CAD课程设计指导书

表1 整流电路形式 单相半波
各种整流电路的平均失控时间（f=50Hz） 平均失控时间 Ts/ms 10 5 3.33 1.67
单相桥式（全波） 三相全波 三相桥式，六相半波
用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为 U d 0 K sU ct 1(t Ts ) 按拉氏变换的位移定理，则传递函数为
图 3 中，（a）为式（1）的结构图，（b）为式（2）的结构图，（c）为整 个直流电动机的动态结构图。 1.3 晶闸管触发和整流装置的动态数学模型
在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待， 这一环节的输入量是触
-3-
发电路的控制电压 Uct， 输出量是理想空载整流电压 Ud0， 把它们之间的放大系数 K s 看成常数，晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后作用的放大环 节，其滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的（表 1） 。
电力传动控制系统 CAD
课程设计指导书
张晓华 编
大连理工大学电气工程学院 2015 年 6 月
前言
“电力传动控制系统 CAD”课程是电气工程学院本科生的一门必 修课，它涉及自动控制原理、电力电子技术、电机与拖动、数值分析 /计算方法等内容， 需要学生先期掌握 MATLAB 仿真工具软件， 以便 能够参与本课程相关的仿真实验内容。 直流电动机转速/电流双闭环 PID 控制系统设计与仿真实验是本 课程的主要内容，在系统建模的基础上，应用“调节器的工程设计方 法”，依据典型 I/II 型系统的特质，设计出电流环控制器与转速控制 器，应用 MATLAB/Simulink/SimPowerSystems 工具箱进行仿真实验， 并对结果进行分析与参数的整定。 本课程实验部分涉及“数学建模与仿真”与“晶闸管/PWM 变流 器的 SimPowerSystems 建模与仿真” ，为必做的实验内容，仿真实验 时需着重体验电流环/速度环在启动/稳速过程中所起的控制作用。 本实验所涉及的内容系“直流电动机的不可逆/单方向调速系统 控制”问题，在充分掌握实验内容的基础上，感兴趣的同学还可以进 一步思考“直流电动机的可逆/双方向调速系统控制” ，以及“电力传 动控制系统的能量回馈”问题。 本书由电气工程学院运动控制研究室的研究生与教师共同完成， 黄凯、杜署明、李浩洋等参与了相关工作，张晓华教授统稿。 水平所限，错误难免，问题请 EMAIL：zxhhit@ 讨论之。
考虑到 Ts 很小，忽略其高次项，则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近 似成一阶惯性环节
U d 0 (s) Ks U ct ( s ) Ts s 1
（4）
其模型如图 4 所示。
U ct ( s )
K s e Ts s
U d 0 ( s)
U ct ( s )
Ks Ts s 1
U d 0 ( s)
-2-
C ——电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为 Nm/A； e 定义下列时间常数： Tl L ——电枢回路电磁时间常数，单位为 s； R
Cm
30
GD 2 R Tm ——电力拖动系统机电时间常数，单位为 s； 375CeCm 代入微分方程，并整理后得：
U d 0 E R ( I d Tl I d I dL dI d ) dt T dE m R dt
II
第一部分 《电力传动控制系统 CAD》基础实验一
——直流电动机调速系统的双闭环 PID 控制
一、 实验目的
1. 熟悉 Matlab/Simulink 仿真环境； 2. 掌握 Simulink 图形化建模方法； 3. 深入理解与掌握调节器的工程设计方法； 4. 验证 “直流电动机转速/电流双闭环 PID 控制方案” 的有效性。
式中， I dL TL / Cm 为负载电流。 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数
I d (s) 1/ R U d 0 ( s ) E ( s ) Tl s 1
（1）
电流与反电动势间的传递函数为
E ( s) R I d ( s ) I dL ( s ) Tm s
I
目录
第一部分 《电力传动控制系统 CAD》基础实验一 -——直流电动机调速系统的双闭环 PID 控制 ....................... Nhomakorabea.... 1
一、实验目的 .................................................................................................. 1 二、实验内容 .................................................................................................. 1 三、实验步骤 .................................................................................................. 1 四、思考题 .................................................................................................... 21
参考文献................................................................................................. 54 附录......................................................................................................... 55
U d 0 (s)
E ( s)
（2）
1/ R Tl s 1
I d (s)
I d (s)
I dL ( s)
R Tm s
E ( s)
（a）
I dL ( s)
U d 0 ( s)
1/ R I d ( s ) Tl s 1
（b）
R E ( s) 1 Tm s Ce
n( s )
（c）
图3 额定励磁下直流电动机的动态结构图
（a）
图4
（b）
晶闸管触发和整流装置的动态结构图
图 4 中， （a）为准确的结构图， （b）为近似的结构图。
-4-
1.4
比例放大器、测速发电机和电流互感器的动态数学模型
比例放大器、测速发电机和电流互感器的响应都可以认为是瞬时的，因此它 们的放大系数也就是它们的传递函数，即
U ct ( s ) Kp U n ( s )
-1-
Ui
Id
U
* n
U
* i
U ct
Un
图1
直流电动机双闭环调速系统结构图
下面分别建立双闭环调速系统各环节的微分方程和传递函数。 1.2 额定励磁下直流电动机的动态数学模型
图2给出了额定励磁下他励直流电机的等效电路，其中电枢回路电阻R和电 感L包含整流装置内阻和平波电抗器电阻与电感在内，规定的正方向如图所示。
第三部分
《电力传动控制系统 CAD》基础实验三
——基于 PWM 技术的直流电动机调速系统 ............................. 42
一、实验目的 ................................................................................................ 42 二、实验内容 ................................................................................................ 42 三、实验步骤 ................................................................................................ 42 四、实验总结 ................................................................................................ 54 五、思考题 .................................................................................................... 54
1/ R Tl s 1
（5）
U n ( s) n( s )
U i (s) I d ( s)
（6）
（7）
1.5
双闭环控制系统的动态数学模型
根据以上分析，可得双闭环控制系统的动态数学模型如图 5 所示。
I dL
U n
Un
WASR ( s )
U i
Ui
WACR ( s )
U ct
Ks U d 0 Ts s 1
U d 0 (s) K s e Ts s U ct ( s )
（3）
由于式（3）中含有指数函数 e Ts s ，它使系统成为非最小相位系统，分析和 设计都比较麻烦。为了简化，先将 e Ts s 按泰勒级数展开，则式（3）变成
U d 0 (s) K Ks K s e Ts s Tsss 1 1 U ct ( s ) e 1 Ts s Ts 2 s 2 Ts 3 s 3 2! 3!
图2
直流电动机等效电路
由图 2 可列出微分方程如下： dI U d 0 RI d L d E （主电路，假定电流连续） dt E Ce n （额定励磁下的感应电动势） Te TL GD 2 dn （牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦） 375 dt Te Cm I d （额定励磁下的电磁转矩） 式中， TL ——包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为 Nm； 单位为 Nm2； GD 2 ——电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮惯量，