MATLAB-求解二阶微分复杂方程组(电机控制)

文章详细介绍了永磁同步电机在高频情况下的电压方程简化过程,利用MATLAB进行方程组求解,并展示了复杂的数学表达式,讨论了如何处理高频响应和电阻压降。通过求解得到d轴和q轴的电流响应,强调了高频响应和轴间耦合的重要性。

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一、理论分析

已知永磁同步电机的电机d、q轴电压方程为
永磁同步电机电压方程
在d、q轴分别注入不同频率,不同幅值的高频正弦电压信号
在这里插入图片描述
由于在高频下, 此项在电机运行的稳态过程中可以看做是直流项,因此此项可以忽略,则电压方程的高频模型变为
在这里插入图片描述
同时,注入电压信号幅值一般为5V~15V,得到的电流响应幅值为0.01pu(额定电流为21A的电机,的高频响应电流幅值仅为0.2A),并且该信号是由多个频率的正弦信号合成的复杂信号,因此电阻压降可以忽略掉,上式简化为
在这里插入图片描述
因此该问题成为求解此方程组

二、MATLAB求解方程组

clear
syms Udh Uqh w1 w2 t
syms Ld Lq we  idh iqh


[x,y] = dsolve('Udh*sin(w1*t) = Ld*Didh+we*Lq*iqh', ...
    'Uqh*sin(w2*t) = Lq*Diqh-we*Ld*idh','t');
    
    %转为LaTeX格式便于Markdown文件展示
 latex(x)
latex(y)

得到的公式为:
− L q   e − t   w e   1 i   ( C 1 + ( − U d h   w 1   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 + U q h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q )   1 i L d + L q   e t   w e   1 i   ( C 2 + ( U d h   w 1   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 − U q h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q )   1 i L d -\frac{\mathrm{Lq}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{1}+\frac{\left(-\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right)\,1{}\mathrm{i}}{\mathrm{Ld}}+\frac{\mathrm{Lq}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{2}+\frac{\left(\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}-\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right)\,1{}\mathrm{i}}{\mathrm{Ld}} LdLqetwe1i C1+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1i+w22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i 1i+LdLqetwe1i C2+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1iw22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i 1i
e − t   w e   1 i   ( C 1 + ( − U d h   w 1   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 + U q h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q ) + e t   w e   1 i   ( C 2 + ( U d h   w 1   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 − U q h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q ) {\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{1}+\frac{\left(-\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right)+{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{2}+\frac{\left(\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}-\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right) etwe1i C1+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1i+w22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i +etwe1i C2+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1iw22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i
可以看出非常复杂
需要采用matlab内置函数进行简化

simplify(x)
simplify(y)
latex(x)
latex(y)

建议参考链接: link
化简之后的公式为
− L q   e − t   w e   1 i   ( C 1 + ( − U d h   w 1   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 + U q h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q )   1 i L d + L q   e t   w e   1 i   ( C 2 + ( U d h   w 1   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 − U q h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q )   1 i L d -\frac{\mathrm{Lq}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{1}+\frac{\left(-\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right)\,1{}\mathrm{i}}{\mathrm{Ld}}+\frac{\mathrm{Lq}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{2}+\frac{\left(\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}-\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right)\,1{}\mathrm{i}}{\mathrm{Ld}} LdLqetwe1i C1+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1i+w22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i 1i+LdLqetwe1i C2+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1iw22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i 1i
e − t   w e   1 i   ( C 1 + ( − U d h   w 1   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 + U q h   w e   e t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q ) + e t   w e   1 i   ( C 2 + ( U d h   w 1   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 1 ) w 1 2 − w e 2 + U q h   w 2   e − t   w e   1 i   cos ⁡ ( t   w 2 )   1 i w 2 2 − w e 2 + U d h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 1 )   1 i w 1 2 − w e 2 − U q h   w e   e − t   w e   1 i   sin ⁡ ( t   w 2 ) w 2 2 − w e 2 )   1 i 2   L q ) {\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{1}+\frac{\left(-\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right)+{\mathrm{e}}^{t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\left(C_{2}+\frac{\left(\frac{\mathrm{Udh}\,w_{1}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{1}\right)}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Uqh}\,w_{2}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\cos\left(t\,w_{2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}+\frac{\mathrm{Udh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{1}\right)\,1{}\mathrm{i}}{{w_{1}}^2-{\mathrm{we}}^2}-\frac{\mathrm{Uqh}\,\mathrm{we}\,{\mathrm{e}}^{-t\,\mathrm{we}\,1{}\mathrm{i}}\,\sin\left(t\,w_{2}\right)}{{w_{2}}^2-{\mathrm{we}}^2}\right)\,1{}\mathrm{i}}{2\,\mathrm{Lq}}\right) etwe1i C1+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1i+w22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i +etwe1i C2+2Lq(w12we2Udhw1etwe1icos(tw1)+w22we2Uqhw2etwe1icos(tw2)1i+w12we2Udhweetwe1isin(tw1)1iw22we2Uqhweetwe1isin(tw2))1i
由于matlab并不能很好的按照想要的方式合并公式中的同类项,还需要手动化简:
对这个方程组进行求解,可以得到d轴方程的通解为
在这里插入图片描述
d轴方程的特解为
在这里插入图片描述
解得q轴方程的通解为
在这里插入图片描述
Q轴方程的特解为
在这里插入图片描述

总结

dq轴的两个初值项在同步旋转轴系下是直流项,旋转方向不同,特解项包含高频响应分量以及dq轴之间的耦合响应分量。因此,与初值有关的通解可以忽略,可以得到
在这里插入图片描述

### 三阶龙格-库塔法(ode45)求数值解 在 MATLAB 中,对于复杂的二阶二元微分方程组,通常采用 `ode45` 函数进行数值求解。`dsolve` 更适用于符号解析解,而当函数形式复杂、难以化简时,应优先使用数值方法[^1]。 #### 步骤一:将高阶方程转换为一阶系统 MATLAB 的 `ode45` 只能直接处理一阶常微分方程组。因此,需要将二阶微分方程组转化为等效的一阶系统。 假设待求的二阶二元微分方程组如下: $$ \begin{cases} \ddot{x} = f(x, \dot{x}, y, \dot{y}, t) \\ \ddot{y} = g(x, \dot{x}, y, \dot{y}, t) \end{cases} $$ 引入状态变量: $$ x_1 = x,\quad x_2 = \dot{x},\quad y_1 = y,\quad y_2 = \dot{y} $$ 则原系统可改写为一阶形式: $$ \begin{cases} \dot{x}_1 = x_2 \\ \dot{x}_2 = f(x_1, x_2, y_1, y_2, t) \\ \dot{y}_1 = y_2 \\ \dot{y}_2 = g(x_1, x_2, y_1, y_2, t) \end{cases} $$ #### 步骤二:编写 ODE 函数 定义一个函数用于描述该一阶系统。例如: ```matlab function dydt = myODE(t, Y) % Y = [x1, x2, y1, y2] x1 = Y(1); x2 = Y(2); y1 = Y(3); y2 = Y(4); % 定义 f 和 g,此处仅为示例 dx2dt = -2*x2 + sin(y1); % 示例 f(x, dx/dt, y, dy/dt, t) dy2dt = -x1^2 + cos(t); % 示例 g(x, dx/dt, y, dy/dt, t) dydt = [x2; dx2dt; y2; dy2dt]; end ``` #### 步骤三:调用 ode45 求解 设定初始条件和时间区间,并调用 `ode45` 进行求解: ```matlab % 初始条件 [x(0), dx/dt(0), y(0), dy/dt(0)] Y0 = [0; 1; 0; 0.5]; % 时间区间 tspan = [0, 10]; % 调用 ode45 [t, Y] = ode45(@myODE, tspan, Y0); % 提取结果 x = Y(:, 1); y = Y(:, 3); % 绘图 plot(t, x, 'b', t, y, 'r'); legend('x(t)', 'y(t)'); xlabel('Time'); ylabel('Solution'); ``` #### 注意事项 - 如果 `f` 和 `g` 包含复杂的三角函数、多项式或分式表达式,可在 `myODE` 中按实际物理模型编写。 - 若涉及参数依赖,可通过嵌套函数或匿名函数方式传递额外参数。 - 对于大规模问题,建议使用 `odeset` 设置相对误差和绝对误差容限以提高精度。 ---
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