直流PWM调速系统调节器的设计实验报告

直流PWM调速系统调节器的设计
一、实验目的
以双极式直流PWM调速系统为例，通过实验了解速度调节器参数对调速系统动态和静态性能的影响，从而掌握设计调节器的有关知识。

二、预习要求
1．复习双极式直流PWM调速系统原理及特性。

2．回答下列问题：
(1)直流PWM放大器在直流PWM调速系统中的作用是什么？
答：直流PWM调速系统中脉冲形成与分配电路输出的PWM信号（即控制信号）不能直接用来驱动大功率开关管。

PWM放大器无论采用何种大功率器件，都必须设置相应的驱动电路，以满足晶体管工作时基极（弱电控制端）电流（或电压）的要求，不同类型晶体管的驱动电路要求是不一样的。

直流PWM放大器在直流PWM调速系统中的作用就是放大PWM信号的功率以驱动大功率开关管。

(2)调节直流电机的速度主要有哪几种方法？
答：
a. 改变电枢回路电阻调速。

当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。

b. 改变电枢电压调速。

连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。

c. 改变励磁电流调速。

当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。

电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。

由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。

(3)调速系统的性能指标主要有哪些？
答：
A. 稳态指标。

（a）调速范围D：生产机械要求电动机能达到的最高转速n max和最低转速n min 之比。

（b）静差率S：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落△n N与理想空载转速n o之比。

B. 动态指标。

（a）跟随性能指标：在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。

跟随性能指标包括上升时间、超
2
调量、调节时间等指标。

（b ）抗扰性能指标：控制系统在稳态运行中，如果受到外部扰动（如负载变化、电网电压波动），就会引起输出量的变化。

输出量变化多少？经过多长时间能恢复稳定运行？这些问题反映了系统抵抗扰动的能力。

抗扰性能指标包括最大动态变化量和恢复时间等指标。

三、实验仪器及设备
1．三相调压器一台 2．交流电机+直流电机机组一套 3．双线示波器一台
4．实验与开发平台一套 5．转速表一只
四、实验内容及步骤
1. 断开总电源开关，检查实验设备的连接线。

2. 合上总电源开关，压合“控制电源”键，控制电源指示灯亮。

3. 选择操作及测试面板上相关按键的状态：设置“主控微机”键为“MCU ”状态、设置“给
定方式”键为“数字”状态（若希望由上位计算机发出命令）或“模拟”状态（若给定由面板上模拟电位器设置）、“运行模式”键此时不起作用、设置“电机选择”键为“DM ”状态、设置“运行状态”键为“停止”状态。

4. 接通计算机电源，运行监控软件并进入主菜单。

运行控制程序，在上位机监控软件的“参
数”菜单栏中，将速度调节器的比例系数调整为0.7、积分系数调整为0.004。

逆时针旋转三相调压器手柄以保证调压器输出为零，继而合上“主电源”按键，然后将“运行状态”键设置为“运行”状态。

注意：任何时候在压合“主电源”键之前请务必先将三相调压器输出电压调至0伏，否则有可能烧坏功率管。

5. 顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压
表指示，以200-250伏为宜）。

监控软件进入主菜单“速度”下的“给定”项，输入速度给定值500rpm ，电机开始转动。

计算机屏幕显示如图1所示的窗口。

记录这些响应曲线，并根据所显示的曲线估算速度超调量、上升时间和稳态误差为5%时的过渡过程时间。

在电机运行于该稳定转速情况下，输入速度给定值为“0”，电机将停止转动，在速度“显示”菜单下可观察到系统的制动过程，请记录制动时间及制动波形。

图1 速度响应的显示窗口
6. 输入速度给定值为“0”，让电机停止转动。

然后，逆时针旋转三相调压器手柄以使调压
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器输出为零后，在上位机监控软件的“参数”菜单栏中，分别改变速度调节器的比例系数（注意调整范围为1.0—4.0，初始固化值为2.8）和积分系数（注意调整范围为0—0.4, 初始固化值为0.07）。

待参数修改完毕，再顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示，以200-250伏为宜），重复上面步骤5的实验，以对比分析速度调节器参数对系统性能的影响。

推荐按下表4和表5进行实验与记录。

表4 改变速度调节器的比例系数
表5 改变速度调节器的积分系数
五、实验结果
图2 P=0.7，I=0.004，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0.004的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，起动过程上升时间t p 约
4
为26ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为48ms 左右，过渡过程超调量
()()672500
100%=
100%=34.4%()
500
p p y t y M y -∞-=
⨯⨯∞，系统的调速性能较好。

图3 P=0.7，I=0.004，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0.004的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，制动过程上升时间t p 约为26ms 左右，制动时间约为60ms 左右，系统的调速性能较好。

图4 P=0.5，I=0.004，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.5，I=0.004的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时基本上不会出现等幅震荡，起动过程上升时间t p 约为32ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为48ms 左右，过渡过程超调量
()()700500
100%=
100%=40%()
500
p p y t y M y -∞-=
⨯⨯∞，系统的调速性能较好。

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图5 P=0.5，I=0.004，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.5，I=0.004的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时不会出现等幅震荡，制动过程上升时间t p 约为30ms 左右，制动时间约为54ms 左右，系统的调速性能较好。

图6 P=0.8，I=0.004，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.8，I=0.004的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时出现了震荡，并有发散的趋势，起动过程上升时间t p 约为28ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为50ms 左右，过渡过程超调量()()630500
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500
p p y t y M y -∞-=⨯⨯∞，系统的调速性能较差。

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图7 P=0.8，I=0.004，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.8，I=0.004的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时出现了震荡，并有发散的趋势，制动过程上升时间t p 约为24ms 左右，制动时间约为60ms 左右，系统的调速性能较差。

图8 P=1.5，I=0.004，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=1.5，I=0.004的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，起动过程上升时间t p 约为24ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为45ms 左右，过渡过程超调量
()()600500
100%=
100%=20%()
500
p p y t y M y -∞-=
⨯⨯∞，系统的调速性能较差。

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图9 P=1.5，I=0.004，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=1.5，I=0.004的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，且震荡中心与设定值还有一定的静差，制动过程上升时间t p 约为48ms 左右，制动时间约为60ms 左右，系统的调速性能较差。

图10 P=0.7，I=0，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，并出现速度静差，起动过程上升时间t p 约为84ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为84ms 左右，过渡过程超调量()()480480
100%=
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480
p p y t y M y -∞-=⨯⨯∞，系统的调速性能较差。

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图11 P=0.7，I=0，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，且震荡中心与设定值还有一定的静差，制动过程上升时间t p 约为50ms 左右，制动时间约为50ms 左右，系统的调速性能较差。

图12 P=0.7，I=0.004，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0.004的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，起动过程上升时间t p 约为26ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为48ms 左右，过渡过程超调量
()()672500
100%=
100%=34.4%()
500
p p y t y M y -∞-=
⨯⨯∞，系统的调速性能较好。

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图13 P=0.7，I=0.004，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0.004的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时出现了小幅值的等幅震荡，制动过程上升时间t p 约为26ms 左右，制动时间约为60ms 左右，系统的调速性能较好。

图14 P=0.7，I=0.01，V=500rpm 起动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0.01的控制下，直流电机的起动过渡过程最终达到稳态时不会出现震荡，起动过程上升时间t p 约为24ms 左右，起动过程当稳态误差为5%时的调节时间t s 约为33ms 左右，过渡过程超调量
()()720500
100%=
100%=44%()
500
p p y t y M y -∞-=
⨯⨯∞，系统的调速性能较好。

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图15 P=0.7，I=0.01，V=500rpm 制动过程过渡曲线
分析：转速为500rpm （中速）时，直流调速系统在控制参数P=0.7，I=0.01的控制下，直流电机的制动过渡过程最终达到稳态时不会震荡，制动过程上升时间t p 约为20ms 左右，制动时间约为36ms 左右，系统的调速性能较好。

六、实验数据分析：
由实验结果可知，该调速系统在P=0.7，I=0.004参数下，高速时，调节性能好，低速时，有可能出现振荡如n=50rpm 启动时。

1.操作时仔细小心，安全第一
由实验数据可得出：转速、电流双闭环直流调速系统的起动和制动过渡过程对不同的控制器参数有不同的动态性能。

要得到理想的动态性能，应整定最佳的控制器参数。

七、实验总结
1、 通过本次实验，我了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成，掌握双闭环直流调速系
统的调试步骤、方法及参数的整定。

通过改变调速系统调节器参数并测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标，了解调节器参数对系统动态性能的影响，从而选取最佳控制器参数设计调速系统的控制器。

2、 实验要注意安全，操作要符合实验室的规范。

3、 实验要仔细，认真，有耐心。

遇到不懂的要及时请教指导老师。

最后感谢实验指导老师
的耐心指导。

八、实验报告要求
4、 结合表4和表5的实验结果，分析速度调节器参数对系统性能的影响。

答：分析表4和表5的实验数据可以得出：
比例系数Kp 的大小决定了系统比例调节器调节的快慢程度。

但Kp 过大会使控制系统出现超调或振荡现象，Kp 过小又起不到调节作用。

同时只有比例控制无法消除静差。

积分作用可消除静差。

积分常数Ti 的大小决定了系统控制器积分作用强弱程度。

但是积分作用通常使系统的稳定性下降。

因此, 积分常数Ti 大小的选择要得当。

综上所述和实验数据可以得出，对于本实验室的转速、电流双闭环直流调速系统，对于中速V=500rpm来说，其PI调节参数选取P=0.5，I=0.004可使调速系统得到最佳的动态性能。

5、若速度调节器为比例调节（即积分系数为零），系统是否可获得无速度静差？请加以分
析。

答：若速度调节器为比例调节（即积分系数为零），系统不能获得无速度静差。

从传递函数的角度去分析，被控对象即过程是一个传递函数，调节器是一个传递函数，控制器是一个传递函数。

就控制器而言，控制器的输入为设定值与测量值的偏差e，控制器的输出由两部分组成（增量型控制器）一个是稳态输出U0，另一个是由偏差引起的△U，这两个共同构成了控制器的输出U，即U=U0+△U（e），其中△U是关于偏差e的函数，当控制器为纯比例环节时：U=U0+△U*e。

在开始阶段，偏差比较大，比例作用调节比较快，很快就可以使偏差减小，当偏差减小到0时，控制器的输出只有U0了，但U0不足以使测量值达到设定值，所以偏差必然存在，最终结果就是偏差必须存在以维持控制器的运作。

比例系数与稳态误差的关系为：比例系数越大稳态温差越小，但不能消除，并且比例系数越大，初始控制量越大，可能会超过装置本身的约束，所以比例系数不能无限大。

九、实验总结
通过实验我了解速度调节器参数对调速系统动态和静态性能的影响，从而掌握设计调节器的有关知识。

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