直流电机PID控制与仿真

长春大学

课程设计说明书

题目名称直流电机速度PID控制与仿真

院（系）电子信息工程学院

专业（班级）自动化13403

学生姓名张华挺

指导教师曹福成

起止日期 2016.10.24——2016.11.04

直流电机速度PID控制与仿真

摘要：在本次课程设计中重点研究直流电机的工作原理以及直流电机的各种调速方法。在调速控制中，我们包含两个大的部分，一个是直流电机的开环控制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又分别介绍转速闭环控制和PID闭环控制，并且对直流电机的每个模型进行建模并仿真，观察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点。

关键词：直流电动机；转速控制；PID控制；Matlab仿真

DC Motor Speed PID Control and Simulation

Abstract: In this curriculum design, the work principle of DC motor and DC motor speed control methods are studied. In speed control, we include two parts, one is the open loop control of DC motor, the other is a closed loop DC motor control in DC motor closed-loop control, and introduces the speed closed-loop control and PID control, and each model of the DC motor for modeling and simulation to observe the dynamic performance analysis of DC motor control and the advantages and disadvantages of each.

Keywords: DC motor; speed control; PID control; Matlab simulation

目录

第一章直流电动机的工作原理及基本结构 (1)

1.1 直流电机的结构 (1)

1.2 直流电机的基本工作原理 (1)

1.3 本章小结 (2)

第二章直流电机开环系统仿真 (3)

2.1 Matlab简介 (3)

2.2 直流电机的稳态模型 (3)

2.4 本章小结 (6)

第三章直流电机PID控制 (7)

3.1 PID控制简介 (7)

3.2 比例（P）调节特性 (7)

3.3 比例积分（PI）调节特性 (8)

3.4 比例积分微分（PID）调节特性 (9)

3.5 PID的动态数学模型 (9)

3.7 本章小结 (13)

总结 (14)

参考文献 (15)

第一章直流电动机的工作原理及基本结构

1.1 直流电机的结构

如下图1-1所示是直流电机的物理模型，由图可以看出，直流电动机结构中有换向器、电刷，磁极和转子，在实际直流电机中，还包括机座和端盖，换向磁极、主磁极、机座和端盖，电刷装置组成电机的定子，电枢绕组、电枢铁心、转轴、轴承和换向器构成电机的转子。

图1-1 直流电机模型

图中N、S为定子的磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子，我们又叫它电枢。线圈的a、d端连接到两个相互绝缘的换向片上。换向片上面有不动的电刷，电刷和转子线圈与外电路是连通的。

1.2 直流电机的基本工作原理

当我们在AB相加上直流电压源后，电流方向为dcba，我们由楞次定律可知，在N上S下的情况下，电枢有向左的力，是电枢向左运动，当电枢转动180度时，由于换向器的作用，使电流的方向发生改变，电流方向为abcd，虽然电流方向发生改变，但是力的方向没有发生改变，仍然是向左的，正因为如此，可以使电机一直朝一个方向运动下去,但是由于转子只有1个磁极的关系，在磁场中的受力并不均匀，所以这样的电机在转的时候会有明显的震颤感觉，所以实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，当线圈增加时，相应的磁极也要增加。

直流电机是电能转换装置，它将电能转换为机械能，当电枢上有直流电通过时，会在电枢绕组上感应电动势，称为电枢电动势，电枢电动势与电机转速成正比，表达式分别为：

n

C E e Φ=a

（1.1）

Φ

-e K IR

U n =

（1.2） 在上式中，n 为直流电机转速、R 为电枢电阻、e K 为电动机电动势常数、Φ励磁磁通（Wb ）。我们可以看出，电动机转速与电枢电压、电枢电流和励磁磁通有关，当电压不变时，增大电枢电流，转速n 就会下降，当电枢电流不变时，减小电枢电压转速n 也会下降。

1.3 本章小结

我们从直流电机的结构中可以看出，直流电机的结构复杂，工艺复杂，但是直流电机相对节能，功率因素高，和交流电机相比，直流电机用的是直流电，如今大多数用的电是交流的，所以在使用直流电机的时候需要交直转换器，从而增加了成本，最重要的是直流电机中存在换向器，在换向器工作中会产生火花，当速度增大到一定的值后，换向器中的火花会形成环火，从而影响直流电机的转速，使不能转的很快。但是直流电机独特的工作方式使它的调速范围广、带负载能力大、震动小、噪音低、通用性强、维护方便，而且直流电机对环境的适应能力强，可在有腐蚀等恶劣环境中工作，所以直流电机在我们生产生活中也得到了广泛的使用，研究直流电机控制不仅关系着国民生产，更是一种对未知事物的探索。