扬州大学MATlab课程设计Word文档格式.docx
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计算机仿真技术是应用电子计算机对研究对象的数学模型进行计算和分析的方法。
对于从事控制系统研究与设计的技术人员而言,MATLAB是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。
这不仅是因为它能解决控制论中大量存在的矩阵运算问题,更因为它提供了强有力的工具箱支持。
与控制系统直接相关的工具箱有控制系统、系统辨识、信息处理、优化等。
还有一些先进和流行的控制策略工具箱,如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑等。
可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法,几乎都可以在MATLAB中找到相应的工具箱。
同时,MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点,成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。
它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型,然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析,从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。
将SIMULINK用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。
本文以此为基础,运用模糊逻辑控制,建立了电机控制系统的仿真模型,并通过了可靠的仿真实验。
本实验的目的是通过MATLAB的仿真实验,对鼠笼式异步电动机直接起动和变压器降压起动进行仿真设计,掌握SIMULINK仿真环境常用模块库和电力系统模块库。
一方面研究鼠笼式异步电动机直接起动,观察电机转速、定、转子电流、电磁转矩;
另一方面,研究鼠笼式异步电动机变压器降压起动,观察电机转速、定、转子电流、电磁转矩。
2设计依据及框图
2.1设计平台
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。
MATLAB是matrixlaboratory两个词的组合,意为矩阵工厂(矩阵实验室)。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。
编程环境
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件,其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB的用户界面也越来越精致,更加接近Windows的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
简单易用
MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言,它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步,也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的,因此语法特征与C++语言极为相似,而且更加简单,更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强,这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
强处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数,可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果,而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下,可以用它来代替底层编程语言,如C和C++。
在计算要求相同的情况下,使用MATLAB的编程工作量会大大减少。
MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵,特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。
函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
图形处理
MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能,以将向量和矩阵用图形表现出来,并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善,而且对于一些其他软件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等),MATLAB同样表现了出色的处理能力。
同时对一些特殊的可视化要求,例如图形对话等,MATLAB也有相应的功能函数,保证了用户不同层次的要求。
另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面(GUI)的制作上作了很大的改善,对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。
一般来说,它们都是由特定领域的专家开发的,用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。
领域,诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等,都在工具箱(Toolbox)家族中有了自己的一席之地。
程序接口
新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库,将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。
允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。
另外,MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。
MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。
工具箱是MATLAB函数的子程序库,每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的,主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。
应用软件开发
在开发环境中,使用户更方便地控制多个文件和图形窗口;
在编程方面支持了函数嵌套,有条件中断等;
在图形化方面,有了更强大的图形标注和处理功能,包括对性对起连接注释等;
在输入输出方面,可以直接向Excel和HDF5进行连接。
SIMULINK
SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。
SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
SIMULINK是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
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构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
SIMULINK与MATLAB紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.2设计思想
通过对四种异步电机的起动方式的不同设计仿真模型,按其起动方式的不同利用仿真模块进行仿真实验,并分析记录。
1、异步电动机直接起动时,起动电流大,起动转矩小,且伴随着机械和电气过渡过程,其理论分析十分复杂,通过仿真方法可以分析起动的过渡过程。
记录直接启动过程的定子绕组电流、转子电流、电磁转矩和电机转速的变化。
2、为减小起动电流可采用变压器降压起动,但起动电流降低的同时起动转矩也将降低。
记录电动机变压器降压起动过程的定子绕组电流、转子电流、电磁转矩和电动机转速的变化。
2.3设计结构框图或流程图
图1:
异步电机起动仿真方框图
N
Y
图2:
异步电机直接启动和变压器降压起动模拟仿真流程图
2.4各模块功能简介
鼠笼式三相异步电机模块变压器模块常量模块
交流电压源模块示波器模块三相断路器模块
电机测量单元输出端模块比例增益运算信号选择模块
3软件调试分析
3.1异步电机直接启动
直接起动也称为全压起动是最常用的起动方式,它是将电动机的定子绕组直接接入电源,在额定电压下起动,具有起动转矩大、起动时间短的特点。
1)仿真模型
2)参数设置
ACVoltageSource:
电压为220V,频率为50赫兹,相位依次为0度,240度,120度;
Constant:
电动机空载时设置其值为0,额定负载是设置其值为9.55*PN/nN,为25.5N.m;
AsynchronousMachineSIUnits:
RotorType为Squirrel-cage,Referenceframe为Stationary,Vn(Vrms)为380,fn(Hz)为50;
MachinesMeasurementDemux:
Machinetye选择Asynchronous,依次勾选Rotorcurrents,Statorcurrents,Rotorspeed,Electronmagntictorque
Gain:
设置为30/pi;
3-phaseBreaker:
Transitiontimes(s)依仿真情况进行合理设置。
3)实验步骤
1.连接好仿真模型并设置好各模块的参数,以及仿真时间;
2.点击仿真开始按钮,观察仿真波形,调节时间获取最好的波形;
3.使用out模块,并在command命令窗口使用编程绘图制作输出波形。
4)实验数据(示波器显示波形)
(1)空载情况下示波器波形
(2)转子电流波形
(3)定子电流波形
(4)电机转速波形
(5)电磁转矩波形
(6)额定负载情况下的波形图
(7)转子电流波形图
(8)定子电流波形图
(9)电机转速波形图
(10)电磁转矩波形图
3.2异步电机变压器降压启动
为减小起动电流可采用变压器降压起动,但起动电流降低的同时起动转矩也将降低。
电动机空载时设置其值为0,额定负载是设置其值为9.55*PN/nN;
Three-PhaseTransformer:
原边额定电压设置为380V,副边额定电压设置为220V。
(2)转子电流波形图
(3)定子电流波形图
(4)转子转速波形图
(5)电磁转矩波形图
(6)额定负载情况下示波器波形
(7)转子电流波形
(8)定子电流波形
(9)电机转速波形
(10)电磁转矩波形
3.3电机起动特性分析
(1)起动电流Ist
在刚起动时,由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速,磁力线切割转子导体的速度很快,这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流均很大,同时,定子电流必然也很大。
一般中小型鼠笼式电动机定子的起动电流可达额定电流的5~7倍。
注意:
在实际操作时应尽可能不让电动机频繁起动。
如在切削加工时,一般只是用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电机轴脱开,而不将电动机停下来。
(2)起动转矩Tst
电动机起动时,转子电流I2虽然很大,但转子的功率因数cosj2很低,由公式可知,电动机的起动转矩T较小,通常起动转矩小可造成以下问题:
(1)会延长起动时间。
(2)不能在满载下起动。
因此应设法提高。
但起动转矩如果过大,会使传动机构受到冲击而损坏,所以一般机床的主电动机都是空载起动(起动后再切削),对起动转矩没有什么要求。
综上所述,异步电机的主要缺点是起电流大而起转矩小。
因此,我们必须采取适当的起动方法,以减小起动电流并保证有足够的起转矩。
(3)直接起动
电动机直接启动的电流是正常运行的5倍左右,理论上来说,只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的,都可以直接启动。
这一要求对于小容量的电动机容易实现,所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的,不需要降压启动。
直接启动的优点:
是所需设备少,启动方式简单,成本低。
缺点:
对于大容量的电动机来说,一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件,另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机,影响电动机的使用寿命,对电网不利,所以大容量的电动机和不能直接启动的电动机都要采用降压启动。
(4)降压起动
变压器降压起动。
这种起动方法用于正常运行时定子绕组组接成星形而不能采用星形一三角形起动或容量较大的鼠笼式异步电动机,也适用于需要较大起动转矩的场合。
起动时自耦变压器高压端接电源,低压端接电动机,电动机便在低于额定电压下起动。
待电动机转速上升到接近额定转速时,再将自耦变压器脱离电源和电动机,电动机直接与电源相接,进入全压运行。
4结语
在现代化的生产和生活中,电动机一直起着十分重要的作用,无论是交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备,还是日常中的家用电器,都大量地使用各种各样的电动机。
因此,常常通过对电动机的控制来实现运动控制。
MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
通过这次为期一周的MATLAB课程设计,一方面,由于课程设计题目是关于鼠笼式三相异步电机的起动综合仿真,故而我在这个过程中了解和掌握了三相异步电机起动的两种方式,即直接起动和变压器降压起动。
直接起动又称为全压起动,使电动机最常用的起动方式,它是将电动机的定子绕组直接接入电网,在额定电压下起动,具有起动转矩大、起动时间短的特点。
对于一般的低功耗的小型电动机,直接起动是最简单、最经济和最可靠的起动方式。
另一方面,课题范围内,我们小组也模拟仿真了电动机的变压器降压起动。
变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。
待电动机启动后,再使电动机与自耦变压器脱离,从而在全压下正常运动。
自耦变压器的高压边投入电网,低压边接至电动机。
采用变压器降压起动有很多优点,可以按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择变压器的不同抽头实现降压启动,而且不论电动机的定子绕组采用Y或Δ接法都可以使用。
相对于直接起动,变压器降压起动一个显著的优点就是可以降低电动机的起动电流,这对于电机定子绕组的保护还是很重要的。
不过由于需要增加一个变压器,所以导致设备体积大,投资较贵,所以一般较少使用变压器降压起动这种起动方法。
4.1结论与讨论
在模拟仿真实验过程中,并不是一帆风顺手到擒来的,真的遇到很多问题。
小组同学一起讨论了一次又一次,来探讨仿真过程出现了哪些问题。
一开始,我们根本不了解怎么下手。
但我们小组成员一起查资料,在网络上搜索前人的作品,再仔细研究,然后我们开始逐渐了解了SIMULINK的操作使用规则和方法。
所谓磨刀不误砍柴工,在完全了解本次仿真实验的原理和操作方法后,我们很快就得到了实验数据。
但是,我们发现,不同版本的MATLAB软件,对应的SIMULINK里面的元件库的部分元件有很大的不同,有的遵循的是美国标准,有的则是中国标准。
所以我们一开始没有注意到,就导致了前期的工作都白做了,不得已,只能重新选择元件设定好参数后再做实验。
最终,我们得到了符合理论实际并且比较满意的仿真数据。
针对仿真得到的数据,作了一些分析,我们发现,直接起动在电机转速没有达到额定转速的时候,尤其在电源开启的一瞬间转速为零的时候,定子电流很大,4~5倍的额定电流,但电磁转矩却不是很大,但最终电机转速能很接近理想的空载转速。
而采用变压器降压起动后,相同的异步电动机,起动电流就明显小了很多,最终切换电压后也能达到额定转速。
当电机空载,接通电源后,电机在很快的时间内就达到额定转速。
达到额定转速后定子电流和转子电流很小,近似为零。
电磁转矩也很小,接近于零。
当给电动机接上额定负载,开启电源后,电机启动时间延长,最终电机转速不能达到额定转速,而定子电流和转子电流都呈现正弦变化趋势。
电磁转矩等于负载转矩。
综上所述,对于小型电动机,采用直接起动很简单、很经济,但对于中型电动机及以上,采用直接全压起动就存在很大的问题,起动电流很大甚至会烧坏定子绕组,故对于中型电机及以上多采用降压起动,而变压器降压起动是多种选择的一种。
参考文献
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高等教育出版社,1998.
致谢
早在几周前就知道会有这个课程设计,于是在之前复习准备考试的过程中就很用心地学习MATLAB软件和SIMULINK模块单元的操作使用技巧,所以此次对于课程设计,我还是比较得心应手的。
但经过自己真正的深入了解这款软件,发现自己所料记得永远都只是冰山一角而已。
MATLAB真的是一款非常强大的工具软件。
这次课程设计使我们对MATLAB的运用有了更深一步的理解,并且懂得了如何使MATLAB作为工具软件与其他学科相结合。
从SIMULINK的模块构建到最终的调试分析,我们从浅至深的了解了软件的运用,使课堂与实践相结合。
课程设计是我们大学生
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