交直流调速系统与MATLAB仿真 绪论
毕业设计基于MATLABSIMULINK的交流电动机调速系统仿真
1 绪论1.1课题研究背景及目的研究背景直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能;在相当长时期内,高性能的调速系统几乎都是直流调速系统;尽管如此,直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向和在恶劣环境下的不适应问题,同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难,这就限制了直流拖动系统的进一步发展;交流电动机自1985年出现后,由于没有理想的调速方案,因而长期用于恒速拖动领域;20世纪70年代后,国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题,使得交流调速系统得到了迅速的发展,现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统;目前,交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性,其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美;与直流调速系统相比,交流调速系统具有以下特点：（1）容量大；（2）转速高且耐高压；（3）交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小,且结构简单、经济可靠、惯性小；（4）交流电动机环境使用性强,坚固耐用,可以在十分恶劣的环境下使用；（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；（6）交流调速系统能显著的节能；从各方面看,交流调速系统最终将取代直流调速系统;1.1.1研究目的本课题主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行仿真,由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性;本文重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究,认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响,认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境;在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度;电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响;因此,调速技术一直是研究的热点12;而交流调速系统凭着其绝对的优势,最终必将取代直流调速系统3;近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础;交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高4;目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,交流变频调速装置的生产大幅度上升;在日本,1975年在调速领域,直流占80%,交流占20%；1985年交流占80%,直流占20％5;到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机外,几乎所有的调速系统都采用变频装置67;计算机仿真技术在交流调速系统的应用,使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便;传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模,其直观性、灵活性差,编程量大,操作不便;随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现,实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现8;如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程;matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究,能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率;随着新型计算机仿真软件的出现,交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步910;交流调速技术发展到今天,相对而言已经比较成熟,在工业中得到了广泛的应用,但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现,工业应用对交流调速系统又提了新的要求,现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔;20世纪80年代中期研制开发出一种新型交流调速系统——开关磁阻电动机调速系统,它将新型的电机、现代电力电子技术与控制技术融为一体,形成一个典型的机电一体化的调速系统;由于它在效率、调速性能和成本方面都具有一定的优势,已成为当代电力拖动的一个热门课题,将会在调速领域占有一席之地;交流调速的控制策略近年来发展非常迅速,诸如转差矢量控制,自适应控制磁通自适应、断续电流自适应、参数自适应等模型参考自适应控制,状态观测器磁通观测器、力矩观测器等,为补偿速度降以提高精度的前馈控制,以节能、平稳、快速等为目标函数的优化控制,线性二次型积分控制,滑模变结构控制,直接转矩控制及模糊控制等已见诸国内外有关文献及杂志中论文主要工作1.分析各种调速系统在实际运用中的优缺点,分析各种调速方式适用的场合;2.重点分析掌握三相交流调压调速原理,机械特性等,然后对其进行MATLAB的仿真实现,通过修改系统各部分的参数,可以输出稳定的波形;根据示波器输出结果,对系统的性能进行分析;论文章节安排第一章绪论：主要介绍本课题的研究背景和研究内容,以及交流调速系统在国内外的发展和前景展望；介绍了文章的主要工作安排以及论文章节安排;第二章交流调速系统：比较交流调速系统的各种调速方案,重点分析了交流调压调速系统的原理及机械特性,及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系统进行了重点的研究分析;第三章交流调压调速系统的MATLAB仿真：运用MATLAB的SIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置,最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型,并对其进行了仿真分析和研究,给出仿真结果,通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模型的正确性;第四章结论：对全文进行总结,指明异步电动机调压调速系统的发展方向;2 交流调速系统原理与特性交流调速系统交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类;对交流异步电动机而言,其转速为：()min /)1(60r ps f n -= 2-1 从转速公式可知改变电动机的极对数p ,改变定子供电功率f 以及改变转率s 都可达到调速的目的;对同步电动机而言,同步电动机转速为：()min /601r pf n = 2-2 由于实际使用中同步电动机的极对数p 是固定的,因此只有采用变压变频VVVF 调速,即通常说的变频调速;运用到实际中的交流调速系统主要有：变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统1;1变极调速系统：调旋转磁场同步速度的最简单办法是变极调速;通过电动机绕组的改接使电机从一种极数变到另一种极数,从而实现异步电动机的有级调速;变极调速系统所需设备简单,价格低廉,工作也比较可靠,但它是有级调速,一般为两种速度,三速以上的变极电机绕组结构复杂,应用较少;变极调速电动机的关键在于绕组设计,以最少的线圈改接和引出头以达到最好的电机技术性能指标;2串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法;改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获得不同斜率的机械特性,从而实现速度的调节;这种方法简单方便,但调速是有级的,不平滑,并且转差功率消耗在电阻发热上,效率低;自大功率电力电子器件问世后,采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送转差功率的任务,这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统;转子回路中引入附加电势不但可以改变转子回路的有功功率——转差功率的大小,而且还可以调节转子电流的无功分量,即调节异步电动机的功率因数;3调压调速系统：异步电动机电机转矩与输入电压基波的平方成正比,所以改变电机端电压基波可以改变异步电动机的机械特性以及它和负载特性的交点,来实现调速;异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法;在20世纪50年代以前一般采用串饱和电抗器来进行调速;近年来随着电力电子技术的发展,多采用双向晶闸管来实现交流调压;用双向晶闸管调压的方法有两种：一是相控技术,二是斩波调压;采用斩波控制方法可能调速不够平滑,所以在异步电机的调压控制中多用相控技术;但是采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波,会引起附加损耗,产生转矩脉动15;4变频调速系统：在各种异步电机调速系统中,效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统;变压变频调速系统在调速时,须同时调节定子电源的电压和频率,在这种情况下,机械特性基本上平行移动,转差功率不变,它是当前交流调速的主要方向16;调压调速系统的优点是线路简单,价格便宜,使用维修方便,本文主要针对交流调压调速系统进行MATLAB仿真;下面对交流调压调速系统的原理及机械特性进行介绍;交流异步电动机调压调速系统三相交流调压电路交流调压调速需要三相交流调压电路,晶闸管三相交流调压电路的接线方式很多,工业上常用的是三相全波星形连接的调压电路;如图所示;这种电路的接法特点是负载输出谐波分量低,适用于低电压大电流的场合11;图三相全波星形连接的调压电路要使得该电路正常工作,必须满足下列条件：1在三相电路中至少有一相的正向晶闸管与另一相得反相晶闸管同时导通;2要求采用脉冲或者窄脉冲触发电路;3为了保证输出电压三相对称并且有一定的调节范围,要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外,各个触发信号之间还必须严格的保持一定的相位关系;即要求U、V、W三相电路中正向晶闸管即在交流电源为正半周时工作的晶闸管的触发信号相位互差120°,三相电路中的反向晶闸管的触发信号相位互差120°；在同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°;由上面结论,可得三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT 1、VT 2、VT 3、VT 4、VT 5、VT 6、VT 1以此类推;相邻两个晶闸管的触发信号相位差60°;在晶闸管交流调压中,晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断,不需要另加换流装置,故线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉,从而得到广泛的应用;调压调速原理根据异步电动机的机械特性方程式()()[]2'21212'211'221'22'211//33l l M L L s R R s R pU s R I P P T +++==Ω=ωωω 2-3其中 p ——电动机的极对数1U 、1ω——电动机定子相电压和供电角频率s ——转差率1R 、'2R ——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻11L 、'12L ——定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见,当转差率s 一定时,电磁转矩T 与定子电压1U 的平方成正比;改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性,如图所示;在带恒转矩负载L T 时,可以得到不同的稳定转速,如图中的A,B,C 点,其调速范围较小,而带风机泵类负载时,可得到较大的调速范围,如图中的D,E,F 点;S S L m图 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速,就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩T ,可得到较大的调速范围,从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的13;为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围,使电机在较低速下稳定运行又不致过热,可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性;在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性;图显示此类电动机的调速范围增大了,而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电;动机14图交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性闭环控制的调压调速系统系统的组成及其静特性异步电动机调压调速时,采用普通电机的调速范围很窄；并且在低速运行时候稳定性很差,在电网电压、负载有扰动时候会引起较大的转速变化;解决这些矛盾的根本方法是采用带转速负反馈的闭环控制,以达到自动调节转速的目的;在调速要求不高的情况下,也可采用定子电压负反馈闭环控制;图a是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图,图b是相应的调速系统静特性;如T在A点稳定运行,当负载增大导致转速下降时,通过转速反馈控制作用提果系统带负载L高定子电压,使得转速恢复,即在新的一条机械特性上找到了工作点A';同理,当负载减小使得转速升高时,也可以得到新的工作点A'';将工作点A''、A、A'连起来就是闭环系统的静特性1;M3a 原理图L e min 1Ub 静特性图 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统在额定电压N U 1下的机械特性和最小电压min 1U 下的机械特性是闭环系统静特性左右两边的极限,当负载变化达到两侧的极限时,闭环系统便失去控制能力,回到开环机械特性上工作14;对图a所示的系统,可画出系统静态结构图,见图所示：ASRL T -图 异步电动机调压调速系统的静态结构图图中：ctS U U K 1=----晶闸管交流调压器VVC 和触发装置GT 的放大系数； ct U ----触发装置的控制电压；n U n /=α----为转速反馈系数；n U ----测速发电机TG 输出的反馈电压;转速调节器ASR 采用PI 调节器；()T U f n ,1=是由式2-3描述的异步电动机械特性方程,它是一个非线性函数;近似的动态结构图异步电动机调压调速的近似动态结构图如下所示：U 图 异步电动机调压调速系统的近似动态结构图图中各环节的传递函数为:1 转速调节器ASR常用PI 调节器消除静差并改善动特性,其传递函数为：()ST S T K S W n n n ASR 1+= 2-4 2 晶闸管交流调压器和触发装置GT-V假定该环节输入输出关系是线性的,在动态中可近似为一阶惯性环节,其近似条件与晶闸管触发与整流装置一样;本环节传递函数可表示为:()1+=-TsS K S W S V GT 2-5 3 测速反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用, 传递函数为:()1+=S T S W on FBS α2-64 异步电动机MA由于描述异步电动机动态过程是一组非线性微分方程,只用一个传递函数来准确的表示异步电动机在整个调速范围内的输入输出关系式不可能的;只有做出一定的假设,并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数;3 交流调压调速系统的MATLAB仿真系统的建模和模型参数设置主电路的建模和参数设置主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电机信号分配器等部分组成;下面分别讨论三相交流电源、三相交流调压器、同步脉冲触发器、交流异步电动机、电机测试信号分配器的建模和参数设置问题16;三相交流电源的建模和参数设置首先从图中的电源模块组中选取一个交流电压源模块,再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块,并把模块名称分别修改成A相、B相、C相;然后从图中的链接器模块组中选取“ground”元件也复制成三份,按图所示连接即可图Simulink中的电源模块图Simulink中的连接模块图三相交流电源的模型为了得到三相对称交流电压源,对其参数设置：双击A相交流电压源图标打开参数设置对话框,A相得参数设置分别是：幅值peak amplitude取220V、初相位Phase设置成 0、频率Frequency设置为50HZ,其他为默认值;B、C的参数设置方法与A相相同,除了将初相位设置成互差120以外,其它参数都与A相相同;由此可得到三相对称交流电源4;3.1.1.2晶闸管三相交流调压器的建模与参数设置晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成,单个晶闸管元件采用“相位控制”方式,利用电网自然换流;图中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型;图晶闸管三相交流调压器仿真模型子系统触发脉冲的顺序为V1－V2－V3－V4－V5－V6,其中V1－V3－V5之间和V4－V6－V2之间互差120度,V1－V4之间、V3－V6之间、V5－V2之间互差180度;双击晶闸管对话框得到晶闸管参数设置图,根据图中要求及系统要求对其进行参数设置如下：电阻Resistance Ron：40 Ω；电感Inductance Lon：0H；正向电压Forward voltage Vf：;初始电流Initial current Ic：0A；缓冲器电阻Subber resistance Rs：1200Ω；μ;缓冲器电容Subber capacitance Cs：250 F上图是用单个晶闸管元件按三相交流调压器的接线要求搭建成仿真模型的,单个晶闸管的参数设置仍然遵循晶闸管整流桥的参数设置原则,具体如下：如果针对某个具体的变流装置进行参数设置,对话框中的参数应取默认值进行仿真,若仿真结果理想,就可认可这些设置的参数,若仿真结果不理想,则通过仿真实验,不断进行参数优化,最后确定其参数;这一参数设置原则对其它环节的参数设置也是适用的18;在使用Simulink进行系统仿真分析时,首先需要进行模块参数设置,因此需要对系统中所有模块进行正确的参数设置;如果逐一的对各个系统进行参数设置时很繁琐的,因为子系统一般均为具有一定功能的模块组的集合,在系统中相当于一个单独的模块,具有特定的输入和输出关系;对于已经设计好的子系统而言,能够像Simulink模块库中的模块一样进行参数设置,则会给用户带来很大的方便,这时用户只需要对子系统参数选项中的参数进行设置,无需关心子系统的内部模块的实现;具体封装步骤如下：选择需要封装的子系统Subsystem,然后单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择Mask Subsystem项,或者单击Edit-Mask Subsystem项19;这时将出现图中所示的封装编辑器;使用封装编辑器子系统中的图标、参数初始化设置对话框以及帮助文档,从而可使使用户设计出非常友好的模块界面,以充分发挥Simulink的强大功能;打开Mask editor:Subsystem对话框,如图所示;使用此编辑器可以对封装后的子系统进行各种编辑;在默认情况下,封装子系统不使用图标;但友好的子系统图标可使子系统的功能一目了然;为了增强封装子系统的界面友好性,用户可以自定义子系统模块的图标;只需在途中编辑对话框中的“图标和端口”选项卡中“绘制命令”栏中使用MATLAB 中相应便可以绘制模块图标,并可设置不同的参数控制图标界面的显示20;图 子系统封装编辑器下图为晶闸管三相交流调压器子系统封装图如下所示：aU bU cU a bcP图 三相交流调压器子系统封装图图中,Ua,Ub,Uc 分别连接三相交流电源的三相,P 连接从脉冲触发器出来的触发脉冲,输出a,b,c 分别连接交流电动机的A,B,C 输入4;同步脉冲触发器的建模和参数设置通常,工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究,所以,在此处讨论同步脉冲触发器;同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分;6脉冲触发器可以从图所示的附加模块Extras Control Blocks 子模块组获得;图附加模块Extras Control Blocks子模块6脉冲触发器需要三相线电压同步,所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压;同步电源与6脉冲触发器符号图如下所示4：图同步脉冲触发器子系统同步脉冲触发器封装后子系统符合如下：UaUbUcOutIn2Uct图同步脉冲触发器封装后子系统符号然后根据主电路的连接关系,建立起主电路的仿真模型;图中ln2为脉冲器开关信号,当脉冲器开关信号为“0”时,开放触发器；为“1”时,封锁触发器4;交流异步电动机的建模和参数设置在Power System 工具箱中有一个电机模块库,它包含了直流电机、异步电机、同步电机以及其他各种电机模块;其中,模块库中有两个异步电动机模型,一个是标幺值单位制PI unit 下的异步电动机模型,另一个是国际单位制SI unit 下的异步电动机模型,本设计中采用后者;国际单位制下的异步电动机模型符号如图所示2：图 异步电动机模块其电气连接和功能分别为：A,B,C ：交流电机的定子电压输入端子；m T ：电机负载输入端子,一般是加到电机轴上的机械负载；a,b,c:绕线式转子输出电压端子,一般短接,而在鼠笼式电机为此输出端子；m:电机信号输出端子,一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号,或引出反馈信号2;异步电动机模型参数设置如下;双击异步电动机的模型,即了得到参数设置对话框;分别对其进行参数设置如下所示6：1绕组类型Rotor type: 转子类型列表框,分别可以将电机设置为绕线式Wound 和鼠笼式Squirrel －cage 两种类型;在本文中用鼠笼式Squirrel －cage 异步电动机；2参考坐标系Reference Frame ：参考坐标列表框,可以选择转子坐标系Rotor 、静止坐标系Stationary 、同步旋转坐标系Synchronous;在本文中选择同步旋转坐标系Synchronous ； 3额定参数: 额定功率n P KW 取30KW,线电压n V V 为380V ,频率f 赫兹为50HZ ； 4定子电阻s R Statorohm 取Ω和漏感ls L H 取为；5转子电阻r R Rotorohm 为Ω和漏感lr L H 取为；其它设置为默认值电动机测试信号分配器的建模和参数设置电动机测试信号分配器模块的模型图如下所示：图Machines Measurement Demux电动机测试信号分配器模块双击电动机测试信号分配模块得图电机测试信号分配器参数设置图;图电动机测试信号分配器参数设置对话框及参数选择图中：ir_abc：转子电流ira,irb,irc；ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d；vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d；is_abc：定子电流isa,isb,isc；is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d；wm ：电机的转速wm ；Te ：电机的机械转矩Te ；Thetam ：电机转子角位移Thetam 1;控制电路的建模和参数设置交流调压系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器、限幅器、速度反馈环节等;控制电路的有关参数设置如下：速度反馈系数设为20；调节器的参数设置分别是：ASR ：30=pn K ；300=n τ；上下限幅为400-0；其它没做说明的为系统默认参数;给定环节的建模与参数设置在调压调速的仿真模型中有几个给定环节,它可以从图中的输入源模块组中选取“constant ”模块,模块路径为Simulink/Commonly Used Blocks 14;图 输入源模块组然后双击该模块的图标,打开参数设置对话框,在该系统中用到两个给定模块,分别将给定值Constent value 设置为-20以及0两个;其它设置为默认值;实际调速时,给定信号是在一定的范围内变化的,我们可以通过仿真实践,确定给定信号允许的变化范围4;速度调节器的建模和参数设置速度调节器通常采用PI 控制,比例和积分参数的设置要根据系统的仿真结果不断地变化改动,以得到最稳定的输出特性以及动态特性;限幅器、速度反馈环节也一样;具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小的值进行仿真,弄清它们对系统性能影响的趋。
直流电机调速matlab仿真报告
直流电机调速matlab仿真报告以直流电机调速Matlab仿真报告为标题引言：直流电机是一种常见的电动机，广泛应用于工业、交通、家电等领域。
在实际应用中，电机的调速控制是一项关键技术，可以使电机在不同工况下实现恒定转速或变速运行。
本文将利用Matlab软件进行直流电机调速的仿真实验，旨在通过仿真结果分析不同调速控制策略的优劣，并提供一种基于Matlab的直流电机调速方法。
一、直流电机调速原理直流电机的调速原理基于电压与转速之间的关系。
电机的转速与输入电压成正比，即在给定电压下，电机转速可以通过调整电压大小来实现调速。
常用的直流电机调速方法有电压调速、电流调速和PWM调速等。
二、Matlab仿真实验设置本次仿真实验将以直流电机调速为目标，基于Matlab软件进行实验设置。
首先，需要建立电机的数学模型，包括电机的转速、电流和电压等参数。
其次，选择合适的调速控制策略，如PID控制、模糊控制或神经网络控制等。
最后，通过调节电压输入，观察电机的转速响应和稳定性。
三、PID控制调速实验1. 实验目的本实验旨在通过PID控制器对直流电机进行调速控制，并分析不同PID参数对控制效果的影响。
2. 实验步骤(1) 建立直流电机的数学模型；(2) 设计PID控制器，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd；(3) 利用Matlab软件进行仿真，设定电机的目标转速和初始转速；(4) 通过调节PID参数，观察电机的转速响应和稳定性。
3. 实验结果与分析根据实验设置，我们分别对比了不同PID参数值下的电机转速响应曲线。
结果显示，在合适的PID参数设置下，电机能够实现快速响应和稳定控制。
但是，过大或过小的PID参数值都会导致转速超调或调速不稳定的问题。
四、模糊控制调速实验1. 实验目的本实验旨在通过模糊控制器对直流电机进行调速控制，并分析不同模糊规则和输入输出的影响。
2. 实验步骤(1) 建立直流电机的数学模型；(2) 设计模糊控制器，包括模糊规则、输入变量和输出变量；(3) 利用Matlab软件进行仿真，设定电机的目标转速和初始转速；(4) 通过调节模糊规则和输入输出变量，观察电机的转速响应和稳定性。
第四章 MATLAB与交直流调速系统仿真
F＋和F-:此端子为直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极与负极； A＋和A-: 电动机电枢回路控制端； TL：电动机的负载转矩信号输入端；
m: 电动机信号的测试端，包括转速w(rad/s),电枢电流Ia（A）， 励磁电流If（A），电磁转矩Te（N.m）。
W ( s ) X X c r T d T m s 1 2 C T e m s 1 0 . 0 1 0 2 . 0 8 . s 1 2 5 0 . 8 8 s 1 5 0 . 0 s 2 5 . 4 2 0 . 8 s 1 1 W (s) 5 .41 2.7 50
0 .0s2 2 0 .8 s 1s24s 050
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MATLAB应用技术
3、直流电动机数学模型的状态空间表达式实现
xx12200 .1.108083 125
20.0118035xx12021103u
x x 1 20.0 40014904 .5 2x x1 25 00u0
输出方程
y 0
1
x1 x2
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直流电动机1的状态空间表达式为：
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清华大学出版社
王忠礼 段慧达 高玉峰编著
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4.MATLAB与交直流调速系统仿真
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1 MATLAB基本知识
•4．1控制系统及控制技术指标与要求
4.1.1自动控制和自动控制系统介绍 自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对 象，如机器设备、生产过程中的速度、温度、压力等物理量自动 的按照预定规律运行或变化的处理过程。并将这种能对被控制对 象的工作状态进行自动控制的系统称为自动控制系统。
直流调速系统的MATLAB仿真(参考程序)
直流调速系统的MATLAB 仿真一、开环直流速系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1所示。
直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
该系统的仿真模型如图2所示。
MU d+I dGTU cE +--UCR图1 开环直流调速系统电气原理图图2 直流开环调速系统的仿真模型为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。
触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为minc cmax9090U U αα︒-=︒-在本模型中取min 30α=︒，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。
在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。
仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =，N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =⋅。
励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。
采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。
平波电抗器d 20mH L =。
仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。
N 220V U =仿真步骤：1）绘制系统的仿真模型（图2）。
2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压N rec N 2min 2200.3136130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++⨯==≈⨯︒② 电动机参数 励磁电阻：f f f 220146.7()1.5U R I ===Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
直流调速系统的MATLAB的设计与仿真(073522025)
目录1前言 (1)2双闭环直流调速系统的工作原理 (2)2.1双闭环直流调速系统的介绍 (2)2.2双闭环直流调速系统的组成 (3)2.3双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性 (4)2.4双闭环直流调速系统的数学模型 (5)2.5双闭环直流调速系统的起动过程分析 (5)2.6双闭环直流调速系统的动态性能分析 (6)2.7双闭环直流调速系统的动态性能指标 (7)2.8双闭环直流调速系统的频域分析 (9)2.9双闭环直流调速系统两个调节器的作用 (9)3 MATLAB语言及Simulink (10)3.1仿真技术的背景 (10)3.2 Matlab和Simulink简介 (10)3.3 Matlab建模与仿真 (11)3.4 Simulink仿真工具 (11)3.5控制系统计算机仿真的过程 (12)4 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析 (13)4.1电流环的MATLAB计算及仿真 (13)4.1.1电流环校正前后给定阶跃响的MATLAB计算及仿真 (13)4.1.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 (14)4.1.3单位冲激信号扰动的响应曲线 (15)4.1.4电流环频域分析的MATLAB计算及仿真 (15)4.2转速环的MATLAB计算及仿真 (16)4.2.1转速环校正前后给定阶跃响应的MATLAB计算及仿真 (16)4.2.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标 (17)4.2.3单位冲激信号扰动的响应曲线 (18)4.2.4转速环频域分析的MATLAB计算及仿真 (19)5总结 (20)附录 (20)参考文献 (24)致谢 (24)1前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
直流调速系统的MATLAB仿真
直流调速系统的MATLAB仿真直流调速系统是一种常见的电动机调速系统，其通过控制电枢电流或者换向电压，实现对电机转速的控制。
MATLAB是一款功能强大的工程软件，可以进行系统的建模仿真和控制算法的开发，因此可以用来进行直流调速系统的MATLAB仿真。
首先，我们需要对直流调速系统进行建模。
直流调速系统的主要组成部分包括电机、电流控制器和运动控制器。
电机是系统的执行器，电流控制器用来控制电机的电流，根据控制电机速度的需求调节电机的电压和电流。
运动控制器用来计算输出控制电压，控制电机的转速。
在MATLAB中，可以使用Simulink工具箱进行系统的建模。
Simulink提供了丰富的电气元件库和控制元件库，方便用户进行系统的搭建。
首先，我们需要在Simulink中搭建直流电机模型，可以使用电感、电阻和后验电动势等元件来描述电机的特性。
然后，可以添加电流控制器和运动控制器，分别用来控制电机的电流和速度。
在仿真过程中，我们可以通过输入电压的变化来模拟用户对电机速度的调节。
可以使用阶跃输入信号来模拟用户的控制输入。
然后，通过对系统进行仿真，观察输出转速的变化，并根据需要对控制算法进行调节。
可以使用MATLAB的绘图工具对输出转速进行可视化，也可以记录仿真过程中的各种参数，方便后续的分析和处理。
当然，在进行直流调速系统的MATLAB仿真时，还可以加入一些其他的因素，如电机负载变化、电机参数变化等。
这些因素会对系统的动态性能和稳态精度产生影响，因此需要在仿真过程中对其进行考虑。
总之，直流调速系统的MATLAB仿真可以帮助我们进行系统的设计和优化。
通过对系统的建模和仿真，以及对仿真结果的分析，可以帮助我们更好地理解和掌握直流调速系统的原理和特性，并且为系统的实际应用提供指导和支持。
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真一、直流调压调速控制系统的基本原理直流调压调速控制系统通常由电源模块、调速器、电流反馈回路、转速反馈回路以及电机等组成。
其基本工作原理是通过电源模块提供不同的电压和电流输入，调速器根据控制信号对电源模块进行控制，实现对电机的调速和调压。
电流反馈回路和转速反馈回路则可以实时监测电机的电流和转速，并将监测到的信号反馈给调速器，以实现闭环控制。
在实际应用中，一般会根据具体的需求，设计不同的调速、调压算法和控制策略，以实现系统的高性能和稳定性。
1. 模型建立我们需要建立直流调压调速控制系统的MATLAB仿真模型。
在Simulink中，我们可以按照实际系统的组成，分别建立电源模块、调速器、电流反馈回路、转速反馈回路和电机等部分的仿真模型。
在建立模型的过程中，我们需要考虑各个部分之间的耦合关系、传递函数以及控制算法和策略等因素，以建立一个真实可靠的仿真模型。
2. 参数设置在建立模型之后，我们需要对各个部分的参数进行设置。
这些参数包括电源模块的输出电压和电流、调速器的控制信号、电流反馈回路和转速反馈回路的传感器参数、电机的参数等。
在设置参数的过程中，我们需要根据实际系统的要求，进行合理的选择和调整，以保证仿真的准确性和有效性。
3. 仿真验证完成模型建立和参数设置之后，我们可以进行仿真验证。
在仿真过程中，我们可以输入不同的电压和电流信号，观察系统的输出电流和转速，并通过对比实际数据，验证仿真模型的准确性和有效性。
我们还可以对系统的性能和稳定性进行评估和优化，以提高系统的控制精度和响应速度。
4. 控制策略优化在仿真验证的基础上，我们还可以对系统的控制策略进行优化。
通过改变调速算法、调压策略和闭环控制方法等参数，在仿真环境中对系统的性能和稳定性进行评估和对比，以达到系统优化的目的。
结论通过MATLAB的Simulink工具，我们可以方便地建立直流调压调速控制系统的仿真模型，并对系统的性能和稳定性进行评估和优化。
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真一、直流调压调速控制系统的原理直流调压调速控制系统主要由电压控制回路和速度控制回路组成。
电压控制回路用于控制电动机的电压，从而实现电动机的调压；速度控制回路用于调整电动机的转速，实现电动机的调速。
电压控制回路和速度控制回路之间是相互联系的，二者协同工作才能使电动机达到预定的工作状态。
在本文的仿真中，我们将重点关注电压控制回路和速度控制回路的设计和性能。
二、仿真模型的建立在MATLAB中，我们可以通过Simulink工具建立直流调压调速控制系统的仿真模型。
我们需要建立电动机的数学模型，包括转矩方程、速度方程和电压方程；我们需要设计电压控制回路和速度控制回路的控制算法和参数。
将电动机模型和控制回路结合在一起，形成直流调压调速控制系统的仿真模型。
三、电压控制回路的仿真分析电压控制回路的主要任务是根据速度控制回路的信号要求，生成电压信号并送往电动机，控制电动机的转矩。
在仿真中，我们可以通过改变输入信号的幅值和频率，观察电压控制回路的响应特性，比如超调量、调节时间等。
我们也可以通过引入一些干扰信号，例如负载扰动，来观察电压控制回路的抗扰性能。
通过仿真分析，我们可以得出电压控制回路设计的满意度和稳定性。
五、整体系统的仿真分析经过对电压控制回路和速度控制回路的单独仿真分析后，我们可以将两者结合在一起，形成整体的直流调压调速控制系统的仿真模型。
通过整体系统的仿真分析，我们可以评估控制系统的性能和稳定性。
我们可以观察系统在不同工作状态下的响应特性，比如启动、调压和调速的过程中的响应速度、控制精度和稳定性。
我们也可以引入一些复杂的工况和干扰信号，例如负载变化和电网故障，来观察整体系统的鲁棒性和抗干扰能力。
通过仿真分析，我们可以评估整体系统的设计合理性和可靠性。
六、结论通过MATLAB的仿真分析，我们可以对直流调压调速控制系统的性能和稳定性进行全面评估。
我们可以深入了解电压控制回路和速度控制回路的设计和性能，找出设计的不足和改进的方向。
直流调速系统的matlab仿真
一，转速反馈控制直流调速系统的matlab仿真1,基本原理：根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。
在负反馈基础上的“检查误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭环回路，因此被称作闭环控制系统。
在直流系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。
2，下图是转速负反馈闭环调速系统动态结构框图各个环节的参数如下：直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A，额定转速n N=1000r/min，电机电动势常数C e=0.192V·min/r。
假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167。
电枢回路总电阻R=1Ω，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s。
转速反馈系数α=0.01 V·min/r。
对应的额定电压U n*=10V。
在matlab的simulink里面的仿真框图如下其中PI调节器的值暂定为Kp=0.56，1/τ=11.43。
3,仿真模型的建立：进入matlab，单击命令窗口工具栏的simulink图标，打开simulink模块浏览器窗口，如下图所示：打开模型编辑器窗口，双击所需子模块库的图标，则可以打开它，用鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。
要改变模块的参数双击模块图案即可（各模块的参数图案）。
加法器模块对话框Gain模块对话框把各个模块连接起来并按照上面给定的电机参数修改各个模块相应的参数，可以得到如下的比例积分的无静差直流调速系统的仿真框图：4，仿真后的结果及其分析：其中输出scope1中可以看出超调和上升时间等。
改变PI调节器的参数，并在仿真的曲线中得到最大的超调级调整时间，相互间进行比较，如下表所示：参照以上表格中的数据分析可知，改变PI调节器的参数，可以得到快速响应的超调量不一样，调节时间不一样的响应曲线。
MATLAB与交直流调速系统仿真
• Matlab软件介绍 • 交直流调速系统概述 • 交直流调速系统的仿真模型 • Matlab在交直流调速系统仿真中的
应用 • Matlab仿真的优化与改进
01
Matlab软件介绍
Matlab的特点与优势
强大的数学计算能力
Matlab提供了丰富的数学函数库，支持各种复杂的数学计算，包括 矩阵运算、统计分析等。
控制系统分析与设计
Matlab提供了多种控制系统分析和设计的 方法，如根轨迹法、频率响应法、状态空间 法等。
02
交直流调速系统概述
交直流调速系统的定义与分类
交直流调速系统的定义
交直流调速系统是指通过调节交流或直流电源的电压、电流等参数，实现对电机 等驱动装置的速度调节的系统。
交直流调速系统的分类
直流电机调速系统的仿真模型
01பைடு நூலகம்
建立直流电机数学 模型
根据直流电机的工作原理，建立 电压、电流、转速等物理量之间 的数学关系。
02
建立控制系统模型
03
仿真模型的验证
根据控制策略和控制电路，建立 控制系统的传递函数或状态方程。
通过实验数据或实际系统运行数 据，对仿真模型的准确性和可靠 性进行验证。
交流电机调速系统的仿真模型
详细描述
通过对仿真结果进行统计分析、性能 指标评估等，可以全面了解各种控制 策略和算法在不同工况下的表现。这 有助于选择最优的控制方案，提高调 速系统的性能和稳定性。
05
Matlab仿真的优化与改进
提高仿真的精度和稳定性
算法改进
采用更精确的数值计算方法，如有限差分法、有限元 法等，以提高仿真精度。
图形可视化
直流电机调速matlab仿真报告
直流电机调速仿真报告1. 背景直流电机是一种常见的电动机类型，广泛应用于工业生产和家庭设备中。
在实际应用中，为了满足不同工况下的需求，需要对直流电机进行调速控制。
调速控制可以实现电机转速的精确控制，提高系统的稳定性和效率。
本报告旨在通过Matlab仿真分析直流电机调速控制系统，在理论与实践结合的基础上，提出相应的建议。
2. 分析2.1 直流电机调速原理直流电机调速原理主要基于改变电源的电压或者改变外加负载来实现对电机转速的控制。
常见的直流电机调速方法有：•电压调制法：通过改变直流电源的输出电压来改变转矩和转速；•变阻器分压法：通过改变外接阻值来改变转矩和转速；•变极数法：通过改变励磁回路中串联或并联的励磁线圈数目来改变转矩和转速；•PWM调制法：通过脉冲宽度调制技术来控制输入给定功率。
2.2 直流电机调速控制系统直流电机调速控制系统由电源、电机、传感器、控制器和负载组成。
其中，传感器用于测量电机的转速和位置，控制器根据测量值计算出合适的控制信号，通过电源提供给电机。
负载则影响电机的转速和转矩。
常见的直流电机调速控制方法有：•比例积分（PI）控制：根据误差信号进行比例和积分运算，生成合适的输出信号；•模糊控制：基于模糊推理原理，根据输入变量和规则库生成输出信号；•自适应控制：根据系统动态特性自动调整参数以实现最优性能。
2.3 仿真建模与参数设置本次仿真采用Matlab/Simulink软件进行建模与仿真。
首先需要确定直流电机的基本参数，如额定功率、额定转速、额定电压等。
然后根据实际情况设置仿真模型中的参数。
本次仿真设置了一个基于PWM调制法的直流电机调速系统模型。
具体参数如下：•额定功率：100W•额定转速：1500rpm•额定电压：220V•PWM调制频率：1kHz•控制器采样周期：0.01s3. 结果与分析3.1 仿真结果展示在进行仿真之后，我们得到了直流电机调速系统的仿真结果。
以下是部分结果的展示：•转速曲线图：•转矩曲线图：3.2 结果分析根据仿真结果，可以对直流电机调速系统进行分析。
直流调速系统的Matlab仿真(课程设计作业)
运动控制系统课程设计班级自动化0802姓名王有录学号 0806050231摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。
本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。
然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。
在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。
对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。
采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。
关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统仿真Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drivebecause of its neatly adjustment, simple method and DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation are consistent with theory calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. The results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the puter-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords DC motor, DC governing system, speed governor, current governor, double loop control system, simulink目录摘要Abstract一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍2、双闭环直流调速系统的组成3、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性4、双闭环直流调速系统的数学模型二、系统设计方法及步骤1、系统设计的一般原则2、电流环设计（1）确定时间常数(2) 选择电流调节器结构(3) 选择电流调节器参数(4) 校验近似条件3、转速环设计(1) 确定时间常数(2) 选择转速调节器结构(3) 选择转速调节器参数(4) 校验近似条件三、Matlab和Simulink简介四、Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析1、开环直流调速系统的仿真2、单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真3、单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真4、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真5、单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真6、单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真7、单闭环转速负反馈调速系统定量仿真8、双闭环直流调速系统定量仿真9、三闭环直流调速系统仿真五、V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图六、总结参考文献一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。
MATLAB与交直流调速系统仿真
在未来，我们可以进一步研究和改进交直流调速系统的控制策略和效率。
Hale Waihona Puke MATLAB与交直流调速系 统仿真
MATLAB与交直流调速系统仿真的背景
交直流调速系统的原理
1 交流调速系统
采用变频器或触发控制器对交流电机的电源 频率进行调整来改变其转速。
2 直流调速系统
使用变阻器或变压器来调节直流电机的电流， 从而改变其转速。
MATLAB在交直流调速系统中的应用
1 数学建模
性能评估
分析不同控制算法的性能表现，找到最佳控制策略。
系统优化
通过仿真结果来改进交直流调速系统的响应速度和 稳定性。
问题与挑战
1 模型准确性
建立准确的数学模型是交直流调速系统仿真 的挑战之一。
2 控制算法设计
选择和设计适合交直流调速系统的高性能控 制算法也面临着一些困难。
总结与展望
总结成果
通过MATLAB仿真，我们可以更深入地了解交直流调速系统，并优化其性能。
使用MATLAB建立交直流调速系统的数学模型，包括电流、转速和扭矩方程。
2 控制算法开发
使用MATLAB进行控制算法设计和调试，以实现高效的调速性能。
仿真实例展示
系统性能
通过MATLAB仿真，评估交直流调速系统的转速响应 和动态性能。
电流响应
分析在不同负载和输入电压条件下，电机的电流响 应。
结果分析与讨论
交直流调速系统与MATLAB仿真 第2章-直流调速系统的动态设计
第三节 多环调速系统的工程设计方法
一、工程设计方法与步骤 设计内容包括：确定典型系统、选择调节器类型、计算调 节器参数、计算调节器电路参数、校验等。一般步骤是： （1）在众多的开环系统中，选择两类具有优越静、动性能 的系统作为典型系统，并求出典型系统的系统参数与性能指 标间的关系； （2）根据生产工艺要求，确定系统的跟随性能和抗扰性能
式中：KD 6 ~ 8 ， U nom ; I nom ; nnom 为电机的额定参数；P为电机的极对数 L外接视外部电感而定
R Rs Rn R外接
Rs
U nom . I nom P nom U nom ( 0 . 5 ~ 0 . 6 )( 1 ) ( ) 2 I nom 2 I nom
-U n
Ts s 1
-
T1s 1 +
Tm s
Ce
双闭环系统能有效提高系统对电网电压扰动的抗扰性能。
(a) + U d -
- I dL
1/ R Id + T1s 1
R E Tm s 1 Ce
Un +
Un
-
ASR
U i +
Ui
-
ACR
K s U d0 Ts s 1
n
-
(b) 图3-7 调速系统的动态抗扰作用
Un
+
-U n
ASR
K s U d0 Ts s 1
。
+ U d -
1/ R Id T1s 1 +
-
I dL
R E 1 Tm s Ce
n
ASR到输出电流Id之间的传递函数 (a)
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真一、引言直流调压调速控制系统是工业领域中常见的电力控制系统，其主要功能是对直流电动机进行调速和调压。
通过对电机的调速和调压，可以实现对生产过程中机械设备的精确控制，提高生产效率和质量。
对直流调压调速控制系统的研究和仿真具有重要的意义。
二、直流调压调速控制系统的基本原理和数学模型1. 直流电动机直流电动机是直流调压调速控制系统的关键部件，其工作原理是利用电磁感应原理实现电能与动能之间的转换。
直流电动机由定子、转子、电刷和电枢等部件组成，根据控制电流的大小和方向可以实现对电机的调速和调压。
直流调压调速控制系统可以使用数学模型描述其动态特性，其数学模型可以表示为以下方程：电动机转矩方程：\[T = K_{t} * Ia\]电动机电压方程：\[Va = Ri + L\frac{di}{dt} + Eb\]T表示电动机转矩，\(K_{t}\)为电动机转矩常数，Ia为电动机电流，Va为电动机电压，R为电动机电阻，L为电动机电感，\(di/dt\)为电动机电流的变化率，Eb为电动机的反电动势。
控制系统中的调速环节可以描述为：\[Eb = K_{e} * \Omega_m\]\(K_{e}\)为电动机转速常数，\(\Omega_m\)表示电动机的转速。
\(K_{c}\)为调压系数，Vr为调节电压。
以上方程描述了直流调压调速控制系统的基本动态特性，可以通过模拟仿真研究系统在不同工况下的调速和调压表现。
1. 模型参数设定首先需要确定直流电动机的参数，包括转矩常数\(K_{t}\)、转速常数\(K_{e}\)、电阻R、电感L等参数，以及控制系统的参数，包括调压系数\(K_{c}\)等参数。
2. 模型搭建利用MATLAB的Simulink工具箱进行模型搭建。
首先建立直流电动机的数学模型，包括转矩方程和电压方程。
然后建立控制系统的数学模型，包括调速环节和调压环节。
最后将直流电动机模型和控制系统模型进行组合，构建直流调压调速控制系统的整体仿真模型。
直流调速系统的MATLAB仿真(参考程序)综述
直流调速系统的MATLAB 仿真一、开环直流速系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1所示。
直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
该系统的仿真模型如图2所示。
图1 开环直流调速系统电气原理图图2 直流开环调速系统的仿真模型为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。
触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为minc cmax9090U U αα︒-=︒-在本模型中取min 30α=︒，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。
在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。
仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =，N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =⋅。
励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。
采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。
平波电抗器d 20mH L =。
仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。
N 220V U =仿真步骤：1）绘制系统的仿真模型（图2）。
2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压N rec N 2min 2200.3136130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++⨯==≈⨯︒② 电动机参数 励磁电阻：f f f 220146.7()1.5U R I ===Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
电枢电阻：a 0.2R =Ω电枢电感由下式估算：N a N N 0.422019.119.10.0021(H)2221460136CU L pn I ⨯==⨯≈⨯⨯⨯电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ：N a N e N 2200.21360.132(V min/r)1460U R I K n --⨯==≈⋅T e 60600.132 1.262π2πK K ==⨯≈ T af f 1.260.84(H)1.5K L I === 电机转动惯量2222.50.57(kg m )449.81GD J g ==≈⋅⨯③ 额定负载转矩L T N 1.26136171.4(N m)T K I ==⨯≈⋅表1 开环直流调速系统主要模型参数3）设置仿真参数：仿真算法odel5s ，仿真时间5.0s ，直流电动机空载起动，起动2.5s 后加额定负载L 171.4N m T =⋅。
MATLAB与交直流调速系统仿真
连接到其它附加电路中，而鼠笼式电机无此输出端子；
• m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电
机内部信号，或引出反馈信号。
MATLAB应用技术
转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式 （Wound）和鼠笼式（Squirrel－cage）两种类型
参考坐标列表框，可以选择 转子坐标系（Rotor）、静 止坐标系（Stationary）、同 步旋转坐标系（Synchronous）
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
图 电磁转矩波形
从仿真结果可以分析：转速能够在较短的时间内达到稳定，但起动 电流冲击很大，同时电磁转矩的冲击也很大。
MATLAB应用技术
例2.直流电动机分级起动 由于直流电动机直接起动电流过大，为了限制起动电流，通常在电源和电动机之
间加上起动变阻箱。 起动变阻箱由三个电阻组成，在每个电阻两端并联一个理想开关，通过设置开关
不同的导通时间，来切除电阻。起动瞬间，三个开关全部断开，此时电阻全部接 入。一定时间后，第一个开关导通，相应地第一个电阻被切除。依此类推，达到 限制电流和保证电磁转矩的目的。
MATLAB应用技术
MATLAB应用技术
1.使用模块 （1）断路器（Breaker） 断路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的Breaker模块
MATLAB应用技术
2.仿真参数设置
MATLAB应用技术
3.仿真结果
1400
1200
1000
800
600
400
200
周渊深中国电力出版社交直流调速系统与MATLAB仿真第0章
二、调速系统的性能指标 1、稳态性能指标 调速系统的稳态性能指标有：
(1)调速范围
衡量系统稳态性能 的指标
调速范围 静差率
调速范围是指电动机在额定负 载下，运行的最高转速与最低转
速之比，用D表示，即
n max D n min
对于调压调速系统来说，电动机的最高转速 nmax 可用其额定转速 nnom 表示
a
b
0
Tcn
图0-1 不同转速下的静差率
Te
讨论：
①S与机械特性的硬度有关，特性越硬，S越小， 转速越稳。 ②S和机械特性硬度又有区别。同样硬度的特 n0 越低，S越大。 性， ③S的要求是指系统最低速时所能达到的指标。
3、 D、 S 和 n 间的关系
nom
调速系统的静差率是指系统工作在最低速时的静差 率，即
0.5本课程的性质及与前导课程的关系
一、性质： 专业主干课程、前导课程的综合应用 二、与前导课程的关系 给出一个单环调速系统的框图，结合框图说明。
1、电路、电子：解决ASR、GT的线路设计、参数计算、 元件选择、调试 2、变流技术：解决GT、整流等单元的分析、计算和调试 3、电机与拖动：解决负载与电动机之间的拖动问题 4、自动控制原理：解决系统中的理论分析与设计问题 5、本课程：上述课程的综合应用
2.动态性能指标 (1)跟随性能指标
常用零初始条件 下系统对单位阶跃 给定信号的输出过 程来表示跟随过程 。
C (t )
Cmax
衡量系统动态过程 性能的指标称为动 态性能指标。
Cmax C
5%(或 2%)C
C
0
tr
ts
图0-2 阶跃响应曲线和跟随性能指标
t
其主要跟随性能指标如下： ①上升时间 t r
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调速系统的静差率是指系统工作在最低速时的静差 率，即
n n o m s n0 m i n
则 n min n 0 min
n n o m 1 s n n o m n n o m n n o m ， 代 入 调 s s
速范围的表达式
nm a x D n m i ，得 n
0.3 工业上常用的交直流调速系统
1、速度控制系统
即调速控制系统。例如发动机的转速调节，磁带 的速度调节等等。
2、位置控制系统（调速系统+位置外环） 即随动（伺服）系统。例如液面位置的控制，雷达 方位角的控制，火炮角位置的控制，机械加工中的 轨迹控制等。
3、张力控制系统（调速系统+张力外环）
例如：加工各种带材和线材的控制 4、多电机同步控制系统（多调速系统+同步控制 装置）
周渊深
第 0章 绪
论
0.1 自动控制系统的构成体系 0.2 电力拖动自动控制系统的分类
0.3 工业上常用的交直流调速系统
0.4 交直流调速控制系统的技术指标 0.5 本课程的性质及与前导课程的关系
0.1自动控制系统的构成体系
自动控制系统分为 生产过程自动控制系统 电力拖动自动控制系统
以生产过程参数T、P、Q-等变量为被控量，以“自 动化仪表”为执行机构。
以生产机构的速度、位 置-----等变量为被控量， 以“电动机”为执行机 构。
0.2电力拖动自动控制系统的分类
1.调速系统：
以控制电机速度为目的 (以机床速度图说明) 以控制电机转角为目的 (以雷达跟踪系统说明） 以计算机技术实现控制规律(以 PLC系统说明)
2.随动系统： 3.程序控制系统：
根据电机是交流还是直流，系统又分为交流和直流系统。
nnom n0 nnom n0 n0
a
b
0
Tcn
图0-1 不同转速下的静差率
Te
讨论：
①S与机械特性的硬度有关，特性越硬，S越小， 转速越稳。 ②S和机械特性硬度又有区别。同样硬度的特 n0 越低，S越大。 性， ③S的要求是指系统最低速时所能达到的指标。
3、 Dx % 100% C 1
当输出量在动态降落后又恢复到新的稳态值 C 2 时， 偏差
C1 C2 表示系统在该扰动作用下的稳态降落，动态降落
一般都大于稳态降落。 2）恢复时间 t ——从阶跃扰动作用开始，到输出量恢 复到与新稳态值 C 2 之差进入 C 2 的 5%或 2% 范围内所 需的时间，称为恢复时间 t 。
t
其主要跟随性能指标如下： ①上升时间 t r
输出量从零开始，第一次上升到稳态值 C 所经历的时间。
②超调量
Cmax C % 100% C
③过渡过程时间 超调量反映了系 统的相对稳定性。
ts
输出衰减到与稳态值之差进入 5%或 2% 的允许误差 范围之内所需的最小时间。它衡量系统调节过程的快慢。
要求有良好的过渡过程。
上述三方面要求，可具体用调速系统的 稳态和动态两方面的性能指标来衡量。
二、调速系统的性能指标 1、稳态性能指标 调速系统的稳态性能指标有：
(1)调速范围
衡量系统稳态性能 的指标
调速范围 静差率
调速范围是指电动机在额定负 载下，运行的最高转速与最低转
速之比，用D表示，即
n max D n min
s n n om D n n om 1 s
2.动态性能指标 (1)跟随性能指标
常用零初始条件 下系统对单位阶跃 给定信号的输出过 程来表示跟随过程 。
C (t )
Cmax
衡量系统动态过程 性能的指标称为动 态性能指标。
Cmax C
5%(或 2%)C
C
0
tr
ts
图0-2 阶跃响应曲线和跟随性能指标
(2)抗扰性能指标
C, N
C1
典型的扰动过渡 过程如图所示。
5%(或 2%)C 2
C 2
- Cmax
N
0
tm
tv
t
图0-3 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
1)动态降落 Cmax % ——系统稳定运行时，突加一个扰动 量 N， 在过渡过程中引起输出量的最大降落值 Cmax 称为动 态降落，用输出量原稳态值 C 1 的百分数表示，即
0.5本课程的性质及与前导课程的关系
一、性质： 专业主干课程、前导课程的综合应用 二、与前导课程的关系 给出一个单环调速系统的框图，结合框图说明。
1、电路、电子：解决ASR、GT的线路设计、参数计算、 元件选择、调试 2、变流技术：解决GT、整流等单元的分析、计算和调试 3、电机与拖动：解决负载与电动机之间的拖动问题 4、自动控制原理：解决系统中的理论分析与设计问题 5、本课程：上述课程的综合应用
系统中有多个传动点，每个传动点由一个电动 机拖动单元拖动，组成了多单元同步控制系统。 系统中各单元应能同时按规定的速比稳速运行， 并有良好的统调、单调性。
上述系统的基础都是调速控制系统。
0.4 交直流调速控制系统的技术指标
一、调速控制要求： 1.调速要求： 2.稳速要求： 3.加、减速要求：
在一定的范围内，实 现有级或无级调速。 以一定的精度在要求的转 速上稳定运行，基本不受 各种扰动的影响。
对于调压调速系统来说，电动机的最高转速 nmax 可用其额定转速 nnom 表示
。
(2)静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理 想空载增加到额定值所引起的额定转速 降落 nnom 与理想空载转速 n0 之比，称 作静差率，用S表示，即
s
n
n0a n0b
nn,a nn, b
或用百分数表示
nnom s 100% n0