拖动控制系统。直流调速系统的可靠性和运行特性非常好，它依然是自动控制调速系统的主要调速方式，交流调速的基础。

2.2双闭环直流调速系统的组成

双闭环直流调速系统中ACR和ASR是电流和转速调节器。为了让n和i两种负反馈分开对电路产生作用，我们在系统用放入了ACR和ASR这两个调节器，分别引入n和i两个独立的负反馈来调节，两者是串级连接。从系统原理结构图上看，ACR在里面，称作内环；ASR在外边，称作外环。从而构成了n、i两个负反馈环节，这就形成了双闭环调速系统^[3]。

图2-1 双闭环直流调速系统负反馈原理图

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