直流调速系统仿真.doc
直流调速系统的仿真研究
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整流桥
图 ｌ 开 环 直 流 调 速 系 统 的 仿 真 模 型
图 为 开环 直流调 速系统 的电流和转 速 曲线 。图
硬 ， 具有抗扰 动 的能力 ， 不 只适用 于对调 速精度要 求不
高的场 合 。如 要具 有更 好 的抗 扰 动 能力 ， 以增 加反 可 馈环节 来改善 其动 态性 能 。
统 中得 到 广 泛 应用 。使 用 静 止 的 可 控 整 流 器 来 获 得 可调 的 直流 电压 ，分 别 对 开 环 、转 速 单 闭环 以及 转速 电流 双 闭环 直 流 调 速 系 统 的 电路 原 理 与 性 能 指 标 进 行 了分 析 研 究 。 最 后 运 用 ＭＡ Ｌ Ｔ ＡＢ 工 具 箱 建 立 了其 仿 真 模 型 ，仿 真 结 果 验证 了三 种调 速 方 法 的合 理 性 、 可 行 性 ，并 比较 了其 优 缺 点 与 适 用 范 围 。
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第 ３期 （ 第 １２期 ） 总 ７
２１ ０ ２年 ６月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＮＧ ８ ＡＵＴＯＭ ＡＴ１ ＲＩ Ｌ ０Ｎ
Ｎｏ．３
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真-(终极版)
本科课程设计题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真姓名王金良学院专业电气工程及其自动化年级学号指导教师2013 年1月11日转速、电流反馈控制直流调速系统仿真摘要转速、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。
本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink 对系统进行仿真。
关键词：双闭环调速、转速、电流、Simulink一、 设计的题目及任务〔一〕概述本次仿真设计需要用到的是Simulink 仿真方法，Simulink 是Matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
〔二〕仿真题目某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =； 额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅， 允许过载倍数 1.5λ=； 晶闸管装置放大系数40s K =； 电枢回路总电阻0.5R =Ω； 时间常数0.03,0.18l m s s T T ==； 电流反馈系数0.05/V A β=； 转速反馈系数α=0.00666Vmin/r 。
〔三〕要完成的任务1〕用MATLAB建立电流环仿真模型；2〕分析电流环不同参数下的仿真曲线；3〕用MATLAB建立转速环仿真模型；4〕分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线。
双闭环直流调速控制系统仿真.
目录第一章概述................................................... - 1 -仿真意义.......................................................... - 1 -本设计内容及要求.................................................. - 2 -第二章双闭环直流调速系统的工作原理............................... - 3 -双闭环直流调速系统的介绍.. (3)双闭环直流调速系统的组成 (4)双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (5)双闭环直流调速系统的起动过程分析 (6)双闭环直流调速系统的动态性能分析 (8)双闭环直流调速系统的动态性能指标 (10)双闭环直流调速系统的频域分析 (12)第三章双闭环直流调速系统的数学模型............................... - 14 -直流电动机建模.. (14)晶闸管触发和整流装置传递函数 (16)按工程设计方法设计双闭环系统调节器 (18)电流调节器的设计 .............................................. - 18 -转速调节器的设计 .............................................. - 22 -第四章 SIMULINK环境中的系统建模、仿真结果及分析.................. - 27 -电流环的MATLAB计算及仿真 (28)电流内环的SIMULINK动态结构图 ................................. - 28 -电流环阶跃响应的MATLAB计算及仿真 ............................. - 28 -电流环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真 ....................... - 30 -电流环频域分析的MATLAB计算及仿真 ............................. - 32 -转速环的MATLAB计算及仿真 (33)转速外环的SIMULINK动态结构图................................. - 33 -转速环阶跃响应的MATLAB计算及仿真............................. - 34 -转速环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真....................... - 35 -转速环频域分析的MATLAB计算及仿真............................. - 37 -第五章结论...................................................... - 39 -参考文献......................................................... - 40 -致谢............................................................. - 41 -附录............................................................. - 42 -第一章概述仿真意义对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。
直流电动机开环调速系统仿真
直流电动机开环调速系统仿真随着电动机在工业、交通等领域的广泛应用，开发一种高效可靠的电动机控制系统对于提高整个工业的精度和效率至关重要。
其中，直流电动机开环调速系统是电动机控制系统中的一种基础环节，其使得直流电动机能够以合适的速度运行，完成工作任务。
一、调速系统的基本原理1. 直流电动机的基本结构与原理直流电动机由定子、转子、刷子、通电电源四个基本部分组成，其中，定子上包覆绕组，绕组所带的电流受到直流电源的控制，与转子上的永磁体受到的作用力相互作用，产生电动力和电磁力，从而使转子旋转。
2. 直流电动机的调速根据直流电动机的转矩-速度特性曲线可知，直流电动机的转速与电极数、电流和电磁力等因素密切相关。
因此，通过控制直流电动机的电流大小，可以达到调节直流电动机转速的目的。
直流电动机开环调速系统主要由电动机本体、电流传感器、减速器以及驱动器等基本组成部分组成。
其中，电流传感器用于检测电动机电流的大小，而驱动器则输出一定的电压或电流，控制直流电动机的运行。
二、仿真实现1. 基本仿真模型基于MATLAB/Simulink软件建立的直流电动机开环调速系统仿真模型主要由瞬时电压、转速检测、控制逻辑、直流电机、直流电阻负载以及电流检测等组成，实时进行电磁转矩的计算，最终得到直流电机的运动状态，从而实现调速功能。
2. 仿真分析通过此仿真模型，我们可以得到直流电动机的运行状态，理解不同负载下的转矩-转速特性曲线以及电流在不同转速下的变化，从而通过调节电流、电压等参数，以达到理想的调速效果。
三、结论直流电动机的开环调速系统是一个重要的电动机控制系统组成部分，其能够有效地提高电动机的自动控制能力，大大提升了直流电动机的工作效率和精度。
本文通过介绍直流电动机调速系统的基本原理和仿真实现，为电动机控制系统研究和开发提供了参考和借鉴，对推动整个行业智能化和自动化发展具有重要意义。
PWM直流调速系统
pwm直流调速系统的建模与仿真1设计意义速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充双闭环调分利用电机的允许过载能负力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，启动电流波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
2主电路设计2.1设计任务晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻R a=0.2Ω,允许过载倍数λ= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5Ω,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数K s=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:T oi=0.002s ,T on=0.01s设计要求:(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%2.2电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1所示。
图1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图2所示图2双闭环直流调速系统原理框图2.2.1电流调节器直流电机是调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以。
实验一、开环直流调速系统的仿真实验
实验一、开环直流调速系统的仿真实验实验目的本实验旨在通过搭建开环直流调速系统的仿真实验平台，深入理解电机的转速调节原理，了解直流电机的调速方法，掌握仿真软件的基本操作，为后续实验打下坚实的基础。
实验器材•个人电脑•仿真软件MATLAB/Simulink实验原理直流电动机的转速调节方法有开环调速和闭环调速两种。
开环调速是采用给定电压和负载转矩（或负载电流）的关系表格，来确定电机所需要的电压值，然后通过直流调速器给电机供给相应电压值来调节电机的转速。
本次实验采用开环调速方法，实现直流电动机的转速控制。
电机通过直接接到电源上，输入直流电，可在一段范围内自动调节电机的转速。
实验过程中，通过修改电机被驱动的电压来达到调节电机的转速和功率的目的。
实验步骤1.在MATLAB/Simulink软件中新建一个仿真模型。
2.从Simulink库中拖拽Power System Toolbox中引入电源，将其与直流电动机模块相连。
3.调整电压、电流、电功率大小，展示不同转速下直流电动机的性能。
4.分析电动机性能曲线并记录实验数据。
5.结束实验后，停止仿真，保存实验数据。
实验结果通过本次实验，得到了不同电压下直流电动机的表现，所有数据都记录到实验报告中，以供参考。
从实验结果来看，不同电压下直流电动机的性能有很大的差异。
不同电压产生的转速和功率差异也十分明显。
本实验是初步了解直流电动机转速调节原理的实验，从中我们可以清晰地了解到开环调速的方法和它的应用。
同时还要深刻理解几个关键的概念，如转速、电压和功率之间的关系，并且会更加熟练地掌握这些内容。
此外，在进行实验时还需要注意实验操作的细节，避免出现过程错误和误差。
我们需要紧密联系育人活动和实验课程，深入了解和掌握实验原理，要严格按照实验要求操作，提高实验技能和实验思维能力，为以后的实验打下基础。
转速反馈控制直流调速系统的仿真
运动控制系统——转速反馈控制直流调速系统的仿真姓名：李冬艳学号：200810401159班级：自动化081班转速反馈控制直流调速系统的仿真工具：MATLAB下的SIMULINK仿真软件一、转速反馈控制直流调速系统各环节的参数如下：直流电动机：额定电压Un=220V，额定电流IdN=55A，额定转速nN=1000r/min，电动机电动势系数Ce=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=0.00167s。
电枢电路总电阻R=1.0欧姆，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a=0.01V.min/r。
对应额定转速时的给定电压Un*=10V。
二、仿真模型的建立进入MATLAB界面，单击工具栏中的SIMULINK图标，打开SIMULINK的模块浏览器窗口。
如图2-1所示。
图2-1 SIMULINK模块浏览器窗口1、打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中的新模型图标或选择File→New→Model菜单项打开模型编辑窗口。
2、复制相关模块：图2-1中的左边模块为所需的子模块库图标，右边为相应子模块库里的子模块。
双击子模块库图标，将所需的子模块拖入模型编辑窗口。
如图2-2所示，图2-2 模型编辑窗口3、修改模块参数：双击模块图标，在弹出的对话框中根据所给的要求修改模块参数。
如图2-3示，图2-3 模型编辑窗口4、模块连接：鼠标左键单击以连接各模块。
把相应的参数数据送人图2-3，其中PI调节器的值暂定为Kp=0.56,1/t=11.43。
最终生成图2-4所示的比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型。
图2-4 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型三、仿真模型的运行1、仿真过程的启动：单击模型编辑窗口中工具栏的运行按钮或者选择Simulation→Start菜单项，可启动仿真过程，再双击Scope 模块就可以显示仿真结果。
直流电机调速系统仿真研究
２ 无刷直 流 电动机 数学模 型
要 十 分 精 确 地 分 析 无 刷 直 流 电动 机 的 运 行 特 性 ， 很 困 是 难 的 。它 涉 及 非 线 性 理 论 及 数 值 解 法 等诸 多 问 题 ， 一 般 工 在 程 应 用 上 尚无 此 必 要 ， 在 本 文 中作 如 下 假 定 ： 故
第２ 卷 第５ ８ 期
文章编号 ：０ ６ ９４ （ ０ １ ０ — ２ ５ ０ １０ — ３ｇ ２ １ ）５ ０ ０ — ４
计
算
机
仿
真
２１年５ ０１ 月
直 流 电 机 调 速 系 统 仿 真 研 究
李 育 贤
（ 安 邮 电学 院 自动 化 学 院 ， 西 西 安 ７０ ２ ） 西 陕 １ １ １ 摘 要 ： 究 无 刷 直 流 电机 神 经 网络 的 ＰＤ控 制 。 针 对 传 统 的 双 闭 环 ＰＤ控 制 器 对控 制参 数 难 以适 应 ， 干 扰 能 力 差 ， 无 刷 研 Ｉ Ｉ 抗 对 直 流 电机 进 行 控 制 时速 度 较 慢 、 定 性 较 差 的缺 点 ， 解 决 上 述 问 题 ， 出 了 一 种 改 进 的 Ｂ 稳 为 提 Ｐ网 络 ＰＤ控 制 的直 流 电 机 调 速 Ｉ
制规律 ， 时数字 ＰＤ调节器的输 出和输入之间的关系是 ： 此 Ｉ
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其 中 为每相绕组 的有效导体数 ， Ｌ为绕组 中导体有效
长度 ， 即磁钢 长度 ， ｒ为电动 机 中气 隙的半径 ， 为绕 组相 电 ， 流。在转矩作用 下电机旋转 ， 转子磁场切 割定 子绕组 ， 在各
比例积分控制的直流调速系统的仿真模型
比例积分控制的直流调速系统的仿真模型：
比例积分控制的直流调速系统子模块：
转数与时间图像：
无静差调速系统输出（图1）
电流与时间图像：
输出波形比例部分（图2）
1.对比分析ASR采用比例、比例积分调节器在速度给定值、负载电流变化时的仿真波形分析。
答：对比图1和图2可知，采用比例控制，则系统响应快但静差率不大；采用比例积分控制后，使系统不但迅速响应控制作用，而且无静差调速（比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差）。
当K p=0.25,t=3时：
无超调时时间与转数的关系（图3）
无超调时时间与电流的关系（图4）当K p=0.8，t=15时：
超调量较大时时间与转数的关系（图5）
超调量较大时时间与电流的关系（图6）
2.对比分析在速度给定值、负载电流变化时的仿真波形；分析电动机启动过程系统的波形。
答：从图3和图4可知：当K p=0.25,t=3时，这时系统转速的响应无超调，但调节时间较长；从图5和图6可知：当K p=0.8，t=15时，此时系统转速的响应的超调较大，但快速性较好。
因此，控制系统的动态跟随性能指标与参数KT有关。
当系统的时间常数T一定时,开环增益K增大，则系统的快速性提高，但稳
定性变差。
若要求动态响应快，则把K取得大一点；若要求超调小，则把K取得小一些。
2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真
仿真的起 始时间
结束时间修 改为0.6秒
图2-54 SIMULINK仿真控制参数对话框
17
自动刻度
启动Scope工具条中的“自动刻度”按 钮。把当前窗中信号的最大最小值为 纵坐标的上下限，得到清晰的图形。
图2-55
修改控制参数后的仿真结果
18
2.6.4 调节器参数的调整
K p 0.25
1 3
2
2.6.1 转速负反馈闭环调速系统仿真框图及参数
直流电动机：额定电压 U N 220V ，
额定电流 I dN 55 A ,额定转速 nN 1000 r/ m，in
电动机电势系数 Ce 0.192V min/ r
晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系 数 K s 44 ，滞后时间常数Ts 0.00167 s ，
关于直流电动机调速系统的PI设计，将 在第3章中作详细的论述。
21
系统转速的响应是 无超调、但调节时 间很长；
图2-56 无超调的仿真结果
19
K p 0.8
1 15
系统转速的响应 的超调较大、但 快速性较好。
图2-57 超调量较大的仿真结果
20
SIMULINK软件的仿真方法为系统设计 提供了仿真平台，可以选择合适的PI参 数，满足系统的跟随性能指标。
在《自动控制理论》课程中讨论了多种 PI调节器的设计方法，MATLAB也为它 们的实现提供了模块。
单击某模块，选取Format→Rotate Block菜单项 可使模块旋转90°；选取Format→Flip Block菜 单项可使模块翻转。
把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标 的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至 分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分 支线的绘制。
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。
直流调速控制系统的分析及仿真
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。
7.1.4系统的性能分析
代入图7-1-5中，由图可见，它是一个二阶系统，已知 二阶系统总是稳定的。但若考虑到晶闸管有延迟，晶 闸管整流装置的传递函数便为
相反。
5.电流截止负反馈环节
当 时，（亦即 ），则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。当 时，（亦即 ），则二极管VD导通， [此处略去二极管的死区电压]，电流截止负反馈环节起作用，它将使整流输出电压 下降，使整流电流下降到允许最大电流。 的数值称为截止电流，以 表示。调节电位器RP3即可整定 ，亦即整定 的数值。一般取 〔 为额定电流〕。 由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去。
在图7-1-1中，主电路中串联了一个阻值很小的取样电阻
(零点几欧)。电阻
上的电压
与
成正比。比 较阈值电压
是由一个辅助电源经电位器RP3提供的。电 流反馈信号(
图7-1-7调速系统的“挖土机”机械特性
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。 机械特性很陡下垂还意味着，堵转时(或起动时)电流不是很大。 这是因为在堵转时，虽然转速n=0，反电动势E＝0，但由于电流 截止负反馈的作用，使
大大下降，从而
不致过大。此时 电流称为堵转电流
⑥ 晶闸管整流电路的调节特性为输出的 平均电压
与触发电路的控制电压
之间的关系，即
图7-1-4为晶闸管整流装置的调节特性。
由图可见，它既有死区，又会饱和。 （当全导通以后，
再增加， 也不会再 上升了），且低压段还有弯曲段。面对 这非线性特性，常用的办法是讲它“看 作”一条直线，即处理成
为
直流电机调速的计算机仿真
直流 电机调速 的计 算机仿 真
彭宽平
武 汉职 业技 术 学 院 （ ３０ ４） ４０７
Ｓｉ ｕｌ ｔｏ ｏ ｐｅ ｄ ｒ ｇ ａ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｄ Ｃ ｏ ｏ ｙＭ ｅ ｎｓｏ ｍ ｐ ｔ ｒ ｍ ａ ｉ ｎ ｆＳ ｅ －ｅ ｕｌ ｔｏ ｎ ｈ Ｍ ｔ ｒｂ ａ ｆｔ Ｃｏ ｈｅ ｕ ｅ
如 图４ 。
８
个 １ｍＨ的 电感 和 直 流 电机 串联 ， ０ 以平 滑
螽， 锄 ６
隶ｓ
４
转子 电流 。 定子 绕组 加恒 电压 ， 励磁也 是 恒定
的。 晶闸管Ｔ ｌ ｈ 的触发信号由电流控制器产生 ， 使
电机 电流被控制在参考值范围以内。 直流速度控
制环用ＰＤ Ｉ 调节器 ， 由仿真块组成 。
直流电机产生的力矩正比于转子电流 ：
７ ＝ ， ｍ １ ＫＴ ａ
Ｋ —＿ Ｔ 力矩系数。 晶闸管Ｔ ｌ ｈ 由脉宽调制信号触发 ， 控制 直流 电机的平均电压是触发角的函数 。
Ｖ（ｖ ） ６ ｃ ａｇ ＝ ｃ
Ｍａｌｂ ｔ 中有一个 电力系统块， ａ 它能够对各种
电机及电力电子器件进行计算机仿真。
图 １ 直流 电机 调 速原 理
ａ ｅ ｖ ｒａ ｌ ｖ ￣ｒ ｆＤＣ ｍｏ ｏ ｎ ｅｔ ｅ ｅ ｓ ａ ｔ ｇ ｇ ａ ｉｂ ｅ ｗａ ｅ ｍｓ ｏ ｔ ｒ ｉ ｉ ｒｔ ｔ ｒｉ ｈ ｈ ｎ
ｔａ ｓｅ ｔｏ ｎ ｓ ｅ ｄ －ｔ ｔ ｒ ｉ ｌｔ ｄ ｂ ａ ｓｏ ｅ ｒ ｎ ｉ ｎ ｒｉ ｔ ａ ｙ ｓａ ｅｗｅ ｅ ｓｍｕ ａ ｅ ｙ ｍｅ ｎ ｆ ｈ ｔ Ｍ ａ ｌｂ Ｔｈ ｏ ｒｅ ａ ｄ ｗａ ｅ ｍ ｆｔ ｅ ｒ ｔ ｒｃ ｒｅ ｔ ｎ ｔ ． ｅ ｃ ｕ ｓ ｎ ｖ ￣ｒ ｏ ｏ ｏ ｕ ｒ ｎ ｄ ａ ｈ ａ
直流调速系统仿真
电枢电感由下式估算：
= La
1= 9.1 CU N 2 pnN IN
19.1 0= .4 × 220 2 × 3×1000 × 55
0.0051H
电枢绕组和励磁绕组之间互感 Laf
因为 = Ce
U N −= Ra IN nN
220 − 0.5= 1× 55 1000
0.192V ⋅ min/ r
KE
图 6-14 转速电流双闭环直流调速系统的动态结构图
线性 PI 调节器的传递函数为
WPI
(s)
=K p
+
1 Ki s
=K p
1+τs τs
式中， K p 为比例系数， Ki 为积分系数，τ = K p Ki 。
MATLAB直流调速系统仿真
MATLAB仿真技术大作业直流调速系统仿真1、电机开环特性计算PWM脉冲占空比：D=V O/Vd=420/600=70%画出转速的波形、电机电枢电流的波形：电机起动时的最大电流：I max=1708A 负载时的稳态电枢电流：I a=143.2A 空载时转速：n=4200rpm 负载时的转速：n=3896rpm2、转速闭环控制设置比例-积分环节，k P=0.01，k I=0.01，k D=0画出转速的波形、电机电枢电流的波形：电机起动时的最大电流：I max=2425A 负载时的稳态电枢电流：I a=141.6A 3、改善电机起动特性用斜坡函数加限幅（ramp--saturation）代替转速指令：斜坡斜率设为8400，限幅设为4200。
画出转速的波形、电机电枢电流的波形：电机起动时的最大电流：I max=619.7A4、简化降压斩波器降压斩波器只使用一只IGBT和一只二极管时，再次进行仿真。
画出电机电枢电流的波形与第3问的波形进行比较：与第3问的波形进行比较：t=0.3s时，I a(3)=379.3A I a(4)=379.3At=0.8s时，I a(3)=-8.92A I a(4)=-0.02107At=1.5s时，I a(3)= 143.4A I a(4)=143.8A通过对比，可知三段波形的数值几乎无差别或差别非常小可忽略不计；但波形显示在t=0.5s 左右时第四问波形的纹波值比第三问波形的纹波值小。
因为器件替换后，各部分的功能并未发生变化，电路的正常工作状态并未受到影响，因此用不同的降压斩波器波形几乎无差别。
纹波的区别可能是因为二极管与带反并联二极管的IGBT、不带反并联二极管的IGBT与带反并联二极管的IGBT结构上的区别所导致。
控制系统课程设计--转速反馈控制直流调速系统的仿真
控制系统课程设计--转速反馈控制直流调速系统的仿真控制系统课程设计设计内容:转速反馈控制直流调速系统的仿真院系: 信息科学与技术部专业: 电气工程及其自动化班级 : 11Q电气7 班目录一.仿真软件的选用 ..................................................................... .. (1)1.1 MATLAB简介 ..................................................................... . (1)1.2 对SIMULINK的简介 ..................................................................... ................................. 1 二.仿真框图及说明 ..................................................................... .. (2)2.1比例积分控制的直流调速系统的仿真框图 .....................................................................22.2仿真参数要求 ..................................................................... ................................................ 2 三.仿真模型图及参数设置 ..................................................................... ......................................... 2 四.仿真结果 ..................................................................... .. (4)4.1 仿真过程 ..................................................................... . (4)4.2调节器参数的调整 ..................................................................... ........................................ 6 五. 总结...................................................................... . (8)六.参考文献 ..................................................................... ................................................................. 9 七.致谢...................................................................... ........................................................................9一.仿真软件的选用1.1 MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
转速闭环控制的直流调速系统仿真
转速闭环控制的直流调速系统仿真1带负反馈的有静差直流调速系统原理晶闸管一直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压 实现调速，但是存在两个问题，一是全电压启动时启动电流大； 二是转速随着负 载变化而变化，负载越大，转速降落越大，难于在负载变动时保持转速的稳定而 满足生产工艺的要求。
为了减小负载波动 对电动机转速的影响，可以采取带转 速负反馈的闭环调速系统，根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压，从而 保持转速的稳定。
带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图 1所示。
系统有转速给定环 节U n放大器Kp 、移相触发器CF 、晶闸管整流器和直流电动机 M 、测速发 电机TG 等组成。
该系统在电动机负载增加时，转速将下降，转速反馈 U n 减 小，而转速的偏差 U n 将增大 C U n =U n -u n )同时放大器输出 U c 增加，并经移相触发器使整流器输出电压 U d 增加， 电枢电流I d 增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负 载增加造成的转速降。
带负载负反馈的直流调速系统的稳态特征方程为图1带转速负反馈的有静差直流调速系统组成K PK S U R I N dnR I d电机转速降为•汕二c 1 K式中,K=K P K s'C e , Kp为放大器放大倍数；C e为晶闸管整流器的放大倍数；〉为转速反馈系数；R为电枢回路总电阻。
从稳态特性方程可以看到，如果适当增加放大器的放大倍数Kp，电动机的转速降将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说，在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。
如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。
2转速负反馈有静差调速系统的仿真模型转速负反馈有静差调速系统的仿真模型如图2:图2转速负反馈有静差调速系统的仿真模型模型参数设置如表1:表1转速负反馈有静差直流调速系统模型参数3仿真结果和分析（a）K P=1°U N=1°电流相应曲线(b) K P=5U N"°速度响应曲线(C) K P U N"°速度响应曲线(d) K P=20U N"°速度响应曲线图3额定转速时的响应曲线波形分析：在给定转速U N“°时，随着放大器放大倍数K P的增加，系统的稳态转速提高，即稳态转速降减小。
直流电动机双闭环调速系统的仿真模拟
直流电动机双闭环调速系统的仿真模拟摘要：本文介绍了利用MATLAB软件中的Simulink组件对直流电动机双闭环调速系统进行仿真模拟，获得了直流电动机双闭环调速系统的相关曲线。
可知，在该调速系统中运用双闭环调速系统能够显著改善系统的静态与动态性能，以及应用MATLAB软件对系统进行仿真具有便捷、高效等优点。
关键词：MATLAB；直流电动机；双闭环调速系统；仿真引言目前大多数以直流电动机作为动力源的生产设备都对直流电动机的转速和快速启动能力有较高的要求，如工业机器人等设备，为了提高效率和质量，还要求其系统本身具有自我调节的能力，以实现其系统的自动化功能，这就对调速系统有了较高的要求。
本文通过一个基于MATLAB的系统实例做一些分析，其对相似的设计具有一定的参考意义。
1.直流电动机双闭环调速控制系统1.1转速、电流双闭环调速系统的构成[1]双闭环调速系统的控制电路包括：给定环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR、限幅装置、电流反馈环节、转速反馈环节等。
1.2直流电动机双闭环调速系统的动态特性[2]建立双闭环调速控制系统的动态结构图，应用软件MATLAB提供的Simulink 组件动态仿真工具，如图1所示。
在下图控制系统中，PI调节器控制电流和转速；将晶闸管整流环节及电动机环节分别近似成一阶惯性环节和二阶传递函数模型。
图1动态结构图2.直流电动机双闭环调速系统的仿真实例2.1直流电动机双闭环调速系统的设计[3]首先设计系统内部电流环，确定电流调节器的组成电路与电路元件。
将电流环作为一个惯性环节；同理，根据已知模型的参数要求采用同样的方法设计出转速调节环节。
系统参数设置如下：电势常数：转矩常数：电磁时间常数：机电时间常数：晶闸管整流装置滞后时间常数：选取转速调节器的输出限幅值为通过计算可以得出：晶闸管装置放大系数：启动电流：选取电流调节器的输出限幅值为可以得到：电流反馈系数：选取电流反馈滤波时间常数：选取转速最大给定值：可以得到转速反馈系数：选取转速反馈滤波时间常数：反馈调节系统的设计：电流调节器的数学模型为：。
实验四转速、电流反馈控制直流调速系统仿真(word文档)
实验四转速、电流反响控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用 MATLAB 下的 SIMULINK软件进行系统仿真。
学会用 MATLAB 下的 SIMULINK 软件建立转速、电流反响控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
二、实验器材PC 机一台， MATLAB 软件三、实验参数采用转速、电流反响控制的直流调速系统，依照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流I d和转速n 的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行解析，给出相应的结论。
转速、电流反响控制的直流调速系统中各环节的参数以下：直流电动机：额定电压 U N = 220 V，额定电流 I dN =136 A，额定转速 n N = 1460r/min，电动机电势系数C e= 0.132 V· min/r ，赞同过载倍数λ=1.5 。
晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。
电枢回路总电阻 R =0.5Ω，电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数 T m = 0.18 s，整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。
电流反响系数β=0.05V/A （≈10V/1.5I N)。
四、实验内容1、电流环的仿真。
参照教材P90 中相关内容建立采用比率积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。
140 2 0.5-K-0.002s+1 0.0017s+1 0.03s+1 0.18sStep Transfer Fcn Gain Saturation Transfer Fcn1 Transfer Fcn2 Transfer Fcn31-K-sGain1 Integrator0.050.002s+1Transfer Fcn4 Scope图 1 电流环的仿真模型2、依照表 1 中的数据分别改变电流环中比率积分控制器的比率系数K p和积分系数K i，观察电流环输出电枢电流I d的响应曲线，记录电枢电流I d的超调量、响应时间、稳态值等参数，可否存在静差？解析原因。
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直流调速系统仿真目录一．直流调速系统仿真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.PWM直流调速系统仿真二．双闭环直流调速系统1双闭环直流调速系统的工作原理1.1双闭环直流调速系统的介绍1.2双闭环直流调速系统的组成1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性1.4双闭环直流调速系统的数学模型2系统设计方法及步骤2.1系统设计的一般原则2.2电流环设计2.2.1确定时间常数2.2.2选择电流调节器结构2.2.3选择电流调节器参数2.2.4校验近似条件2.3转速环设计2.3.1确定时间常数2.3.2选择转速调节器结构2.3.3选择转速调节器参数2.3.4校验近似条件三．Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析3.1Matlab和Simulink简介3.2 Matlab建模与仿真3.3电流环的MA TLAB计算及仿真3.3.1电流环校正前后给定阶跃响的MA TLAB计算及仿真3.3.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标3.3.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.3.4电流环频域分析的MA TLAB计算及仿真3.4转速环的MA TLAB计算及仿真3.4.1转速环校正前后给定阶跃响应的MA TLAB计算及仿真3.4.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标3.4.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.4.4转速环频域分析的MA TLAB计算及仿真4V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图摘要直流调速系统有多种调速方法，各种方法各有优缺点。
就性能而言，闭环性能优于开环，双闭环性能优于单闭环，然而对于实际系统，还要考虑系统的成本和复杂性，因此各种方法都有一定的适应场合。
本次实习报告充分地分析了各种调速方法的性能，通过仿真的方法，能够充分分析不同调速方法在不同给定，不同干扰，系统的输出变化，从而把握不同调速方法的优缺点和适用场合。
本次实习充分利用Matlab中的Simulink环境下的系统模型仿真功能，还利用了Matlab进行了频域分析等。
一．直流调速系统的仿真1 开环直流调速系统的仿真开环直流调速系统，既无反馈控制的直流调速系统，调节控制电压就可以改变电动机转速。
1.如图所示为开环直流调速系统的仿真模型图中step为负载在2秒时负载由50变成1002.仿真结果：从仿真结果看，转速很快上升，当在2秒负载由50变成100时，由于开环无法起调节作用，转速下降。
2 单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真1.如图所示为单闭环有静差转速负反馈仿真模型2．仿真结果：从仿真结果看，转速很快达到稳态，当在2秒负载由50变成100时，由于比例起调节作用，系统快速调节，使转速快速上升到稳态值。
3 单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真1.如图所示为单闭环无静差转速负反馈仿真模型2．仿真结果：从仿真结果看，当在2秒负载由50变成100时，转速下降，由于PI 调节器起调节作用，使转速上升到稳态值，但调节速度比比例调节器慢。
4 单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真1.如图所示为单闭环电流截止转速负反馈仿真模型2.仿真结果从仿真结果看，电枢电流始终小于120A（由于电流比较器设定值为120A），由于限制了启动电流，所以单闭环转速负反馈相比较可以看出，电动机到达稳态的时间变长了。
5 单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真由于单闭环转速负反馈，在实际应用中其安装与维护都比较麻烦，所以采用电压负反馈。
1.如图所示为单闭环电压负反馈仿真模型2.仿真结果从仿真结果看，其转速很快达到稳态，但电流在稳态后有脉动。
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虽然在实际中，单闭环电压负反馈较方便，但这种系统只能维持电动机端电压恒定，而不能抑制电动机电枢电阻压降引起的静态速降，所以加电流正反馈。
1.如图所示为单闭环电压负反馈和带电流正反馈仿真模型2.仿真结果从仿真结果看，其稳态转速比电压反馈高，所以其可以减少稳态速降。
7 单闭环转速负反馈调速系统定量仿真1.如图所示为单闭环转速负反馈仿真模型主要参数设置：如图PI调节器：kp=2，ki=3；电动机参数如图：其励磁电压Uf=240伏，励磁电阻Rf=120欧姆。
2.仿真结果从仿真结果看，当给定电压为9.5V时，电动机工作在额定转速1360rad/s附近，电枢电流接近136A，从而说明参数设置合理。
8 双闭环直流调速系统定量仿真1.电流环仿真模型：主要参数设置：WCR中的kp=1.013,ki=1/0.03,非线性模块：限幅值为【-10 10】2.仿真结果：从仿真结果看，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电势的扰动。
3.双闭环仿真模型：主要参数设置：WSR中的kp=11.7,ki=134.48,非线性模块：限幅值为【-20 20】，4.仿真结果：从仿真结果看，双闭环直流调速系统实现了“时间最优”的过渡过程。
9. PWM直流调速系统仿真自从全控型电力电子器件问世，就出现了采用脉宽调制的高频开关控制方式，即直流脉宽调速系统——PWM调速系统1.仿真模型：（1）（2）PWM发生器模型：（3））PWM发生器封装后子系统：2.仿真结果：(1)转速波形：（2）电流波形从仿真结果看，若给定信号是10V，电动机起动时，在电流调节器作用下，是电机以最优时间准则开始上升。
二．双闭环直流调速系统1双闭环直流调速系统的工作原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器分别调节转速和电流，即分别引进转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套联接，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，它们的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压imU决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U1.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环直流调速系统是静动态性能优良、应用最广的直流调速系统，突破了单闭环系统仅考虑静态性能的局限性。
双闭环直流调速系统具有许多优点，比如抗电网电压扰动性好，起动快，调速性能好，限流作用比单闭环带截止电流负反馈更好。
1.2双闭环直流调速系统的组成图1中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器GT 。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器GT—电力电子变换器图1 双闭环直流调速系统的组成1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性(1)双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。
一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。
当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。
图2双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。
(2)双闭环直流调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下d s d di U Ri LEdt =++ (0)on t t ≤<. d s d di U Ri LEdt =++()on t t T ≤<按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是dsU U γ=，平均电流用dI 表示，平均转速/e n E C =，而电枢电感压降d di L dt的平均值在稳态时应为零。
于是其平均值方程可以写成s d d e U RI E RI C n γ=+=+则机械特性方程式0sd d eeeU R R n I n I C C C γ=-=-1.4双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。
双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id 显露出来。
绘制双闭环直流调速系统的数学模型如下：图1.4双闭环直流调速系统的数学模型图2系统设计方法及步骤2.1系统设计的一般原则为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：1。
保证转速在设定后尽快达到稳速状态；2。
保证最优的稳定时间；3。
减小转速超调量。
为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。
建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：∙概念清楚、易懂；∙计算公式简明、好记；∙不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；∙能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；∙适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。
在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。
2.2电流环设计2.2.1确定时间常数三相桥式电路的平均失控时间ST =0.0017s电流环小时间常数之和iT ∑：(按小时间常数近似处理取)iT ∑=ST +o iT =0.0017s+0.002s=0.0037s2.2.2选择电流调节器结构根据设计要求用PI 型电流调节器，其传递函数为()()1iiAC R S iS S K Wττ+=2.2.3选择电流调节器参数为将电流环校正为典Ⅰ系统，电流调节器的超前时间常数应对消掉控制对象的大时间常数lT ，即i τ=lT =0.03 s为满足i δ ≤5%，取i I T K ∑=0.5 因此，IK = I SiRK Kβτ=12iT∑=0037.021⨯=135.1 1s -于是可以求得ACR 的比例放大系数iK ：iK=IisRK Kβτ=05.0405.003.01.135⨯⨯⨯=1.0132.2.4校验近似条件电流环截止频率1250Ici w sK-==skWICI11.135-==检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：154.8s-==03.018.01313⨯⨯=TT lm1s-≈40.821s-满足近似条件ciw ≥检验电流环小时间常数的近似处理条002.00017.0131131⨯=TT ois≈180.81s-满足近似条件：ciw ≤电流环按照典Ⅰ系统设计，且取i I T K ∑=0.5，查表可知此时系统的动态性能指标为i δ=4.3%<5%，满足设计要求。