直流电机Simulink闭环控制仿真模型

资 源 简 介

本模型是基于MATLAB/Simulink环境构建的完整闭环控制系统，旨在研究和优化直流电机在不同工况下的动态性能。该项目核心实现了对他励直流电机的数学建模，精确模拟了电枢电路的电磁过程和转轴的力学特性。 利用控制系统工具箱，模型通过PID控制器对转速进行精确调节。用户可以在仿真过程中模拟加负载、减负载以及设定转速跃变等多种扰动情况，以验证控制算法的鲁棒性。 该系统不仅包含基础的开环与闭环控制逻辑，还集成了参数辨识模块，允许研究人员根据实际电机的电感、电阻、转动惯量及电动势常数进行个性化仿真设置。 应用场

详 情 说 明

直流电机控制系统仿真模型

项目介绍

本项目提供了一个基于 MATLAB 环境开发的直流电机闭环控制系统仿真框架。该系统通过数学建模手段模拟了他励直流电机的电磁转矩产生过程、电枢回路的电感电阻特性以及转轴的机械动力学行为。项目集成了一个具备抗饱和功能的 PID 控制器，用于实现转速的精确跟踪，并能够验证系统在目标转速突变和外部负载扰动下的稳定性和鲁棒性。

功能特性

1. 闭环转速控制：利用比例-积分-微分（PID）算法对电机转速进行实时反馈调节。
2. 多工况模拟：系统预设了多阶段仿真场景，包括转速指令的阶跃上升、阶跃下降以及突加负载扭矩的扰动测试。
3. 动态物理建模：通过微分方程精确描述电枢电流的电感响应和转子的转动惯量响应。
4. 性能自动评价：仿真完成后，系统会自动计算并输出上升时间（10%至90%）、超调量百分比以及稳态误差等关键指标。
5. 多维度可视化：实时生成转速追踪、电枢电流波动及控制器输出电压的三路波形对比图。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件环境。
2. 将项目相关的脚本文件放置于 MATLAB 的当前工作路径下。
3. 在命令行窗口运行仿真主程序，或者在编辑器中直接点击运行按钮。
4. 仿真结束后，程序会自动弹出波形窗口，并在控制台打印详细的系统性能分析报告。

系统要求

• MATLAB R2016a 或更高版本。
• 基础 MATLAB 环境（无需特定工具箱，代码采用数值离散化实现）。

逻辑实现说明

1. 参数定义与初始化

仿真开始时首先确立电机的物理属性。电枢电阻设定为 2.0 Ohm，电感为 0.1 H。机械部分设定转动惯量为 0.02 kg·m²，粘滞摩擦系数为 0.01 N·m·s。通过转矩常数和反电动势常数（均设定为 0.5）将电学系统与机械系统耦合。同时限制控制器的最大输出电压为 220V。

2. 工况计划

仿真总时长为 5 秒，步长设定为 0.001 秒。

• 转速指令：在 0.5 秒时从 0 跃升至 150 rad/s，在 2.5 秒时下调至 100 rad/s。
• 负载扰动：在 3.5 秒时，系统会突加一个 5 N·m 的外部负载，以测试控制器的抗扰能力。

3. PID 控制算法逻辑

控制器采用离散 PID 实现。在每个时间步长内：

• 计算当前转速误差。
• 累加误差项（积分）并计算变化率（微分）。
• 输出控制电压，并采用硬截断方式实现抗饱和（Saturation）逻辑，确保电压处于 [-220V, 220V] 范围内。

4. 数值建模算法（欧拉法）

系统通过一阶前向欧拉法解算电机的双状态空间方程：

• 电学方程：电流变化率取决于电压输入、电阻压降和反电动势。
• 机械方程：角加速度取决于电磁转矩、摩擦阻力以及外部负载。

每一时刻的电流和转速状态根据上一时刻的导数结果进行迭代更新。

5. 指标分析与评估

针对 0.5 秒时的首次阶跃响应，系统会截取相应时间段的数据：

• 上升时间：计算实际转速从目标值的 10% 到达 90% 所需的时间跨度。
• 超调量：计算实际转速峰值超出稳态值的比例。
• 稳态偏差：评估系统进入准稳态后的精度。

6. 数据可视化

仿真结果通过三个子图展现：

• 第一图显示期望转速与实际转速的跟随曲线，并动态标注性能指标。
• 第二图实时监测电枢电流，显示电机起动时的浪涌电流及负载变化时的补偿电流。
• 第三图记录控制器的输出电压，反映 PID 器件的出力情况。