毕业设计(论文)题目

基于 MATLAB 的调压调速控制系统仿真分析

学生姓名

班级

学号

研究目的和意义：

目的：本次基于 MATLAB 的调压调速控制系统仿真分析研究，旨在深入探究直流调压调速控制系统的优化与控制方法。通过对直流调压调速控制系统进行全面剖析，明确其主要组成部分及工作原理，利用 MATLAB 工具构建精确的系统模型。在此基础上，设计并仿真 PID 控制器，实现调压调速系统的闭环精准控制。运用传统根轨迹法或频域分析法对系统稳定性展开分析，确保系统在各种工况下稳定运行。通过确定可优化参数，借助 MATLAB 进行参数优化，提升系统性能。设置不同工况和负载变化情况进行系统仿真，监测并分析系统响应，总结系统在不同条件下的运行规律，为直流调压调速控制系统的实际应用提供理论依据和仿真参考，推动该领域技术发展。

意义：直流调压调速控制系统在工业生产中应用广泛，其性能直接影响生产效率和产品质量。本研究运用 MATLAB 进行仿真分析具有重要现实意义。一方面，通过 MATLAB 建模与仿真，能直观呈现系统运行状态，提前发现潜在问题，降低实际系统研发成本与风险，缩短研发周期。另一方面，PID 控制器设计与参数优化可提升系统控制精度和响应速度，增强系统稳定性与抗干扰能力，满足不同工业场景对调速的严格要求。此外，系统稳定性分析为保障设备安全运行提供理论支撑。研究成果有助于推动直流调压调速控制技术在更多领域的应用，促进工业自动化水平提升，对相关产业发展具有积极推动作用 。

相关国内外研究现状（文献综述）：

1.国内研究现状

（1）调速系统控制策略与优化

在国内，众多学者围绕调速系统的控制策略与参数优化展开了深入研究。李洪成（2023）在《基于变速率 - WOA 策略的水轮机调速系统 PID 参数优化及有功功率反调研究》中，针对水轮机调速系统，提出变速率 - WOA 策略对 PID 参数进行优化，有效解决了有功功率反调问题，提升了系统性能，为调速系统参数优化提供了新的思路和方法[2]。刘小娟等（2022）在《基于 GA 优化 PID 算法的液压机械容积调速系统控制仿真分析》中，运用遗传算法（GA）优化 PID 算法，对液压机械容积调速系统进行控制仿真分析，结果表明该优化算法能够显著提高系统的控制精度和响应速度[7]。金立军和洪琪旭（2021）在《一种基于 PSS 和模糊 PID 控制的运行工况波动下柴油发电机调速系统研究》中，将电力系统稳定器（PSS）与模糊 PID 控制相结合，应用于柴油发电机调速系统，有效应对了运行工况波动对系统的影响，增强了系统的稳定性和适应性[11]。

（2）不同类型电机的调速控制

对于不同类型电机的调速控制研究也取得了丰富成果。仲伟正等（2021）在《基于 CPLD 直流无刷电机驱动系统的调速控制分析》中，基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）对直流无刷电机驱动系统进行调速控制分析，实现了电机的高效调速控制，为直流无刷电机的应用提供了技术支持[3]。周志宇等（2021）在《基于二阶滑模的永磁同步电机直接转矩控制研究》中，采用二阶滑模控制策略对永磁同步电机进行直接转矩控制，提高了系统的鲁棒性和动态性能[4]。纪泽宇（2021）在《基于优化磁链观测器的直接转矩调速系统研究》中，通过优化磁链观测器，改善了直接转矩调速系统的性能，减少了转矩脉动[5]。程涛（2022）在《带式运输机用永磁同步电机 DTC 控制策略研究》中，针对带式运输机的应用需求，对永磁同步电机的直接转矩控制（DTC）策略进行研究，提高了运输机的运行效率和稳定性[9]。徐栋（2021）在《永磁同步电机调速系统的 SHEPWM 控制技术研究》中，研究了特定谐波消除脉宽调制（SHEPWM）控制技术在永磁同步电机调速系统中的应用，有效降低了电机运行过程中的谐波含量[13]。

（3）调速系统仿真与应用

在调速系统仿真与应用方面，国内学者也进行了大量探索。沈宗果等（2024）在《单轨吊起吊马达同步控制联合仿真分析》中，通过联合仿真分析单轨吊起吊马达的同步控制，为单轨吊的安全稳定运行提供了理论依据[6]。李春志等（2022）在《自适应变频调速棉田灌溉系统设计与仿真》中，设计了自适应变频调速棉田灌溉系统，并通过仿真验证了系统的可行性和有效性，为农业灌溉领域的自动化发展提供了参考[8]。李瑾（2022）在《双馈调速系统主电路设计与仿真》中，对双馈调速系统的主电路进行设计与仿真，为双馈调速系统的实际应用提供了设计思路和仿真验证[10]。周九岭等（2021）在《六脉波双变量交交变频器有级变频调压调速的研究》中，研究了六脉波双变量交交变频器的有级变频调压调速方法，拓展了变频调速技术的应用范围[12]。张磊（2021）在《船舶岸电双向并网控制关键技术研究》中，虽然主要研究船舶岸电双向并网控制，但其中涉及的调压调速控制技术也为相关领域的研究提供了借鉴[1]。

2.国外研究现状

（1）调速系统控制与仿真

国外在调速系统控制与仿真方面的研究也十分活跃。Liu Z（2025）在《Simulation and analysis of speed current double closed - loop DC speed regulation system based on MATLAB》中，基于 MATLAB 对直流调速系统的速度电流双闭环控制进行仿真分析，深入研究了系统的动态性能和稳定性，为直流调速系统的设计与优化提供了重要的仿真依据[14]。Ren X 和 Jin K（2024）在《Adaptive PID Control for Autonomous Vehicle Motor Regulation: Design and Simulation Using MATLAB》中，针对自动驾驶汽车电机调节，设计了自适应 PID 控制器，并利用 MATLAB 进行仿真，结果表明该控制器能够有效提高电机的调节性能，满足自动驾驶汽车的需求[15]。

（2）调压系统建模与仿真

在调压系统建模与仿真方面，Chernyshov A E 和 Yushkova I A（2022）在《Model of a smooth contactless (reactor) system for regulation of voltage in the MATLAB Simulink environment》中，在 MATLAB Simulink 环境下建立了平滑无接触（电抗器）调压系统的模型，为调压系统的设计和分析提供了便捷的仿真平台，有助于深入理解调压系统的工作原理和性能特点[16]。

3.总结

综合国内外研究现状可知，在调速系统领域，国内外学者在控制策略与优化、不同类型电机的调速控制、调速系统仿真与应用等方面取得了众多成果。国内研究更侧重于实际应用中的具体问题解决和系统性能提升，结合国内工业、农业等领域的实际需求，开展了大量针对性的研究。国外研究则在调速系统的基础理论、先进控制算法的设计与仿真验证等方面具有一定优势，注重从理论层面深入探究调速系统的本质特性。然而，目前针对基于 MATLAB 的直流调压调速控制系统，从建模、PID 控制器设计与仿真、系统稳定性分析、参数优化与性能评价以及系统仿真结果分析等方面进行全面系统研究的成果相对较少。因此，本研究具有一定的创新性和实际应用价值，有望为直流调压调速控制系统的优化和控制提供新的理论支持和实践指导。

研究主要内容及方法：

1.主要方法：

（1）文献研究法

广泛查阅国内外调速、调压系统相关学术文献、报告及行业资讯，聚焦基于 MATLAB 的系统仿真、控制策略优化、不同电机调速调压技术成果。梳理分析文献，明晰该领域研究现状、趋势与问题，为研究提供理论支撑，确定方向重点。

（2）建模与仿真法

借助 MATLAB/Simulink 构建直流调压调速控制系统详细模型，依物理特性与原理精准设置模块参数，保证模型反映实际运行。通过仿真模拟不同工况动态响应，获取响应时间等性能指标数据，为系统分析优化提供依据。

PID 控制算法设计与优化法

设计适用于该系统的 PID 控制器，依系统特点与性能要求确定初始参数。运用遗传等优化算法优化参数，提升控制精度、稳定性与动态性能。对比优化前后仿真结果，验证优化算法效果。

（3）系统稳定性分析法

采用劳斯 - 赫尔维茨判据、奈奎斯特判据等经典方法，分析系统特征方程或频率特性，判断不同参数与工况下稳定性，找出关键影响因素，为系统设计优化提供理论指引，保障稳定运行。

（4）参数优化与性能评价法

以性能指标为优化目标，用优化算法进一步优化系统关键参数。建立科学合理性能评价体系，综合考量稳定性等多方面，全面评价优化前后系统性能，为实际应用提供参考。

2.主要内容：

（1）直流调压调速控制系统建模

深入研究直流调压调速控制系统的工作原理和物理结构，分析系统中各个组成部分的特性和相互关系。基于 MATLAB/Simulink 环境，建立系统的详细数学模型，包括电源模块、电机模块、调压调速控制模块等。在建模过程中，充分考虑系统的非线性因素和实际工况的影响，确保模型的准确性和可靠性。通过仿真实验，验证所建模型是否能够正确反映实际系统的运行特性，为后续的研究工作奠定基础。

（2）PID 控制器设计与优化

根据直流调压调速控制系统的性能要求，设计合适的 PID 控制器结构，并确定初始参数。运用遗传算法、粒子群优化算法等先进的优化算法，以系统的性能指标为优化目标，对 PID 控制器的参数进行优化。通过多次仿真实验，比较不同优化算法的优化效果，选择最优的优化算法和参数组合。分析优化前后 PID 控制器的控制性能，如控制精度、响应速度、稳定性等，验证优化算法对系统性能的提升作用。

（2）系统稳定性分析

运用经典的控制理论方法，对直流调压调速控制系统的稳定性进行深入分析。通过分析系统的特征方程，利用劳斯 - 赫尔维茨判据判断系统在不同参数和工作条件下的稳定性。同时，绘制系统的奈奎斯特曲线，运用奈奎斯特判据进一步验证系统的稳定性。找出影响系统稳定性的关键因素，如系统参数、负载变化等，并提出相应的改进措施，确保系统在各种工况下都能稳定运行。

（3）系统参数优化与性能评价

以系统的性能指标为优化目标，如最小化响应时间、超调量和稳态误差等，运用优化算法对系统的关键参数进行全面优化。在优化过程中，考虑系统的稳定性和实际应用的可行性，对参数的优化范围进行合理限制。建立一套科学合理的系统性能评价体系，综合考虑系统的稳定性、动态性能、控制精度等多个方面，对优化前后的系统性能进行全面评价。通过对比分析，验证参数优化对系统性能的提升效果，为系统的实际应用提供可靠的参考依据。

（4）仿真结果分析与实际应用探讨

对直流调压调速控制系统的仿真结果进行详细分析，包括系统的动态响应过程、性能指标变化情况等。总结系统在不同工况下的运行特点和规律，发现系统中存在的问题和不足之处。结合实际应用需求，探讨研究成果在实际工程中的应用前景和可行性，提出相应的应用建议和改进措施。若条件允许，搭建实际实验平台进行实验验证，进一步验证研究成果的正确性和有效性，为直流调压调速控制系统的实际应用提供技术支持和理论指导。

参考文献：

[1] 张磊.船舶岸电双向并网控制关键技术研究[D].江苏科技大学,2021.

[2] 李洪成.基于变速率-WOA策略的水轮机调速系统PID参数优化及有功功率反调研究[D].昆明理工大学,2023.

[3] 仲伟正,刘曰涛,毛薪然,等.基于CPLD直流无刷电机驱动系统的调速控制分析[J].机床与液压, 2021, 49(1):6.

[4] 周志宇,文定都,张阳,等.基于二阶滑模的永磁同步电机直接转矩控制研究[J].  2021.DOI:10.3969/j.issn.1673-9833.2021.02.004.

[5] 纪泽宇.基于优化磁链观测器的直接转矩调速系统研究[J].甘肃联合大学学报（自然科学版）, 2021, 035(001):60-64.

[6] 沈宗果,张锐丽,吴凯.单轨吊起吊马达同步控制联合仿真分析[J].液压与气动, 2024, 48(3):43-50.DOI:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.03.007.

[7] 刘小娟,夏运东,李刚,等.基于GA优化PID算法的液压机械容积调速系统控制仿真分析[J].锻压技术, 2022(003):047.DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2022.03.027.

[8] 李春志,张立新,胡雪,等.自适应变频调速棉田灌溉系统设计与仿真[J].农机化研究, 2022, 44(4):105-109.DOI:10.3969/j.issn.1003-188X.2022.04.018.

[9] 程涛.带式运输机用永磁同步电机DTC控制策略研究[D].西安科技大学,2022.

[10] 李瑾.双馈调速系统主电路设计与仿真[J].冶金设备, 2022(003):000.

[11] 金立军,洪琪旭.一种基于PSS和模糊PID控制的运行工况波动下柴油发电机调速系统研究[J].电机与控制应用, 2021, 48(12):9.DOI:10.12177/emca.2021.144.

[12] 周九岭,孟娟娟,李玉东.六脉波双变量交交变频器有级变频调压调速的研究[J].电子科技, 2021(011):034.

[13] 徐栋.永磁同步电机调速系统的SHEPWM控制技术研究[D].大连交通大学,2021.

[14]  Liu Z .Simulation and analysis of speed current double closed-loop DC speed regulation system based on MATLAB[J].IET Conference Proceedings, 2025, 2024(19):40-48.DOI:10.1049/icp.2024.3960.

[15]  Ren X , Jin K .Adaptive PID Control for Autonomous Vehicle Motor Regulation: Design and Simulation Using MATLAB[J].2024 8th International Workshop on Control Engineering and Advanced Algorithms (IWCEAA), 2024:43-46.DOI:10.1109/iwceaa63616.2024.10824027.

[16]  Chernyshov A E , Yushkova I A .Model of a smooth contactless (reactor) system for regulation of voltage in the MATLAB Simulink environment[J].Innotrans, 2022.DOI:10.20291/2311-164x-2022-3-57-61.

指导教师意见：

指导教师签字：

年   月   日