电力拖动自动控制系统实验报告

电⼒拖动⾃动控制系统实验报告电⼒拖动⾃动控制系统实验
实验⼀转速反馈控制直流调速系统的仿真
⼀、实验⽬的
1、了解MATLAB下SIMULINK软件的操作环境和使⽤⽅法。

2、对转速反馈控制直流调速系统进⾏仿真和参数的调整。

⼆、转速反馈控制直流调速系统仿真
根据课本的操作步骤可得到如下的仿真框图：
图 1 仿真框图
1、运⾏仿真模型结果如下：
图2 电枢电流随时间变化的规律
图3 电机转速随时间变化的规律
2、调节参数Kp=0.25 1/τ=3 系统转速的响应⽆超调但调节时间长
3、调节参数Kp=0.8 1/τ=15 系统转速的响应的超调较⼤，但快速性较好
实验⼩结
通过本次实验初步了解了MATLAB下SIMULINK的基本功能，对仿真图的建⽴了解了
相关模块的作⽤和参数设置。

并可将其⽅法推⼴到其他类型控制系统的仿真中。

实验⼆转速、电流反馈控制直流调速系统
仿真
⼀、实验⽬的及内容
了解使⽤调节器的⼯程设计⽅法，是设计⽅法规范化，⼤⼤减少⼯作计算量，但⼯程设计是在⼀定近似条件下得到的，⽤MATLAB仿真可根据仿真结果对设计参数进⾏必要的修正和调整。

转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应⽤最⼴泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运⾏的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提⾼⽣产效率的关键。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作⽤，可在系统⾥设置两个调节器，组成串级控制。

⼀、双闭环直流调速系统两个调节器的作⽤
1)转速调节器的作⽤
（1）使转速n跟随给定电压
*
m
U变化，当偏差电压为零时，实现稳态⽆静
差。

（2）对负载变化起抗扰作⽤。

（3）其输出限幅值决定允许的最⼤电流。

2)电流调节器的作⽤
（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压
*
i
U变化。

（2）对电⽹电压波动起及时抗扰作⽤。

（3）起动时保证获得允许的最⼤电流，使系统获得最⼤加速度起动。

（4）当电机过载甚⾄于堵转时，限制电枢电流的最⼤值，从⽽起⼤快速的安全保护作⽤。

当故障消失时，系统能够⾃动恢复正常。

三、电流环仿真模型设计
图2.1 电流环仿真模型
四、转速环仿真模型设计
图2.2转速环仿真模型
五、转速环的系统仿真
1）PI 调节器按照计算出来的结果：s
W ASR 48
.1347.11+
=。

空载起动时波形为：
图2.3 转速环空载起动输出波形
2）满载运⾏时起动的波形：
图2.4 转速环满载⾼速起动输出波形
3）抗⼲扰性的测试：
图2.5 转速环的抗⼲扰输出波形
实验⼩结
通过本次实验了解到了在⼯程设计下近似计算的优点和缺点，并了解了如何根据仿真结果对设计参数的修正和调整，同时，对SIMULINK的模块也更加熟悉了。

实验三基于MATLAB的SIMULINK下的3/2
变换
⼀、根据步骤可得仿真图
图3.1 3/2变换仿真图
⼆、仿真结果
实验⼩结
通过本次次试验对于3/2变换有了基本的了解，通过x、y和z坐标到d、q 坐标的变换可节省⼤量的计算，并是结构图简化，简明易读。

实验四双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验
⼀、实验⽬的
1. 了解闭环不可逆直流调速系统的原理，其组成及各主要单元部件的原理。

2. 掌握双闭环不可逆直流系统的调试步骤、⽅法及参数的整定。

3. 研究调节器参数对系统动态性能的影响。

⼆、实验原理
由于加⼯和运⾏的要求，许多⽣产机械的电动机经常处于启动、制动、反转的过渡过程中，因此启动和制动过程的时间在很⼤程度上决定了⽣产机械的⽣产效率。

为缩短这⼀部分时间，仅采⽤⽐例积分调节器的转速反馈单闭环调速系统，其性能还不能令⼈满意。

双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进⾏结合调节的，可获得良好的动、静态性能（两个调节器均采⽤⽐例积分调节器）。

由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外⾯，电流环作为副环放在⾥⾯，这样可以抑制电⽹电压扰动对转速的影响。

实验系统的原理图如图 5.17
所⽰。

启动时，加⼊给定电压g U ，速度调节和电流调节器即以饱和限幅值输出，使电动机以限的最⼤启动电流加速启动电流加速启动，值到电动机转速达到给定转速（g U =U fn ）并在出现超调。

此时，速度调节器和电流调节器退出饱和，使电动机最后稳定在略低于给定转速值的状态中运⾏。

在系统⼯作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压g U 的⼤⼩即可改变电动机的转速。

电流调节器、速度调节器的输出限幅可达到限制启动电流的⽬的。

电流调节器的输出作为触发电路得控制电压U ct ，利⽤电流调节器的输出限幅可达到限制max 的⽬的。

三、实验内容
1 各控制单元调试。

2 测定电流反馈系数β、转速负反馈系数α。

3 测定开环机械特性及⾼、低转速时系统的闭环静态特性n=f(I d )
4 测定闭环控制特性n=f(U g ).
5 观察、记录系统动态波形。

四、实验仿真
多环直流调速系统与开环、单环直流调速系统的主电路模型是⼀样的，主电路仍然是由交流电源、同步脉冲出发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。

其差别反映在控制电路上，多环系统的控制电路更复杂。

双闭环直流调速系统的原理框图如图5.17所⽰。

图5.18是采⽤⾯向电⽓原理结构图⽅法构成的双闭环系统仿真模型。

图５．１８
1. 系统的建模和模型参数设置 1）主电路的建模和参数设置
转速、电流双闭环直流调速系统主电路的建模和模型参数设置与单闭环直流调速系统的建模和模型参数设置绝⼤部分程序相同，只是通过仿真实验将平波电抗器的电感值修改为9e-3（1093
-）H.
2）控制电路的建模和参数设置
转速、电流双闭环系统的控制电路包括给定环节、速度调节器ACR 、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环节、速度反馈环节等。

其中限幅器、偏置电路、反相器的作⽤、建模和参数设置与第六章第⼆节实验相同。

给定环节的参数设置为120Rad/s ，电流反馈系数设为0.1，转速负反馈系数为1.双闭环系统有两个⽐例积分调节器，分别为ACR 和ASR 。

这两个调节器的参数设置为，对ACR ，K pi =2，τi =100，上下幅限值为[120，-120]；对于ASR ，K pi =1.2，τi =10，上下幅限值为[40，-40]。

2.系统的仿真参数设置
通过仿真算法的⽐较实验，本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真“Start time”设为0，“Stop time”设为 2.5其他与第五章第⼆节相同。

3．系统的仿真、仿真结果和输出及结果分析
当建模和参数设置完成后，即可开始进⾏仿真。

图5。

19所⽰是转速、电流双闭环直流调速系统的电流曲线和转速曲线。

从仿真的结果可以看出，它⾮常接近于理论分析的波形。

图５．１９（ａ）转速／电流双闭环调速系统的电流曲线和转速曲线
５．１９（ｂ）电动机⾓频率与电枢电流a I关系曲线
下⾯分析⼀下仿真的结果。

启动过程的第⼀阶段是电流上升阶段，由于突加给定电压，ASR的输⼊很⼤，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最⼤值。

第⼆阶段，ASR 饱和，转速控制环相当于开环状态，系统表现为恒定电流给定作⽤下的电流调速系统，电流调节器的给定电压于反馈电压平衡，输⼊偏差为零，但是由于积分的作⽤，其输出还很⼤，所以出现超调。

转速超调之后，ASR输⼊端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进⼊线性调解阶段，使速度保持恒定，实际结果也基本反映了这⼀点。

五、预习与思考
1.阅读电⼒拖动⾃动控制系统教材中有关双闭环直流调速系统的内容，掌握双
闭环直流调速系统的⼯作原理。

2.理解⽐例积分调节器在双闭环直流调速系统中的作⽤，掌握调节器参数的选
择⽅法。

3.了解调节器参数、反馈系数、滤波环节参数的变化对系统动、静态特性的影
响。

4.为什么双闭环直流调速器系统中使⽤的调节器均为⽐例积分调节器？
5.转速负反馈的极性如果接反会出现什么现象？
6.双闭环直流调速系统中哪些参数的变化会引起电动机转速的改变？哪些参
数的变化会引起电动机最⼤电流的变化？
六、实验总结。