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实验名称：单闭环直流调速系统PID 控制器参数设计仿真 1.实验原理1)单闭环直流调速系统典型单闭环直流调速系统框图直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
2)PID 控制在模拟系统中，PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID 调节器的微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()(式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(PID 调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。
2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。
3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
4）建立单闭环直流调速系统模型直流电动机：额定电流V Un 220=，额定电流A I dn 55=，额定转速min /1000r n N =，电动机电势系数r V C e m in/192.0•=，假设晶闸管整流装置输出电流可逆，装置放大系数44=s k ，滞后时间常数s T s 00167.0=，电枢回路总电阻Ω=1.0R ，电枢回路电磁时间常数s T l 00167.0=，电力拖动系统机电时间常数s Tm075.0=，转速反馈系数r V min/01.0⋅=α，对应额定是给定电压V U n 10=*。
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告摘要：本文基于基本原理和方法，设计和仿真了一个单闭环直流调速系统。
首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，包括PID控制器的参数调整方法。
接下来使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，对系统的性能进行评估。
最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。
关键词：直流电机调速、单闭环控制系统、PID控制器、仿真实验一、引言直流电机广泛应用于机械传动系统中，通过调节电机的电压和电流实现电机的调速。
在实际应用中，需要确保电机能够稳定运行，并满足给定的转速要求。
因此，设计一个高性能的直流调速系统至关重要。
本文基于单闭环控制系统的原理和方法，设计和仿真了一个直流调速系统。
首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，并采用PID控制器进行调节。
接着使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，并对系统的性能进行评估。
最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。
二、直流电机调速的基本原理直流电机调速是通过调节电机的电压和电流实现的。
电压变化可以改变电机的转速，而电流变化可以改变电机的转矩。
因此，通过改变电机的电压和电流可以实现电机的调速。
三、控制系统设计和参数调整根据系统的要求，设计一个单闭环控制系统，包括传感器、控制器和执行器。
传感器用于测量电机的转速，并将信息传递给控制器。
控制器根据测量的转速和给定的转速进行比较，并调节电机的电压和电流。
执行器根据控制器的输出信号来控制电机的电压和电流。
在本实验中，采用PID控制器进行调节。
PID控制器的输出信号由比例项、积分项和微分项组成，可以根据需要对各项参数进行调整。
调整PID控制器的参数可以使用试错法、频率响应法等方法。
四、系统仿真实验使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，建立直流调速系统的模型，并对系统进行性能评估。
《计算机控制技术》课程设计（单闭环直流电机调速系统）摘要运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。
在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。
由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，并有望在不太长的时间内取代直流调速系统，但是就目前来讲，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要方式。
在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
随着电子技术和计算机技术的高速发展，直流电动机调速逐步从模拟化走向数字化，特别是单片机技术的应用，使直流电动机调速技术进入一个新的发展阶段。
因此，本次课程设计就是针对直流电动机的起动和调速性能好，过载能力强等特点设计由单片机控制单闭环直流电动机的调速系统。
本设计利用AT89C52单片机设计了单片机最小系统构成直流电动机反馈控制的上位机。
该上位机具有对外部脉冲信号技术和定时功能，能够将脉冲计数用软件转换成转速，同时单片机最小系统中设计了键盘接口和液晶显示接口。
利用AT89C52单片机实现直流电机控制电路，即直流电动机反馈控制系统的下位机，该下位机具有直流电机的反馈控制功能，上位机和下位机之间采用并行总线的方式连接，使控制变得十分方便。
本系统能够用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节并且有速度显示电路。
本系统操作简单、造价低、安全可靠性高、控制灵活方便，具有较高的实用性和再开发性。
关键词：直流电动机AT89C52 L298N 模数转换1课题来源1.1设计目的计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，为了使学生进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高学生运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养学生独立自主、综合分析与创新性应用的能力，特设立《计算机控制技术》课程设计教学环节。
《自动控制》课程论文姓名：王耀明学号：14082101440(35)2011年12月15日目录1 绪论 (3)1.1 选题依据 (3)1.2 题目要求介绍 (3)1.3 论文主要完成的工作 (3)2 系统原理 (3)2.1 系统简介 (3)2.2 系统的整体设计 (4)2.2.1 转速闭环调速环节简介 (4)2.2.2 无静差调速环节简介 (4)2.2.3 电流截止负反馈简介 (5)2.3 参数计算 (5)2.4 系统的静态结构框图 (6)3 系统仿真 (6)3.1 仿真软件MATLAB简介 (6)3.2 仿真模型 (6)3.3 系统仿真图 (7)4 总结 (8)参考文献 (8)单闭环无静差直流调速系统仿真研究1 绪论1.1 选题依据在生产中，很多设备都需要用直流电机进行拖动。
为了保证产品质量，提高生产效率，要求这些设备在不同的场合能以不同的速度工作，或者要求在变化的负载下能保持设定的速度。
在调整生产设备的速度时，不仅要求能保证达到最高与最低速度，还要求有一定的调速精度，而单闭环无静差直流调速系统便可实现这一动态与稳态性能要求。
1.2 题目要求介绍第1组电动机参数：功率kw P N 18=，额定电压v U N 220=，额定电流A I N 94=，额定转速min /0001r n N =，电枢电阻Ω=0.15a R ，主电路总电阻Ω=0.45R ，40=s k 。
最大给定电压v U nm 15*=，整定电流反馈电压v U im 10=。
要求系统调速范围D=20，静差率≤10%，N dbl I I 5.1=，N dcr I I 1.1=。
1.3 论文主要完成的工作✧ 单闭环调速系统的组成和各环节的介绍；✧ 参数计算，依据以上参数和指标要求完成单闭环调速系统相关参数计算✧ 画出调速系统电路原理图和静态结构图✧ 根据参数计算结果，在MATLAB 上仿真实现，检验调速系统的动，静态性能指标。
论文中要附有调速系统在启动过程中电流和转速变化的仿真图，如有需要，应加入电流截止负反馈。
计算机仿真技术作业一——转速反馈单闭环直流调速系统仿真姓名：班级：学号：一、直流电机模型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。
图1 直流电机模型二、开环仿真：1、用Simulink实现上述直流电机模型，如下图所示：图2其中，直流电压U d0取220V；而d I: 0~2.5s，电机空载(I d=0), 2.5s~5s，电机满载(I d=55A)。
2、输出转速n示波器显示的波形如下：图3将数据导入Workspace 中，并利用plot（）指令绘图如下：图4从图上读取相关数据：图5可知：空载时的转速min /11420r n =，负载时的转速min /971r n N =。
故而，静差率为1497.01142971114200=-=-=n n n s N 。
3、改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等） (1)改用定步长连续算法ode3，得到的转速波形如下：00.51 1.52 2.53 3.54 4.55100图6将仿真时间改为10s ，波形如下：148图7如此可见运用这个算法误差极大，不适用于本模型的仿真。
(2)改用变步长连续算法ode113，得到的转速波形如下：00.51 1.52 2.53 3.54 4.55图8与图4比较，可见这个算法的精度与ode45相近。
三、闭环仿真：在上述仿真基础上，添加转速闭环控制器，转速指令为1130rpm.图9 转速闭环直流电机调速控制框图1、用Simulink实现上述控制框图，如下图所示：图10子系统PI Controller内部结构如下：图11其中，积分器限幅为-1130～1130。
2、控制器为比例环节：试取不同p K 值，画出转速波形，求稳态时n 和s 并进行比较。
（1）设定10=p K ，0=I K ，得到转速波形如下：00.51 1.52 2.53 3.54 4.5520040060080010001200140016001800图12如图可得，负载时的转速min /1110r n N =。
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真 一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、闭环直流调速系统稳态参数的计算 1）额定负载时的稳态速降应为：m i n/12.6min /)02.01(1002.03000)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数： r V r V n R I U C N a N N e min/071.0min/3000087.03.87220⋅=⋅⨯-=-=闭环系统额定速降为：min /97.106min /071.0087.03.87r r C R I n e N op =⨯==∆闭环系统的开环放大系数为：5.16112.697.1061=-≥-∆∆=clop n n K003.0/max max n ==n U α3）计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数K p 为:5.16/e p ≥=s K KC K α电枢回路的总电感为0.0032H电磁时间常数为037.0/l ==R L T 27/1l ==τK4)电流截止负反馈 四加电网扰动（第8s电压220→240）负载扰动给定值扰动五、将PI调节器参数改变1.电网扰动（第8s电压220→240）2.负载扰动3.给定值扰动转速、电流双闭环直流调速系统设计与仿真一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、电流调节器ACR 参数计算允许电流过载倍数λ=2；设调节器输入输出电压im nm **U U ==10V ，电力电子开关频率为f=l kHz ．首先计算电流反馈系数β和转速反馈系数α：06.0 I n im *==ββλU N U n nm *α= α=0.003s T 001.0s = ，电流环小时间常数为s T T T oi 002.0s i =+=∑电流调节器超前时间常数为s T K l i 015.0/1i ===τ 而对电流环开环增益局l K =250/5.0=∑i T ，于是ACR 的比例系数为：94.4/i l i ==s K R K K βτ 四、转速调节器ASR 参数计算 选中频段宽度h=5。
目录
本科生课程论文 ........................................................................... 错误!未定义书签。
一、仿真题目 (2)
单闭环直流调速系统仿真 (2)
二、仿真过程 (2)
2.1 仿真总图 (2)
2.2 PWM模块 (3)
2.3 电机模块 (3)
2.4 仿真结果 (4)
三、心得体会 (10)
一、仿真题目
单闭环直流调速系统仿真
直流电动机：型号为Z4-132-1，额定电压400N U =V ，额定电流52.2dN I =A ，额定转速为2610 r/min ，反电动势系数e C =0.1459 V ⋅min/r ，允许过载倍数λ=1.5；PWM 变换器开关频率：8KHz ，放大系数：s K =107.5；(538/5=107.5)，直流母线电压为538V 。
电枢回路总电阻： 0.368R =Ω；
时间常数：电枢回路电磁时间常数l T =0.0144s ，电力拖动系统机电时间常数
m T =0.18s ；转速反馈系数0.00383min/V s =⋅α(N n V /10≈)；
对应额定转速时的给定电压V U n 10*
=。
● 在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。
其中PWM 变换器利用给
出的PWM 控制器模块和simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建，不能直接利用传递函数建模。
比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。
● 给出采用比例调节器（7p K =）、比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）空载起动
到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。
● 给出采用比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）的转速、电流、电枢电压波形，
分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。
● 在4s 突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输
出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。
二、仿真过程
2.1 仿真总图
图1 仿真总图
2.2 PWM模块
图2 PWM模块仿真图
PWM变换器利用给出的PWM控制器模块和simulink/Powersystem工具包中的功率封装模块搭建。
2.3 电机模块
图3 比例积分控制的直流调速系统的仿真图
根据上图和已知数据确定参数，搭建仿真图如下：
图4 电机模块仿真图
2.4 仿真结果
（1）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。
利用给出的PWM 控制器模块和simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建PWM 变换器。
比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。
图5 输出限幅设置
（2）给出采用比例调节器（7p K =）、比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）空载起
动到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。
使用比例调节器时，只需将积分一路断开、负载置零即可。
下图展示了使用比例调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别是10s 时与0.5s时的波形。
图6 比例调节时空载启动转速波形
下图展示了使用比例积分调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别是10s时与0.5s时的波形。
图7比例积分调节时空载启动转速波形
将二者比较
表1 比例与比例积分空载启动时稳态静差和动态性能进行对比
稳态转速 （r/min ）
稳态静差 （r/min ） 峰值时间 （s ） 调整时间 （s ） 超调量 （%） 比例 2480 130 0.253 0.320 1.2 比例积分
2610
0.264
-
-
由图可知，稳定后转速 n=2610 r/min ，等于额定转速，为无静差系统。
这是由于比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，因此积分控制可以实现无静差调速。
由上表可知，相较于比例，比例积分的稳态性能好，动态性能稍差。
比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差但会在一定程度上影响动态性能。
（3）给出采用比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）的转速、电流、电枢电压波形，
分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。
图8 比例积分调节时空载启动电流、转速波形
图9 比例积分调节时空载启动电枢电压波形
由上图可知，启动电流最大值超过1000A。
这是因为在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，由于惯性的作用，转速不能立即建立起来，反馈电压为零，相当于偏差电压∆Un=Un*，调节器的输出是Kp*Un*。
这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，所以会造成电动机过电流。
要解决过电流问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节，故可引入电流截止负反馈，当电流大到一定程度时出现电流负反馈，使其不超过允许值。
（4）在4s突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。
在step(2)处加入负载扰动，4s时作用，如下图：
图10 负载扰动参数设置
图11 转速、电流、转速调节器输出（启动时）
图12 转速、电流、转速调节器输出（扰动时）在4s时加负载后电流波形出现一个波动，调整后电流增大，并且逐渐进入一个新的稳态（有负载，不为零）；同时转速也有一个波动，减小后进入新的转速稳态；转速调节器输出波形的波动显示了转速调节器起作用。
由于机械特性较硬，加入负载扰动后，转速、电流、转速调节器的输出稍有变化，经过一个小的波动后进入新的稳态。
三、心得体会
本次仿真作业是初学Simulink工具箱，碰到了一些问题并且已经解决。
1.数据类型不正确
初次仿真时产生error：Input port 1 of 'untitled2/PWM/NOT' is not connected.
原因在于直接使用逻辑非门，输入前数据类型为double，输出后数据类型为boolean，无法仿真，因此转换数据类型即可，如下图：
或者再添加两个非门
2.搭建完成仿真电路后，产生许多错误，无法运行，查阅资料后得知没有添加powergui，powergui可用于对搭建的模块进行统一以及协调以及对相应量的初始化。
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3.搭建电路时不可想当然，在自控原理中我们比较熟悉负反馈，常用相减的节点来表示负反馈。
此电路中的比例积分调节器是采用比例与积分调节器相加，因此节点不应想当然使用减号。
这样的错误还不容易被发现，导致仿真时花了许多不必要的精力排查。
4.电路运行后，使用repeating sequence 未能得到既定波形，查阅资料、修改仿真步长都未能解决，最后使用一个三角波发生器和一个放大器代替。
我认为最让我有收获的是在设计过程中，加深了对转速闭环负反馈控制的理解，构建仿真图让我有了对系统框图有了更加深刻的理解。
在仿真中遇到的问题，在很大程度上也培养了我动手解决问题的能力，非常具有实践意义。
