单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告定稿版

个人资料整理仅限学习使用一. 实验原理直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采纳电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要零件，它的性能及价钱对系统都有重要的影响。

过去的功率放大器是采纳磁放大器、交磁放大机或可控硅 < 晶闸管）。

此刻基本上采纳晶体管功率放大器。

PWM 功率放大器与线性功率放大器对比，有功耗低、效率高，有益于战胜直流电机的静摩擦等长处。

PWM 调制与晶体管功率放大器的工作原理：1．PWM的工作原理图 1-1PWM 的控制电路上图所示为 SG3525 为中心的控制电路， SG3525 是美国 Silicon General 企业生产的专用。

PWM 控制集成芯片，其内部电路构造及各引脚如图1-2 所示，它采纳恒频脉宽调制控制方案，其内部包括有精细基准源、锯齿波振荡器、偏差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

调理Ur 的大小，在 A、 B 两头可输出两个幅度相等、频次相等、相位互相错开180 度、占空比可调的矩形波< 即 PWM 信号）。

它合用于各开关电源、斩波器的控制。

2.功放电路直流电机 PWM 输出的信号一般比较小，不可以直接去驱动直流电机，它一定经过功放后再接到直流电机的两头。

该实验装置中采纳直流15V 的直流电压功放电路驱动。

3.反应接口在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。

磁钢的下边中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感觉输出。

4．直流电机控制系统如图1-3 所示，由霍耳传感器将电机的速度变换成电信号，经数据收集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值依据一定的规律 < 往常为 PID）运算，而后经数据收集卡输出控制量，供履行器来控制电机的转速和方向。

图 1-2 SG3525 内部构造图 1-3直流电机控制系统5.PID 原理过程控制的基本观点过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

1 单闭环直流调速系统对于单闭环直流调速系统来说，转速是输出量，一般我们引入的是转速负反馈构成闭环调速系统。

转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG，引出和输出量转速成正比的负反馈电压Un，和转速给定电压Ua*进行比较，得到偏差电压ΔUa，经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压Uct，与控制电动机的转速，组成了反馈控制的闭环调速系统。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差，为了消除静差，可用积分调节器替代比例调节器。

反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变，就要引用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较，组成一个闭环系统。

对于调速系统来说，如果想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。

要想维持转速这一物理量不变化，最有效和最直接的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。

1.1 主电路设计直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成，知道了电路组成的两大部分后，就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。

整流变压器由变压部分和整流部分组成，其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定40V的直流电压供给直流电动机的励磁回路，整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路，输出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。

保护环节采用的是过电压保护的一种--阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。

主电路的设计需要准备的资料：1 单相整流模块：MZKD-ZL-50了解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压24V，额定电流6A，励磁电压24V，最大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式为了防止系统内部瞬间过电压冲击（主要为断路器、接触器开断产生的操作过电压）,过流，浪涌等对重要电气设备的损伤，就要增加保护电路的设计，通常的电路保护的方法有过压保护和过流保护。

实验项目二：转速单闭环直流调速系统实验实验日期：2020年5月25日一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。

(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般仿真调试过程。

(3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。

二、实验原理在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到电流调节器的输入端，与给定的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，控制整流桥的触发电路，改变三相全控整流的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。

电机的最高转速也由电流调.节器的输出限幅所决定。

电流调节器若采用P 调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI调节。

当给定恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。

三、实验内容(1)单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真。

(2)单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真。

四、实验所需仪器安装Matlab仿真软件的PC机五、实验步骤单闭环有静差转速负反馈调速系统的结构图：图2.1单闭环无静差转速负反馈调速系统的结构图：图2.2六、实验结果单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真图：图2.3单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真图：（1）变负载：图2.4（2）变电压：①5V:图2.5 ②8V：图2.6 ③10V：图2.7七、实验小结转速闭环调速系统是一种最简单的反馈控制系统，具有反馈控制的基本规律，它应用的比例调节器是一种有静差的控制系统，开环放大系数K对闭环系统的稳态性能有很大影响。

K值越大，稳态性能越好。

当在2s负载由50变为100时，由于开环无法起调节作用，转速下降。

对于单闭环无静差转速负反馈调速系统，当给定电压信号改变时，转速曲线也跟着改变，电机转速以此变成110ad/sec,85ad/sec,50ad/sec.闭环系统绝对服从于给定输入，而且能对被包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动有效地加以抑制，对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服。

单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真一、实验目的1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。

2．通过改变比例系数K K 以及积分时间常数τ的值来研究K K 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。

二、实验内容1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析三、实验要求建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。

四、实验原理图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。

转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。

在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。

当t=0时突加输入K in 时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到K ex (K )=K K K in ，实现了快速响应；随后K ex (K )按积分规律增长，K ex (K )=K K K in +(K /τ)K in 。

在K =K 1时，输入突降为0，K in =0，K ex (K )=(K 1/τ)K in ，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。

五、实验各环节的参数及K K和1/τ的参数的确定各环节的参数：直流电动机：额定电压K N=220V，额定电流K dN=55A,额定转速K N=1000r/min,电动机电动势系数K e= min/r。

假定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K s=。

电枢回路总电阻R=Ω，电枢回路电磁时间常数K l=电力拖动系统机电时间常数K m=。

实验一、转速反馈单闭环直流调速系统仿真一、实验内容：直流电机模型框图如下图所示，仿真参数为R=0.6，T l=0.00833，T m=0.045，Ce=0.1925。

本次仿真采用算法为ode45，仿真时间5s。

1.开环仿真：用Simulink实现上述直流电机模型，直流电压U d0取220V，0~2.5s，电机空载，即I d=0；2.5s~5s，电机满载，即I d=55A。

画出转速n的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n以及静差率s。

改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等）。

实验步骤：（1）按照上图把电机模型建立好，其中u d0设置为常数，并把其幅值设置为220，把其它相应的环节也设置好。

把I d设置为“阶跃信号”，且在0~2.5s之间其幅值为0，而2.5~5s之间其幅值为55，在对系统中其它参数进行设置。

为了观察输出地波形，在输出处接上一个示波器。

（2）对仿真模式进行设置，系统默认的仿真算法为ode45,只需要把仿真时间设置为5s即可。

（3）对系统进行仿真。

仿真结果：（1）仿真算法为ode45:图1 上图即为电机转速的仿真结果图，同图上我们可以看出来分为了两个阶段，其中第一个阶段（0~2.5s）为空载转速，第二阶段（2.5~5s）为满载转速。

空载转速为1142n/min。

在2.5s时加入了负载，通过仿真结果我们可以看出来，负载转速为972n/min。

这可以看出来在加入负载之后，电机的转速开始下降。

根据电机转差率的公式s=（n0-n）/ n0=(1142-972)/1142=0.149。

转差率还是比较小的，说明该电机效率比较高。

通过观察该仿真的时间，其运算时间为T=9.134*10^-7s。

（2）仿真算法为ode23:仿真结果图如图2所示，由图我们可以看出来，结果基本上和计算方法为ode45的结果一样，但是运算时间却不一样，该算法的运算时间为T=3.636*10^-7s。

运算时间比ode45的时间短。

大学本科毕业设计单闭环直流调速系统的设计与仿真学生姓名院系名称专业名称电气工程及其自动化班级级学号指导教师完成时间年月日单闭环直流调速系统的设计与仿真内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。

然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。

关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差The design and simulation ofSingle loop dc speed control systemAbstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator.Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation.Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset目录1绪论 (1)1.1直流调速系统概述 (1)1.2 MATLAB简介 (1)2 单闭环控制的直流调速系统简介 (2)2.1 V—M系统简介 (2)2.2转速控制闭环调速系统的调速指标 (2)2.3闭环调速系统的组成及静特性 (3)2.4反馈控制规律 (4)2.5主要部件 (5)2.5.1 比例放大器 (5)2.5.2 比例积分放大器 (5)2.5.3额定励磁下直流电动机 (7)2.6稳定条件 (8)2.7稳态抗扰误差分析 (8)3 单闭环直流调速系统的设计及仿真 (10)3.1参数设计及计算 (10)3.1.1参数给出 (10)3.1.2 参数计算 (10)3.2有静差调速系统 (11)3.2.1有静差调速系统的仿真模型 (11)3.2.2主要元件的参数设置 (12)3.2.3仿真结果及分析 (12)3.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真 (13)3.3无静差调速系统 (15)3.3.1 PI串联校正的设计 (15)3.3.2无静差调速系统的仿真模型 (17)3.3.3主要元件的参数设置 (18)3.3.4仿真结果及分析 (18)3.4有静差调速系统和无静差调速系统的动态分析设计 (19)3.4.1有静差调速系统的仿真模型 (19)3.4.2参数设置 (19)3.4.3仿真结果及分析 (19)参考文献 (23)致谢 (24)1绪论1.1直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。

运动控制系统试验报告——单闭环直流调速系统学号:0504220110 姓名:杨娟一.实验目的:通过实验了解单闭环直流调速系统的结构和工作原理，通过系统调试深入领会系统的动静态特性， 并掌握控制系统的调试方法。

二.实验内容及结果:1) 转速负反馈的单闭环直流调速系统。

转速负反馈单闭环调速系统的静特性为:其中 为闭环系统的开环放大系数 要求输入信号U n *为阶跃信号，初值为0，终值为30，阶跃起始时刻为0时刻；负载电流为斜坡信号，斜率为1，起始时间为0，初始输出为0。

仿真时间不小于20秒。

设计转速调节器的参数，使得该闭环直流调速系统为有静差系统，理想空载转速为800r/min ，并计算其在I d =15时的闭环系统静态转速降落。

即n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，*n U =30V ，a=0.02，Ce=0.127，代入方程得到参数Kp=0.2419。

其结构图及仿真的静特性。

如下： n a 0.02XY GraphUn*R 3PID Controller 1PID Ks 30IdAdd 1/Ce1/0.127转速负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图 转速负反馈单速度闭环调速系统的静特性 如图所示，电动机转速随着负载电流的增加线性下降，正好满足静特性方程的特点。

当负载电流 Id=15时，代入静特性方程得静态转速降落为Δn cl=165.4r/min2) 电压负反馈的单闭环直流调速系统电压负反馈单闭环调速系统的静特性为:其中K=γKpKs 为闭环系统的开环放大系数。

clcl ed e *ns p e s p e d *n s p Δn n K C RI K C U K K α/C K K C R I U K K n -=+-+=+-=0)1()1()1(es p C αK K K =eda e d pe e n s p C I RK C I RK C U K K n -+-+=)1()1(*输入信号参数与上面的一样，同时理想空载转速n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，*n U =30V ，γ=0.157，Ce=0.127，代入方程得到参数Kp=0.2419。

课题：一、单闭环直流调速系统的设计与Matlab 仿真（一）作者: 学号: 专业: 班级: 指导教师:在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统。

本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。

另外，设计过程中还要以Matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。

摘要：Matlab 开环闭环负反馈静差稳定性V-M 系统摘要 (2)一、 ..................................................... 设计任务 41、 ...................................................... 已知条件42、设计要求 (4)二、 ..................................................... 方案设计 51、 ...................................................... 系统原理 52、 ........................................................ 控制结构图 6三、 ..................................................... 参数计算7四、 ....................................................... PI调节器的设计.. (9)五、 ................................................ 系统稳定性分析11六、 ......................................................... 小结12七、 ..................................................... 参考文献13一、设计任务1、已知条件已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M系统）的结果如图所示。

单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告4比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真一、实验目的1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。

2．通过改变比例系数以及积分时间常数τ的值来研究和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。

二、实验内容1．调节器的工程设计2．仿真模型建立3．系统仿真分析三、实验要求建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。

四、实验原理图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。

转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。

在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。

当t=0时突加输入时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到，实现了快速响应；随后按积分规律增长，。

在时，输入突降为0，=0，= ，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。

五、实验各环节的参数及和1/τ的参数的确定5.1各环节的参数：直流电动机：额定电压=220V，额定电流=55A,额定转速=1000r/min,电动机电动势系数=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=44，滞后时间常数=0.00167s。

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

转速反馈系数=0.01V •min/r。

对应额定转速时的给定电压=10V。

稳态性能指标D=20，s 5% 。

5.2 和1/τ的参数的确定：PI调节器的传递函数为其中，。

（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数；2）转速滤波时间常数；3）转速环小时间常数；（2）计算参数按跟随和抗扰性都较好的原则，取h=5，则调节器超前时间常数，即积分时间常数：，则由此可得开环增益：于是放大器比例放大系数：六、仿真模型的建立如图6-1为比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图，根据仿真框图，利用MATLAB下的SMULINK软件进行系统仿真，建立的仿真模型如图6-2所示。