实验三 转速负反馈闭环调速系统的仿真

实验三转速负反馈闭环调速系统的仿真

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软件建立比例积分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

采用比例积分控制的转速负反馈直流调速系统，结构框图参考教材P51的图2-45，其各环节的参数如下：

直流电动机：额定电压UN = 220 V，额定电流IdN = 55 A，额定转速nN = 1000 r/min，电动机电势系数Ce= 0.192 V·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 s。

电枢回路总电阻R =1.0 Ω，电枢回路电磁时间常数Tl = 0.00167 s，电力拖动系统机电时间常数Tm = 0.075 s。

转速反馈系数α= 0.01V·min/r。

对应额定转速时的给定电压Un*=10V。

电流负反馈采样电阻Rs = 0.1 Ω，临界截止电流Idcr=1.3IdN，比较电压Ucom = Idcr Rs。

四．实验内容

1、根据所提供的系统参数，参考教材P51中图2-45建立采用比例积分控制的转速闭环调速系统的仿真模型。

图1比例积分控制的直流调速系统仿真图

2、在理想空载下，改变比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i （如表1所示），观察调速系统输出转速n 的响应曲线，记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流I d 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。

表1 比例积分系数

表1不同比例系数K p 和积分系数K i 时的转速数据对比

t/s

n (r /m i n )

不同比例系数Kp 和积分系数Ki 的转速n 曲线

t/s

I d /A

不同比例系数Kp 和积分系数Ki 的电枢电流Id 曲线

表2不同比例系数K p和积分系数K i时的电枢电流数据对比

通过表1、2可得，当K p0.25，K i=3时，在响应阶段中转速变化比较慢且无超调，其稳态值999.55r/min，并且电枢电流比较小，波动范围也比较窄；

当K p=0.56，Ki=11.43时，在响应阶段中转速变化比较快，其稳态值达到1000r/min，并且电枢电流较大，波动范围稍大一点，响应时间较短，约为0.26s；

当Kp=0.8，Ki=15时，响应阶段中转速变化快，其稳态值达到1000r/min，响应时间短，约为0.2s，电枢电流大，波动范围大。

因此在理想空载下，不同的比例系数K p和积分系数K i会影响系统的电枢电流和转速。

超调量σ1=0；

σ2=∞∞-C C C max ×100%=10001000

-1038×100%=3.8%；

σ3=∞∞-C C C max ×100%=10001000-1032×100%=3.2%。

3、选择一组比较好的比例系数K p 和积分系数K i ，在系统中加入负载电流I dL ，观察调速系统输出转速n 的响应曲线，并记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流I d 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。

选择K p /K i =0.56/11.43，在系统中1s 时加入负载电流I dL =15、30A 。

表3带负载电流时的转速数据

200

400

600

800

1000

1200

t/s

n (r /m i n )

不同负载电流的转速n 曲线

-50

50

100

150

200

250

t/s

I d /A

不同负载电流时的电枢电流曲线

表4带都在电流时的电枢电流数据

通过表3、4可得，选择K p/K i=0.56/11.43，在系统中1s时分别加入负载电流I dL=15、30A，超调量还是σ=σ2=3.8%，响应时间大约为0.26s，稳态值为1000r/min 左右。由此可知，加入负载电流对于系统的动态性能指标影响不大，在比例调节器的作用下系统可以在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。

4、保持控制器的比例系数Kp 和积分系数Ki ，以及负载电流IdL 不变，参照教材2.52节在调速系统中引入电流截止负反馈（提示：用MATLAB 中的switch 模块来实现电流负反馈的分段函数），建立带电流截止负反馈的调速系统仿真模型，计算出电流截止负反馈的相关参数，重新进行仿真，观察调速系统输出转速n 的响应曲线，并记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流

Id 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。

图2带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态仿真图

保持K p =0.56，K i=11.43，负载电流IdL=15不变，引入电流截止负反馈。已知IdN = 55 A ，Rs = 0.1 Ω，所以I dcr =1.3I dN =1.3×55=71.5A ，U com = I dcr

R s =71.5×0.1=7.15V 。

200

400

600

800

1000

1200

t/s

n (r /m i n )

带电流截止负反馈的转速n 曲线

表5带电流截止负反馈的转速和电枢电流数据

由表5可得，系统达到稳态值为1000r/min ，响应时间约为0.4s ，超调量为

σ=

∞∞-C C C max ×100%=1000

1000

-1025×100%=2.5%。

当开始启动时，系统未加电流截止负反馈，电流最高可达241A ；加入电流截止负反馈后，电枢电流最高可达135.3A ，因此可以得出电枢电流在响应阶段会明显的下降，使系统得到较好的保护，降低对系统转速的影响。

5、对比引入电流截止负反馈前后，该直流调速系统的输出转速n 和电枢电流I d 的响应曲线和相关数据，分析原因，并给出相关结论。

①为引入电流截止负反馈；②为未引入电流截止负反馈

表6引入电流截止负反馈前后转速数据对比

-20

020406080

100120140带电流截止负反馈的电枢电流曲线

t/s

I d /A