开环直流调速控制系统与仿真
直流电机调速开环控制
综合实验报告( 2011 -- 2012 年度第 1 学期)名称：电力电子综合实验题目：直流电机调速开环控制院系：电气与电子工程学院班级：台号：学号：学生姓名：指导教师：成绩：日期：2011年12 月一．实验目的1.掌握开环直流脉宽调速系统的组成，原理，各主要部件的工作原理2.验证直流电机运行的机械特性。
二．实验内容1.PWM触发脉冲的调试2.直流电机系统开环特性测试三．实验设备及仪器1.直流电动机2.双踪示波器3.测速发电机，直流发电机4.教学实验主控制屏四．注意事项1.注意安全，主电路电流不许超过电机的额定值。
2.改变正负给定时，必须先把电压调到最小值，然后按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，再改变给定方式。
3.注意接线方式的正确，老师检查正确后，才开始做实验。
五．实验设计方法和思想1.直流电机开环系统的测试因为我们需要讨论的是，直流电机开环的机械特性，即转矩T与转速N的关系。
从给定的实验仪器，我们知道测速发电机，测的也不是真正的转速，而是以电压来代替。
鉴于我们所学的东西的知识有限，我们无法测出真正的转矩，但是我们根据转矩T与电枢电流I成正比的关系，于是，我们小组的思路是，在回路中串联一个电流表测电枢电流，用电枢电流与测速发电机测出的转速的关系来描绘机械特性。
在单一控制变量法的思想的指导下，我们先把电机调到空载状态，而后保持输入电压的不变，再记录随着电枢电流的改变，转速的改变数据。
鉴于实验室提供了四个灯泡的并联串联，所以可以做到改变电阻来改变电枢电流。
六．实验数据的记录七．实验总结：根据我们所学的电机的知识，理想中的实验结果，应该是转矩T与转速N成正比的直线关系，随着电枢电流的增大，转速下降。
但是实际情况并不完全理想，所以，所得的不是直线，而是类似于平滑的曲线。
经过试验我们对电机运行有个更为具象的认识和了解，我们会继续努力学习相关知识，更深入的了解电机的特性。
开环直流调速系统的动态建模与仿真
电控学院运动控制系统仿真课程设计院（系）：电气与控制工程学院专业班级：姓名：学号：开环直流调速系统的动态建模与仿真摘要：MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。
本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。
通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。
从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。
详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。
其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。
首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。
其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。
采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB 仿真模型。
分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。
1.1课题背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。
在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。
晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。
尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。
但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。
现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。
长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。
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。
《MATLAB工程应用》---晶闸管开环直流调速系统仿真实验
《MATLAB工程应用》
晶闸管开环直流调速系统仿真
一、选题背景
本课程是在《电机学》《单片机》等课程上，独立设计的一门综合实验课程。
课程主要目的是培养学生分析问题，解决问题能力，提高学生自主学习，分工协作以及课程设计报告撰写水平。
二、方案论证(设计理念)
设计一个晶闸管直流调速系统仿真模型，通过改变触发器移相控制信号来调节晶闸管的触发角，而从获得可调的直流电压，以该直流输出为直流电机供电。
要求完成仿真模型图和仿真波形图，其中波形图包括直流电机的转速波形，电枢电流波形，转矩波形，改变触发角后的转速波形。
三、过程论述
直流电动机电枢由晶闸管整流电路经平波电抗器供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的控制角,从而获得可调的直流电压，以实现直流电动机的调速。
移相控制信号，在实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。
图1：构建的simulink仿真结构图
图2：参数设置
图3：波形
五、课程设计总结
仿真可得到闸管直流调速系统的输出波形。
电机转速波形，电枢电流波形，二者变化基本一致。
若将触发角改为30°，则转速波形发生明显改变，转速提高，这是因为直流电压增大的原因。
经过这段时间队MATLAB的学习，学会了对知识的汇总与运用，能够熟练使用相关软件，收获较大。
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。
直流电机调速系统及其开环控制 马宇威
直流电机调速系统及其开环控制马宇威摘要：工业控制中大量采用异步电动机和直流电机作为电力拖动设备，为适应不同场合的需要，电机应当有较好的调速性能。
本文首先介绍直流电机的基本调速方式，并根据其电气结构特点给出几种常见的控制调速方式。
并建立了开环控制模型，分析其电气性能和机械性能上的优劣。
关键词：直流电机；开环控制1.直流电机及其调速方式直流电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机械能与直流电能转换的电气设备。
直流电动机的特点是具有良好的起动，调速，制动性能。
它的起动转矩大，能在较大的范围内实现平滑，经济地调速。
虽然相对于三相异步电动机具有成本较高占地较大，机械设计维护制造维护难度较大，且需要整流电源配置等缺点，还是在实际工业生产中在对起动性能和调速性能要求较大的场合仍然具有一定的地位，如发电厂锅炉给粉系统，矿井卷扬机械，大型机床和电力机车以及城市无轨电车，都使用直流电动机拖动。
由此可见直流电动机在工农业生产中发挥的重要作用。
根据电机学中直流电机的基本理论，电机转速由下式给出：n =（U−IR）/（CeΦ）式中 n——转速（r/min）；U——电枢电压（V）；I——电枢电流（A）；R——电枢回路总电阻（Ω）；Φ——励磁磁通（Wb）；Ce——电机的常数，由其结构决定。
从上式中可以看出三种基本的直流电机调速方法，改变电枢电压，改变主磁通，或者改变电枢回路总电阻。
改变电枢电压调速。
这种调速方法可以实现连续平滑调速，电枢电压可以依靠电力电子设备进行控制。
现常用的方法有两种，其一为使用晶闸管把交流电能整成直流电能，控制量为晶闸管的移相触发角。
在实现的时候，晶闸管的触发角和输出电压并不是正相关的关系。
在控制理论的建模中，将晶闸管环节简化成是一个一阶惯性环节，方便使用经典的控制理论进行系统分析与校正。
根据电力电子中的分析，三相全控整流桥的输出电压由U = 2.34U2cos（）决定，触发角的范围为 0-90，这就需要在实际控制时，对触发角进行处理，包括将前级的输出量成比例的放缩至触发区间，以及将输出量转化为正相关的量。
晶闸管-直流电动机开环调速仿真
《计算机仿真及应用B》答卷题目名称：晶闸管-直流电动机开环调速系统仿真班级：电气本科一班学号： 201240220102 姓名：付超勇指导教师：陈学珍命题说明：此门课程主要考核学生的实际动手能力，掌握用MATLAB建立系统仿真模型的方法，为了对每个学生进行考核，一人一题，雷同率不能超过50%，由学生自己确定题目。
要满足以下几点要求：1、详细描述所做题目的工作原理及所用电机参数；2、直流电机参数要有计算步骤；3、画出仿真原理图，子系统要一一展开；4、仿真结果分析；5、用A4纸打印，在规定时间内交上来。
成绩评定标准：1．原理描述清楚得20分。
2．仿真原理图正确得30分。
3．子系统展开得20分。
4、仿真结果正确及有分析得30分。
实验名称晶闸管-直流电动机开环调速1.1仿真原理图图1-1 直流开环调速系统电气原理图1-2 直流电动机开环调速系统结构图1.2仿真参数明细根据实验原理图在MATLAB软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。
仿真具体步骤1）所用元器件及其参数设置A）三相交流电源A、B、C首先从Simpowersystes 中的Electrical sources 电源模块组中选取一个交流电压源模块 AC Voltage Source，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，用 Format(格式设定)菜单中 Rotate block(Ctrl +R)将模块水平放置，并点击模块标题名称，将模块标签分别改为“Ua”、“ Ub”、“ Uc”，然后从连接器模块 Connectors 中选取“Ground （output）”元件，按下图进行连接。
(1)Ua(2)Ub(3)Uc图1-4 三相电源参数设置设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。
a)6-Pulse Generator同步脉冲触发器包括同步电源和 6 脉冲触发器两部分。
6 脉冲触发器从Simpowersystes中选取 Extra Libray 中的 Contral Blocks 中取获得。
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
开环直流调速系统的动态建模与仿真.
开环直流调速系统的动态建模与仿真学院：电气与控制工程学院班级：学号：姓名：设计题目：开环直流调速系统的动态建模与仿真设计目的：1.掌握开环直流调速系统的建模方法2.熟悉MATLAB/Simulink的使用方法MATLAB的概述：MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
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。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB是目前国际上最流行，应用最广泛的科学与工程计算软件，它由MATLAB语言，MATLAB工作环境，MATLAB图像处理系统，MATLAB数据函数库，MATLAB应用程序接口五大部分组成的集数值计算，图形处理，程序开发为一体的功能强大的系统．它应用于自动控制，数学计算，信号分析，计算机技术，图像信号处理，财务分析，航天工业，汽车工业，生物医学工程，语音处理和雷达工程等各行业，也是国内高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。
MATLAB是以矩阵运算为基础的交互式程序语言，能够满足科学、工程计算和绘图的需求。
与其它计算机语言相比，其特点是简洁和智能化，适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，使得编程和调试效率大大提高。
直流电动机开环控制系统实训报告
直流电动机开环控制系统实训报告
本次实训主要学习了直流电动机开环控制系统的基础知识和实验操作，通过实验过程，进一步了解了直流电动机的基本原理和其控制方法。
首先，我们了解了直流电动机的工作原理和结构，以及相应的参数和
公式计算方法。
通过实验测定了电机的空载和负载特性，掌握了电机转速、电压、电流之间的关系。
然后，我们学习了直流电机的开环控制系统原理
和分类，并实际操作了基于电阻调速和电压调速的两种控制方法，以及对
应的电路和控制手段。
在实验中，我们通过改变电机电源电压、串联不同
阻值的电阻，或者调节电位器，分析了电机转速和电流的变化趋势，验证
了不同载荷情况下电机的稳定性和输出特性。
在实验中，我们还学习了PID控制算法的应用，并通过构建PID控制
系统，实现直流电机速度的精确控制和自动调节。
在实验过程中，我们按
照实验要求，调整了PID参数和控制量，观察系统的响应速度、稳态误差
和稳定性等性能指标，调整最优PID参数，使电机速度实现最佳控制。
通过此次实验，我深刻了解了直流电机的基本原理和控制方法，掌握
了开环控制系统的设计和调试方法，从而提高了自己的实验操作能力和实
践经验，为日后电机控制和应用提供了雏形基础，具有重要的理论和实际
应用价值。
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。
直流调速系统及其仿真.ppt
二、调压调速的关键装置--可控直流电源
常用的可控直流电源有以下三种：
1、旋转变流机组
2、静止可 控整流器
3、直流斩波 器和脉宽调制
变换器
1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电 机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。
+ 励 磁 电 源
+
-
~
GE
~M n +(-) n
放
大 装
If
G
U
M
晶闸管整流器的内阻 要求D=20，s≤5%
Rrec=0.13Ω
问题
问若采用开环V-M系统能否满足要求？ 若采用α=0.015V·min/r转速负反馈闭环系统，问放大 器的放大系数为多大时才能满足要求？
解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？
nmin
nn D
1000 20
50(r / min)
n-
+
+
RP2
U tg
IG
-
-
V-M闭环系统原理框图
(a)给定环节——产生控制信号：由高精度直流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。
(b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、 PI运放器组成
(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大 GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器; 整流装置：单相、三相、半控、全控.
U
* n
, 则n
改变
（2）对负载波动等扰动信号的调节——稳速过程：
n基本不受负载波动等扰动输入的影响
例如：
TL
n
Un
U n
(U
* n
Un )
Uct Ud 0 ( Id Te ) n
开环直流调速系统的仿真
共 阴 极 组 —— 阴 极连接在一起的 3 个晶闸管（ VT1 ， VT3，VT5）
导通顺序：
VT1－VT2
－VT3－ VT4
－VT5－VT6
图 三相桥式全控整流电路原理图
共阳极组 —— 阳 极连接在一起的 3个晶闸管（VT4， VT6，VT2）
带电阻负载
时，各晶闸 管均在自然换相点处换 相，各自然换相点既是 相电压的交点，同时也 是线电压的交点。 输出整流电压ud为 这两个相电压相减，是 线电压中最大的一个， 因此输出整流电压ud波 形为线电压在正半周期 的包络线。
开环直流调速系统的仿真
直流调速系统控制方案 根据电动机的转速表达式：
ud id Rd n Ce
可以看出，直流电动机调节转速有以下三种 方法： （1）调节电枢电压调速； （2）改变电动机励磁调速； （3）改变电枢回路电阻调速。
晶闸管直流调速系统电器原理图
晶管触发与整流装置动态结构图
三相桥式全控整流电路
调节Un*→改变移相角α→改变U d→ n改变 在仿真中，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触 发器的控制角通过移相控制环节，移相控制模块的输入是 移相控制信号Uc,输出是控制角，移相控制信号Uc由常数 模块设定。
开环直流调速系统的仿真模型
基于电气原理图的直流电动机
电动机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中的DC machines 和DiscreteDC machines分别是直流电动机和离散直流 电动机模型
Field resistance and inductanceRf (ohms) 和Lf(H): 励磁回路电阻和电感
Field-armature mutual inductanceLaf (H)： 电枢与励磁回路互感； Total inertia J (kg.m^2) ：电机转动惯量(kg.m^2) ； Viscous friction coefficient Bm (N.m.s)：粘滞摩擦系数(N.m.s)； Coulomb friction torque Tf (N.m)： 静摩擦转矩(N.m)； Initial speed (rad/s)：初始速度。
开环直流调速系统
实验一开环直流调速系统一、实验目的1．了解晶闸管直流调速系统实验装置的组成。
2．熟悉直流调速系统的组成及基本结构。
3．掌握晶闸管直流调速系统参数及开环系统调速特性的测定。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理图1-1是最简单的晶闸管—直流电动机开环调速系统。
其中，U C是系统的给定输入信号，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使外界交流电源整流出直流电压U do供给直流电动机，使电动机以一定的速度旋转。
改变控制电压U C就可触发器的脉冲控制角及整流电压U do，相应改变电动机的转速，从而达到调速的目的。
这时电动机的机械特性为：n n C R I U C KC R I U K C R I U n o e d c e tr e d c tr e d do ∆-=-=-=-=∑∑∑φφφφ （6-1）其中 φe d C R I n ∑=∆ ——系统的开环稳态速降。
开环系统当给定输入信号一定时，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使交流电源整流出直流电压U do 也是恒定的，电动机就以恒定的速度旋转。
但当外界有扰动（例如负载波动）时，转速就有较大的波动，而开环系统不能自动进行补偿四、实验内容(1)学习DJK01“电源控制屏”的使用方法。
(2)DJK04上的基本单元的调试。
(3)U c 不变时直流电动机开环特性的测定。
(4)U d 不变时直流电动机开环特性的测定。
五、预习要求(1)复习自动控制系统(直流调速系统)教材中有关晶闸管开环直流调速系统、闭环反馈控制系统的内容。
图1-1 开环直流调速系统(2)根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。
六、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
开环直流调速系统
电气测量综合控制系统设计报告设计名称:直流电动机开环调速系统仿真姓名:田雪峰学号:专业班级:自动化13-02指导教师：侯淑萍、张勇系（院）:信息工程学院设计时间：20１６、０5、２2~2016、06、０3课程设计成绩评定表(在相应栏目打√）评价项目评价质量优秀良好一般及格不及格工作量与态度实验、计算可靠性文字与图表质量总体评价目录1绪论.。
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.．. １、1 技术数据。
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...．1、2 设计任务。
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2 开环系统直流调速系统得工作原理．．.。
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．2、1开环直流调速系统得组成与原理。
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2、２开环直流调速系统得静特性分析.。
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．.．.．2、3开环直流调速系统得稳态结构图。
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．２、4开环直流调速系统得数学模型.．。
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.3 开环系统直流调速系统得硬件电路设计与实现。
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3、1晶闸管整流电路及保护电路。
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3、２触发控制电路。
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．.．3、3系统给定。
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《计算机仿真及应用B》答卷学号：姓名：班级：任课老师：开环直流调速控制系统的仿真1、开环直流调速控制系统的组成开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。
对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具备修正能力。
而直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压方案，具体实现在20世纪60年代晶闸管整流器的应用而采用由晶闸管整流器和电动机（V-M ）系统实现开环或闭环控制调速系统。
2、开环直流调速控制系统仿真（1）基于数学模型的开环直流调速系统仿真。
①开环直流调速控制系统数学模型。
开环直流调速控制系统主要包括给定信号、晶闸管触发装置及整流环节、平波电抗器和直流电动机等4个环节。
这里所说的基于数学模型的系统仿真主要是指基于传递函数的matlab 下的Simulink 下的实现，再通过机理法可以建立开环直流调速控制系统动态结构图，如图1-1所示。
然后，根据系统I 直接给出各个环节的传递函数及参数。
可以得到系统I 开环控制的动态结构图，如图1-2所示。
②开环直流调速系统仿真实现。
图1-1 开环直流调速控制系统动态结构图图1-2 系统I 的开环系统动态结构图根据系统I 的开环系统动态结构图及其参数值，在matlab 的Simulink 环境可以轻松的建立系统的仿真结构，如图1-3所示。
电动机的转速输出动态曲线，如图1-4所示。
I L (S) — n(s) U *n (s) 一 1/R a T d S+1 R a C e T m SC e K s T s S+1 U d (s) I d (s) I L (S) — n(s) U *n (s) 一1/0.08 0.025s+1 0.08 0.185×0.8s 0.185 23 0.0017s+1 U d (s) I d (s)图1-3 系统I仿真模型图1-4 电动机转速输出曲线通过改变给定信号的大小，来实现对电机输出转速的控制与调节的目的。
在仿真系统中的实现过程就是改变系统给定的阶跃信号的大小。
但是开环控制系统的最大的缺点就是：无法实现的电网电压的波动以及电机负载变化等扰动信号对转速影响。
由于负载的增加，使电动机的转速降低，而在系统稳定之后转速并没有恢复到原系统输出值。
（2）基于电气原理图的系统仿真。
基于电气原理图实现系统的仿真实现主要过程是依据系统原理图，根据具体实现的不同功能，将整个系统划分为若干子模块，通过matlab中SimPowerSystems工具箱电气元件以及其他工具箱中的模块，组合实现子模块的仿真与建模，最终再依据电气原理图的电气连接实现各个子模块的连接即实现整个系统的建模。
开环直流调速控制系统原理图，如图2-5所示，下面分别介绍各模型及参数。
①三相对称交流电源模型。
从SimPowerSystems工具箱中Electrical Sources（电源）库中选择AC.Voltage Sources(交流电压源)模块，参数设置如图2-1所示，即相电压峰值220V，频率50Hz。
初始相位0°，并将模块标签改为A，表示为三相对称交流电源A相。
通过复制得到两个电压源模块，更改二者参数初始相位为120°和240°，即为B、C相电源，同样将标签改为B、C。
在connectors 库中选择Bus bar和输出型接地模块，进行相应连接得到三相对称交流电源。
②晶闸管整流器模型。
从SimPowerSystems 工具箱中的Power Electronics 库中选取Universal Bridge 模块，并将模块标签改为SCR ，然后双击模块图标，打开Block Parameters ：Universal Bridge 对话框进行参数设置，如图2-2所示，此参数一般要参考实际选取交流装置。
图2-1 A 相电压源参数设置图2-2晶闸管整流器模型参数设置③ 直流电动机模型。
直流电动机固有参数是以某电动机铭牌标示的电动机数据计算而获得，这些数据是建立电动机模型的基础。
已知某直流电动机调速系统（简称系统I ），控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下。
● 电动机：P nom =150kW ；n nom =1000r/min ；I nom =700A ；R a =0.05Ω。
● 主回路：R d =0.08Ω；L d =2mH ；全控桥式整流m=6。
● 负载及电动机转动惯量：GD 2=125kg*m 2。
计算得到此直流电动机的相关参数如下。
● 电势常数：C e = = =0.185V/(r*min -1)。
● 转矩常数：C m = = =0.18kg*mA 。
● 电磁时间常数：T d = = =0.025s 。
● 机电时间常数：T d = = =0.8s 。
下面为直流电动机参数设置。
电动机模型位于SimpowerSystems 工具箱下machines 库中的DC machinesU nom —I nom R a n nom 220—700*0.05 1000 C e 1.03 0.185 1.03 L d R d 2*10-3 0.08 GD 2R d 375C m C e 125*0.08 375*0.18*0.18模型的端子功能如下。
●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和负极。
●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I a（A），励磁电流I f (A) ,电磁转矩T e(N.m)。
将直流电动机模块拖曳到模型窗口，双击图标，打开BLOCK Parameters:DC machine 对话框，如图2-3所示，参数定义如下：●Armature resistance and inductance[Ra (ohms)La (H) ] :电枢电阻（Ω）和电感（H）。
●Field resistance and inductance [Rf (ohms) Lf (H) ]：励磁回路电阻（Ω）和电感（H）。
●Field-armature mutual inductance Laf (H) :电枢与励磁回路互感（H）。
●Total inertia J (kg.m^2)：电机转动惯量(kg*m2)。
●Viscous friction coefficient Bm (N*m*s)：粘滞摩擦系数(N*m*s)。
●Coulomb friction torque Tf (N*m)：静摩擦转矩(N*m)。
●Initial speed (rad/s) :初始速度。
在上述参数基础之上，根据仿真研究直流电动机的铭牌数据，可以很容易建立对象的数学模型。
图2-3电机参数设置图2-4平波电抗器参数设置④主回路平波电抗器模型。
为了负载电流连续等原因，实际应用中在主电路中需要加入平波电抗器，建摸过程是从Elements模型库中，选取series RLC branch模型。
在matlab工具箱中没有纯电阻、纯电容以及纯电抗器，而Elements模型库有series RLC branch（串联支路）和parallel RLC branch （并串联支路）元件，通过对两者的参数进行设置，可以实现纯电阻、纯电容以及纯电抗电气元件。
参数设置如图2-4所示⑤同步脉冲触发器模型。
为了使得仿真模型简洁，对各个功能模块进行子系统封装，但是此过程在要封装的子系统与其他模块电气连接可以更改子系统的端口号，matlab会自动的按照端口号大小顺序从上至下进行排列。
将6脉冲同步触发器模型进行了子系统封装，并将子系统标签改为脉冲触发器。
这里取得是线电压同步信号，因此在阻性负载时脉冲触发移相范围是50°~180°，而且50°对应的是最大整流输出，180°对应的是最小整流输出。
⑥其他模块构造开环直流电机控制系统，需要使用的模块还有：L connector（L型连接器）、3个Constant（常数模块）以及用来观测电机变量的4个scope。
将各个功能单元依据电气原理图，进行相应的电气连接，最后得到开环直流电动机控制系统的仿真模型，如图2-5所示。
图2-5开环直流电动机控制系统仿真模型在完成了系统仿真模型的建立之后，便是对系统调试过程，同时也是对系统进行参数修改完善过程。
首先在matlab的模型窗口打开Simulation（仿真）菜单，进行Simulation Parameters（仿真参数）设置，经过试运行将仿真参数设置完成，如图2-6所示。
图2-6仿真参数设置在matlab模型窗口中打开Simulation→start项，系统开始运行，到达设定的仿真时间而终止，并输出仿真结果，结果通过打开示波器scope观看。
3、仿真结果截图图3-1电机转速w输出波形图3-2电枢电流Ia输出曲线图3-3电磁转矩Te输出曲线4、仿真结果分析与总结根据前面列举的直流电机开环控制的建模与仿真，其转速曲线与电流曲线等内容，看出仿真结果和实际的电机运行结果相似，说明系统的建模与仿真是比较成功的。
但是上面只是为了说明仿真与建模的过程，在实际电机控制系统中直流电机多数都是以闭环形式出现，不过我们必须在掌握开环的基础上，再去研究闭环，本次实验调试过程也是相当不容易的，直流电机参数的计算需要我们认真学习，最后的得到的波形才比较完美，总的来说本次实验很成功，我也学到了好多。