基于MATLAB_Simulin速闭环直流调速控制系统的仿真研究

基于MATLAB的调速控制系统仿真研究专业：通信工程摘要直流电动机具有非常多的优越性，如调速性能好、转矩大、能在大范围内稳定调速。

在中、小功率的应用中，永磁直流电动机占据第一的地位，但在要求高性能如调速性能或需求大转矩的应用中，直流电动机有极其重要的地位。

双闭环（电流环、转速环）直流调速系统是直流调速系统中的典型系统。

目前，国际许多公司都已经研究出全数字直流调速装置，有商用标准化、系列化、模板化产品。

在国内，各大研究机构和院校也在努力开发全数字直流调速装置。

控制系统的设计、分析和仿真验证过程中，MATLAB具有重要的作用。

直流双闭环调速系统的分析设计中，电流环和转速换的参数设计是最重要的环节。

对于双闭环直流调速系统，本文中选取电流环和转速环的适当参数，通过编程语言对电流环和转速环的频率特性和阶跃响应进行仿真及分析，使调速系统工作于稳定状态，并满足直流调速控制系统动态性能要求。

关键词双闭环，调速控制系统，MATLAB，电流环，转速环ABSTRACTThe DC motor has many advantages, such as speed performance, torque, stable speed control in a wide range. In the medium and small power applications, permanent magnet DC motor to occupy an importantposition, but in the high-speed stability performance requirements or require large torque applications, the DC motor has an extremely important position. Double Loop DC Motor System is a typical system in the DC speed control system. At present, many foreign electrical companies have developed full digital DC converter, and own the commercial standardization, serialization, templates produce. In China, major research institutions and colleges have also developed fully digital DC converter device.In process of control system design, analysis and simulation, MATLAB plays an important role. In DC double closed loop speed control system design, the current loop and speed loop is the most important part. In this article, we select the appropriate parameters of the current loop and speed loop for Double Loop DC Motor System, using programming language on the current loop and speed loop frequency response and step response simulation and analysis, so that the speed control system can run stability, and meet the dynamic performance of DC speed control system requirements.Key Words:Double Closed Loop, Speed control system, MATLAB, Current loop,Speed loop目录1.绪论 (1)1.1概述 (1)1.2研究目标和内容 (2)2.MATLAB软件及仿真调速控制系统概述 (3)2.1MATLAB概述 (3)2.2调速控制系统仿真概述 (4)2.3控制系统常用函数 (4)2.4对控制系统进行仿真MATLAB方法 (5)3双闭环直流调速系统概述 (6)3.1自动控制系统的基础概念 (6)3.2直流调速系统的运行状态和稳定状态指标 (6)3.3双闭环调速系统的结构 (8)3.4双闭环调速系统静止态时的特性 (9)3.5双闭环调速系统的运行时状态的解析 (10)3.6双闭环直流调速系统总体描述 (11)4.双闭环直流调速系统的参数计算与仿真 (12)4.1已知的系统指标 (12)4.2设计系统 (13)4.2.1计算转速和电流反馈系数 (13)4.2.2电流环的参数的动态选取与构造 (13)4.2.3转速环的参数的动态选取与构造 (18)4.3转速电流双闭环直流调速系统模型 (24)4.4总结 (25)5.结束语 (25)参考文献 (27)附录 (28)1.绪论1.1概述直流电动机具有非常好的运行、大范围内的控制和稳定特性，长期以来，直流拖动系统中重要的一部分始终是直流调速系统。

、基于matlab的直流双闭环调速系统设计与仿真前言在直流双闭环调速系统设计中，在理论设计基础上根据实际系统运行情况作参数的调整是系统设计调试过程必不可少的一部分。

原因在于系统的实际参数，往往与理论设计时所用的值有一定的误差，而且系统某些环节非线性因素影响会使系统在理论设计参数后并不能立即获得理想的调速性能，因此需要通过调试过程才能获得理想性能。

传统的调试方法不仅增加系统的设计与调试强度而且不易产生预期结果。

matlab/simulink仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。

通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性。

而且可以非常方便地完成调试过程且能十分直观地得到系统输出波形。

利用matlab/simulink仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。

本文利用matlab仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来指导实际系统的设计。

直流调速系统的理论设计1.1 系统组成及要求本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图1 所示，系统参数如下：电动机：V U N 220=；A I N 136=；rpm n N 1460=；rpm v C e /132.0=； 允许过载倍数： 5.1=λ；三相桥式整流装置放大倍数：40=s K ；电枢回路总电阻： Ω=∑5.0R ；时间常数： s T l 03.0=；ss T m 18.0=，电流反馈系数：A V /05.0=β； 转速反馈系数：rpm V /07.0=α。

基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究摘要：本次的实验内容介绍了双闭环直流调速系统的原理及组成，并且分别对电流调节器和转速调节器进行了分析，而且对电流环和转速环模型的建立和参数的设计，运用MATLAB计算机软件对其进行了仿真研究，并得出实验结果。

关键词：双闭环直流调速系统电流环转速环计算机仿真一、研究要求1、掌握双闭环直流调速系统的原理及组成2、掌握双闭环直流调速系统的仿真研究方法二、双闭环直流调速系统原理2.1、双闭环直流调速系统的介绍许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。

为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。

双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，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。

具有单闭环不能比拟的优势2.2、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如1图所示，即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.3系统的静态和动态性能指标2.3.1 系统的静态性能指标首先，画出其稳态系统结构框图，如图2所示图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图由于当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出量，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。

基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真1. 引言1.1 研究背景直流调压调速系统作为电力电子领域中的重要研究方向，其控制技术的研究一直备受关注。

随着工业自动化的发展和能源需求的增加，直流调压调速系统在工业控制和电力传输中发挥着重要作用。

传统的直流调压调速系统在控制精度、响应速度和稳定性方面存在一定的不足，因此需要不断改进和优化。

在这样的背景下，基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真研究变得尤为重要。

利用MATLAB这一强大的工具，研究人员可以对系统进行建模、设计控制器、分析系统稳定性并进行仿真验证，从而实现对系统性能的优化和提升。

本文旨在通过对直流调压调速控制系统的建模、PID控制器设计与仿真、系统稳定性分析、参数优化与性能评价以及系统仿真结果分析等方面进行研究，进一步探讨如何通过MATLAB工具来实现直流调压调速系统的优化和控制。

希望通过本文的研究，能够为直流调压调速系统的控制技术研究提供一定的参考和借鉴，促进该领域的发展与进步。

1.2 研究目的直流调压调速控制系统是电气工程中常见的控制系统，在工业生产和实验研究中有着广泛的应用。

研究的目的在于通过MATLAB进行仿真，探究系统的建模、PID控制器设计、系统稳定性分析、参数优化以及性能评价等方面的问题。

通过深入研究直流调压调速控制系统的各种特性及其影响因素，可以更好地理解控制系统的工作原理和性能特点，为实际工程应用提供指导。

通过仿真实验，可以降低实验成本、提高实验效率，并能够在设计过程中进行多次调试和优化，从而得到更加理想的控制效果。

研究直流调压调速控制系统的仿真具有重要的现实意义和理论价值。

通过本研究的深入探讨，不仅可以加深对控制系统理论的理解，还可以为工程实践提供有益的借鉴和指导。

1.3 研究意义直流调压调速控制系统作为工业控制领域中的重要组成部分，其研究具有重要的理论价值和实际应用意义。

首先，在工业生产中，直流调压调速控制系统广泛应用于电动机、风电变流器、UPS电源等设备中，能够实现对电压和速度的精确控制，提高设备的运行效率和稳定性。

双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真基于直流电动机调速系统的研究摘要：本文研究了双闭环直流电动机调速系统的设计及MATLAB仿真。

首先介绍了直流电动机调速系统的基本原理，然后通过建立数学模型，设计了双闭环调速系统的控制器，并利用MATLAB进行了系统的仿真实验。

仿真结果表明，双闭环调速系统能够有效地提高电动机的调速性能，使其在不同负载条件下保持稳定的转速。

关键词：双闭环调速系统、直流电动机、MATLAB仿真1.引言直流电动机调速系统是工业自动化控制中的常用控制系统之一、它广泛应用于机械设备、工业生产线以及交通运输等领域。

传统的直流电动机调速系统采用单闭环控制，其调速性能较差，对负载扰动不敏感。

因此，研究双闭环直流电动机调速系统，对于提高电动机的调速性能具有重要意义。

2.直流电动机调速系统设计原理直流电动机调速系统是通过调节电源电压或者改变电动机绕组的接线方式来实现。

系统主要由电动机、控制器以及反馈元件组成。

在传统的单闭环调速系统中，控制器根据电机的转速反馈信号与给定的转速信号之差，产生输出信号控制电机的转速。

然而，单闭环调速系统对负载扰动不敏感，容易出现转速不稳定等问题。

双闭环调速系统是在传统的单闭环调速系统的基础上增加了一个速度环，用于对电机的速度进行闭环控制。

速度环通过调节电机的输出力矩，实现对电机转速的调节。

双闭环调速系统可以及时调整电机输出力矩，使电机在负载扰动下保持稳定的转速。

3.双闭环直流电动机调速系统的控制器设计双闭环直流电动机调速系统的控制器主要由速度环控制器和电流环控制器组成。

速度环控制器根据速度反馈信号与给定的速度信号之差，产生电压控制信号，用于控制电机的输出力矩。

电流环控制器根据电流反馈信号与给定的电流信号之差，产生电压控制信号，用于控制电机的转矩。

具体的控制器设计需要根据电机的数学模型和系统性能要求进行。

4.MATLAB仿真实验本文利用MATLAB软件对双闭环直流电动机调速系统进行了仿真实验。

基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真直流调压调速控制系统是工业自动化领域中常见的一种控制系统，它可以实现对直流电机的电压和速度进行精确的控制。

本文基于MATLAB软件对直流调压调速控制系统进行了仿真，主要包括建立电路模型、设计控制器、进行系统仿真等步骤。

通过仿真分析，可以验证控制系统的性能和稳定性，为实际工程应用提供参考。

一、直流电机数学模型直流电机是直流调压调速控制系统的执行元件，其数学模型可以基于电路和机械原理进行建模。

直流电机的数学模型主要包括电动势方程和机械方程，可以用下面的公式表示：1）电动势方程：\[E_a = K_e \omega\]\(E_a\)是电机的电动势，\(K_e\)是电机的电机常数，\(\omega\)是电机的角速度。

综合考虑电动势方程和机械方程，可以得到直流电机的传递函数：\[G(s) = \frac{k}{(s+a)(s+b)}\]\(k\)是传递函数的增益，\(a\)和\(b\)是传递函数的两个极点。

二、控制器设计在直流调压调速控制系统中，通常采用PID控制器来实现对电压和速度的精确控制。

PID控制器的传递函数可以表示为：\[C(s) = K_p + K_i \frac{1}{s} + K_d s\]\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)分别是比例环节、积分环节和微分环节的增益。

为了实现对电压和速度的精确控制，可以设计两个PID控制器，分别用于电压环和速度环。

电压环的PID控制器可以根据电机的电动势方程进行设计，速度环的PID控制器可以根据电机的机械方程进行设计。

三、系统仿真基于MATLAB软件，可以建立直流调压调速控制系统的仿真模型，对系统进行模拟和分析。

需要建立直流电机的数学模型，包括电动势方程和机械方程，并将其转化为传递函数形式。

然后，设计电压环和速度环的PID控制器，确定各个环节的增益参数。

将电机模型和控制器模型进行组合，得到整个系统的开环传递函数。

基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真一、直流调压调速控制系统的基本原理直流调压调速控制系统通常由电源模块、调速器、电流反馈回路、转速反馈回路以及电机等组成。

其基本工作原理是通过电源模块提供不同的电压和电流输入，调速器根据控制信号对电源模块进行控制，实现对电机的调速和调压。

电流反馈回路和转速反馈回路则可以实时监测电机的电流和转速，并将监测到的信号反馈给调速器，以实现闭环控制。

在实际应用中，一般会根据具体的需求，设计不同的调速、调压算法和控制策略，以实现系统的高性能和稳定性。

1. 模型建立我们需要建立直流调压调速控制系统的MATLAB仿真模型。

在Simulink中，我们可以按照实际系统的组成，分别建立电源模块、调速器、电流反馈回路、转速反馈回路和电机等部分的仿真模型。

在建立模型的过程中，我们需要考虑各个部分之间的耦合关系、传递函数以及控制算法和策略等因素，以建立一个真实可靠的仿真模型。

2. 参数设置在建立模型之后，我们需要对各个部分的参数进行设置。

这些参数包括电源模块的输出电压和电流、调速器的控制信号、电流反馈回路和转速反馈回路的传感器参数、电机的参数等。

在设置参数的过程中，我们需要根据实际系统的要求，进行合理的选择和调整，以保证仿真的准确性和有效性。

3. 仿真验证完成模型建立和参数设置之后，我们可以进行仿真验证。

在仿真过程中，我们可以输入不同的电压和电流信号，观察系统的输出电流和转速，并通过对比实际数据，验证仿真模型的准确性和有效性。

我们还可以对系统的性能和稳定性进行评估和优化，以提高系统的控制精度和响应速度。

4. 控制策略优化在仿真验证的基础上，我们还可以对系统的控制策略进行优化。

通过改变调速算法、调压策略和闭环控制方法等参数，在仿真环境中对系统的性能和稳定性进行评估和对比，以达到系统优化的目的。

结论通过MATLAB的Simulink工具，我们可以方便地建立直流调压调速控制系统的仿真模型，并对系统的性能和稳定性进行评估和优化。

基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真一、直流调压调速控制系统的原理直流调压调速控制系统主要由电压控制回路和速度控制回路组成。

电压控制回路用于控制电动机的电压，从而实现电动机的调压；速度控制回路用于调整电动机的转速，实现电动机的调速。

电压控制回路和速度控制回路之间是相互联系的，二者协同工作才能使电动机达到预定的工作状态。

在本文的仿真中，我们将重点关注电压控制回路和速度控制回路的设计和性能。

二、仿真模型的建立在MATLAB中，我们可以通过Simulink工具建立直流调压调速控制系统的仿真模型。

我们需要建立电动机的数学模型，包括转矩方程、速度方程和电压方程；我们需要设计电压控制回路和速度控制回路的控制算法和参数。

将电动机模型和控制回路结合在一起，形成直流调压调速控制系统的仿真模型。

三、电压控制回路的仿真分析电压控制回路的主要任务是根据速度控制回路的信号要求，生成电压信号并送往电动机，控制电动机的转矩。

在仿真中，我们可以通过改变输入信号的幅值和频率，观察电压控制回路的响应特性，比如超调量、调节时间等。

我们也可以通过引入一些干扰信号，例如负载扰动，来观察电压控制回路的抗扰性能。

通过仿真分析，我们可以得出电压控制回路设计的满意度和稳定性。

五、整体系统的仿真分析经过对电压控制回路和速度控制回路的单独仿真分析后，我们可以将两者结合在一起，形成整体的直流调压调速控制系统的仿真模型。

通过整体系统的仿真分析，我们可以评估控制系统的性能和稳定性。

我们可以观察系统在不同工作状态下的响应特性，比如启动、调压和调速的过程中的响应速度、控制精度和稳定性。

我们也可以引入一些复杂的工况和干扰信号，例如负载变化和电网故障，来观察整体系统的鲁棒性和抗干扰能力。

通过仿真分析，我们可以评估整体系统的设计合理性和可靠性。

六、结论通过MATLAB的仿真分析，我们可以对直流调压调速控制系统的性能和稳定性进行全面评估。

我们可以深入了解电压控制回路和速度控制回路的设计和性能，找出设计的不足和改进的方向。

单闭环直流调速系统的仿真研究【基于MATLAB软件的仿真】《论文》1引言调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。

电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。

1.1直流调速系统的概述由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，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。

就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

在我国许多工业部门，如海洋钻探、纺织、轧钢、矿山、采掘、金属加工、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GTO晶闸管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的问世，这些有自断能力的器件逐步取代了原来普通晶闸管系统所必须的换向电路，简化了电路的结构，提高了效率和工作频率，降低了噪声，缩小了电力电子装置的体积和重量。

谐波成分大、功率因素差的相控变流器逐步被斩波器或脉冲宽度调制器所代替，明显的扩大了电动机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因素。

PWM电源终将取代晶闸管相控式可控功率电源，成为电源的主流。

随着信息、控制与系统学科以及电力电子的发展，电力拖动系统获得了迅猛发展，从旋转交流机组到水银整流器静止交流装置、晶闸管整流装置，再到众多集成电力模块。

目前完全数字化的控制装置已成功应用于生产，以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正处在形成和不断完善之中。

1.2本章小结本章介绍了直流调速系统的研究前景及其优点。

基于MATLAB 的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究摘要: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,获得了反映系统性能的曲线,并对仿真结果进行了比较分析。

结果表明, 应用MATLAB 进行系统仿真具有方便、高效及可靠性高等优点。

关键词:MATLAB; 直流电动机; 双闭环调速系统; 仿真Simulation Study of a DC Speed Regulation SystemAbstract:This paper presents the simulation study of a DC speed regulation system by using the Simulink modules. The resultindicates that, the system simulation by using MATLAB is convenient and highly effective.Keywords:MATLAB ; DCmotor ; two-loop speed regulation system; simulation一、引言有些调速系统,如龙门刨床、轧钢机等经常处于正反转状态,为了提高生产效率和加工质量,要求尽量缩短过渡过程的时间。

速度和电流双闭环直流调速系统（简称双闭环调速系统）是由电流和转速两个调节器进行综合调节的,可获得良好的静、动态性能。

由于这样的系统其转速和电流响应曲线很难精确绘制,不便于对系统特性的分析和理解。

本文通过一个直流电动机双闭环调速系统实例,就如何利用MATLAB 软件的仿真功能对系统进行分析做一些探讨,对系统的设计和改进具有一定的参考意义。

转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。

目前都采用由内向外，一环包围一环的系统结构。

每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。

设计多环系统的一般方法是，由内环向外环一环一环地进行设计。

基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真直流调压调速系统是一种常见的电气控制系统，广泛应用于工业领域中。

在直流调压调速系统中，直流电机作为执行器，通过对电机的电压进行调节，可以实现对电机的速度、扭矩等参数的控制。

本文基于MATLAB平台对直流调压调速系统进行了仿真分析，包括建立系统模型、设计控制系统、进行性能分析等方面。

一、直流调压调速系统模型的建立直流调压调速系统可以简化为如下模型：e(t)--->u(t)--->Gv(s)---->X(s)----->e(t)是输入信号，表示期望电机速度；u(t)是输出信号，表示电机输出的转矩；Gv(s)是电机的传递函数，表示电机的速度与输入电压的关系；X(s)是控制系统的输出信号，表示根据输入信号e(t)和反馈信号u(t)计算得出的输出。

电机的传递函数Gv(s)可以通过实验测定或者理论计算得到，其具体形式为：Gv(s) = K / (Js+b)K是电机的增益；J是电机的惯性矩；b是电机的摩擦系数。

二、直流调压调速系统的控制器设计对于直流调压调速系统，可以采用比例-积分-微分（PID）控制器来控制电机的速度。

PID控制器的输出计算式为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) * dt + Kd * de(t)/dtKp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分控制器的参数，e(t)是输入信号与输出信号之差，de(t)/dt是e(t)的导数。

在MATLAB中，可以使用pid函数设计PID控制器，并使用feedback函数将控制器与直流调压调速系统进行连接。

具体步骤如下：1. 建立直流调压调速系统的模型；2. 调用pid函数，设计PID控制器，并设置控制器的参数；3. 调用feedback函数，将控制器与直流调压调速系统进行连接；4. 设计输入信号e(t)；5. 运行模拟程序，观察系统的输出信号u(t)。

三、直流调压调速系统的性能分析在直流调压调速系统的仿真中，可以通过观察系统的输出信号u(t)来评估系统的性能。

基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究双闭环直流调速系统是一种常用的控制系统结构，用于控制直流电动机的速度。

在这个系统中，有两个闭环控制环节：一个用于速度控制，另一个用于电流控制。

本文将基于MATLAB对双闭环直流调速系统进行仿真研究。

首先，我们需要建立直流电动机的数学模型。

直流电动机可以用以下方程描述：$$\begin{cases}J\frac{d\omega(t)}{dt} = T_e(t) - B\omega(t)\\L\frac{di(t)}{dt} = V(t) - R_i(t) - Ke\omega(t)\end{cases}$$其中，$J$是转动惯量，$\omega(t)$是转速，$T_e(t)$是机械负载转矩，$B$是摩擦系数，$L$是电机绕组电感，$i(t)$是电机电流，$V(t)$是电机电压，$R_i(t)$是电机内阻，$Ke$是电机反电动势系数。

为了进行仿真研究，我们需要假设一些参数值。

这里我们假设$J=0.01$ kg·m²，$B=0.1$ N·m·s/rad，$L=0.5$ H，$R=1$ Ω，$K_e=0.1$ V/(rad/s)。

接下来，我们需要设计控制器。

在这里，我们使用PID（比例积分微分）控制器，它是一种常用的控制器类型，可根据控制需求调整控制响应。

根据速度控制闭环调节器，PID控制器的传递函数为：$$C(s)= K_p + \frac{K_i}{s} + K_ds$$其中，$K_p$，$K_i$和$K_d$分别是比例增益，积分增益和微分增益。

根据电流控制闭环调节器，PID控制器的传递函数为：$$C(s) = K_{p1} + \frac{K_{i1}}{s} + K_{d1}s$$其中，$K_{p1}$，$K_{i1}$和$K_{d1}$分别是比例增益，积分增益和微分增益。

在进行仿真研究时，我们可以选择合适的参数值，并根据需要进行调整。

0 引言在现代化的工业生产中，对作为生产设备主要动力的电动机有较高的要求。

根据不同的生产要求，常常需要对生产设备进行平滑调速，而调速要通过调节电动机来实现。

同时，大多数设备要求动力系统运行稳定、具有良好的动态性能，这往往也直接取决于电动机的性能。

直流电动机因为具有较多明显的优点，常常被用于工业生产中。

直流电动机闭环调速系统具有较多优点，如可以在较大范围内进行无级调速且结构简单，启动、制动性能良好等，在具有较高要求的工业生产领域得到了广泛应用。

因此本文在Matlab 平台上搭建了直流电动机闭环调速系统的仿真模型[1]，并进行了仿真分析。

1 直流闭环调速系统原理带转速负反馈的有静差直流闭环调速系统的电气原理图如图1所示。

系统由转速给定环节*nU 、放大器P K 、移相触发器CF、晶闸管整流器、直流电动机M、测速发电机G 等组成。

其中，n U ：转速反馈；n U ∆：转速偏差，*n n n U U U ∆=−；C U ：放大器输出；d U ：整流器输出电压；d I ：电枢电流。

在该系统中，当电动机负载增加时，转速反馈n U 将随着转速的下降而减小，而转速的偏差n U ∆将增大，同时放大器输出C U 增加，并经移相触发器使整流输出电压d U 增加，电枢电流d I 增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之提高，补偿了由于负载增加所引起的转速降落[2]。

带转速反馈的直流调速系统的稳态特性方程为：frequent stepless rapid start, braking and reversal, with excellent motion performance and control characteristics. And dc speed regulation is mature in theory and practice, and it is the basis of AC speed regulation. Therefore, the study of DC speed regulation system for the development of AC speed regulation, improve the speed regulation system has an important role.Keywords: automatic speed regulation;dc motor;Matlab simulation;control feature基金项目：本文系河南省智能制造技术与装备工程技术研究中心、焦作市物料传输设备关键件制造工艺与装备工程技术研究中心项目(3118210370)的研究成果。

基于Matlab的单闭环直流调速系统仿真实验设计尚丽;陈杰【摘要】分析Matlab/Simulink仿真技术在转速单闭环直流调速系统中的应用.考虑了转速有静差和无静差两种情况,采用面向电气原理结构图的仿真方法建立仿真模型;给出主电路和控制电路的参数设置方法,同时改变转速调节器的参数设置,对单闭环直流调速系统的调速性能进行仿真实验分析,并给出直流电动机的转速和电枢电流仿真波形.实验结果表明,单闭环直流调速系统的调速性能仿真结果与理论推导的调速性能一致,对实验教学有一定的指导意义.%This paper mainly analyzes the application of simulation technique of Matlab/Simulink to rotating speed single closed loop DC speed control system.utilizing the simulation method of facing electric principle construction diagram based on the possible cases of static error and no static error,the paper proposes the parameter setting methods of main circuit and control circuit.At the same time,the simulation experimental analysis of the speed performance of the single-losed loop DC motor control system is made with changes of the parameter setting of speed regulator.The simulation waves of speed and current of DC motor are also given out.The experimental results show that the simulation results of speed performance of single closed loop DC motor are consistent with those obtained from theory,and this system offers guidance for experimental teaching.【期刊名称】《苏州市职业大学学报》【年(卷),期】2011(022)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】Matlab/Simulink仿真;转速;单闭环直流调速系统;静差;仿真模型【作者】尚丽;陈杰【作者单位】苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104;苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104【正文语种】中文【中图分类】TP391调速系统的转速降落是由负载引起的转速偏差，引入转速闭环将使调速系统大大减少转速降落，从而大大降低系统的静差率，提高直流电动机调速控制系统的稳定性[1-3].另外，在转速单闭环调速系统中，当转速调节器(automatic speed regulator，ASR)采用比例(proportion，P)调节器时，该调速系统是有静差的;为了消除系统的静差，可用积分(integration，I)调节器或者比例积分(proportion integration,PI)调节器代替P调节器构成无静差转速单闭环直流调速系统.本文讨论的无静差转速单闭环直流调速系统采用PI调节器作为转速调节器.近年来，随着计算机技术的发展，仿真技术逐步发展，现已形成完整的学科，渗透到各个领域，为应用系统的研究提供了强大的工具.目前，使用Matlab对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用Matlab的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究，而本文应用的是一种面向控制系统的电气原理结构图，使用电力系统工具箱(sim power systems)进行转速单闭环直流调速系统仿真的新方法.使用电力系统工具箱，用户不需要自己编程且不需推导系统的动态数学模型，只要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件，按电气系统的结构进行连接即可[4-6].系统的建模过程接近实际系统的搭建过程，而且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性，仿真结果的可信度较高.1 单闭环调速系统的组成及其工作原理1.1 系统组成带转速负反馈的单闭环直流调速系统的原理图如图1所示[1，7-8].在图1中，A是调节器，当其选用P调节器时，图1就是一个有静差的单闭环调速系统;当其选用PI调节器时，图1就是一个无静差的单闭环调速系统;GT是触发器装置;UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相(或单相)交流电，输出为可控的直流电压Ud;TG是测速发电机，它与电动机同轴安装.给定电位器Rp1，通常由一个稳压电源供电，以保证转速给定信号的精度.Rp2是为获得调速负反馈系数而设置的一个电位器.已知测速发电机输出电压Utg与电动机M的转速n成正比，即有Utg=Cnn，式中Cn为直流永磁式发电机的电动势常数.假设电位器Rp2的分压系数为Kf，则反馈电压Un=KfUtg=KfCnn=n，式中=KfCn称为转速负反馈系数.注意，反馈信号Un与给定信号极性相反.图1 转速负反馈单闭环直流调速系统原理图1.2 系统工作原理在图1中，给定电压与负反馈电压Un相减后，得到转速偏差电压ΔUn=-Un，经过放大器A，产生UPE所需要的控制电压Uc，UPE的输出则为可控的直流电压Ud，该电压即是直流电动机等效电路的主回路电压，用以控制直流电动机的转速n，从而构成转速负反馈控制的闭环直流调速系统.根据闭环控制规律，如果负载RL增加时，转速n则降低，反馈电压Un的值将减小，偏差ΔUn=-Un将增大，控制电压Uc增大，UPE输出直流电压Ud增大，则电动机的转速将上升，最终又回到原来运行的转速上，维持转速稳定.为了便于理解，上述负载RL增加时转速调节的过程可以简单表示如下[1]:2 有静差转速单闭环直流调速系统的建模与仿真2.1 系统的仿真建模由图1可知，单闭环转速负反馈系统主要由转速给定环节、速度调节器ASR、同步脉冲触发器GT、晶闸管整流器、平波电抗器、直流电动机M、测速发电机TG(速度反馈环节)等组成.如果ASR采用比例调节器，根据图1的连接方式构建的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统的仿真模型如图2所示[1].图2中所用到的各模块在Matlab6.5/Simulink下所提取的路径及其建模方法见文献[1]与[3].下面详细介绍各部分参数设置过程.2.2 主电路仿真参数设置由图2的仿真模型可知，主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等仿真模块组成[4-6].由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模.1) 三相对称交流电压源.A相交流电源参数设置为交流峰值相电压取125 2 V、初相位设置成0°、频率为50 Hz，其他为默认值.B、C相交流电源参数设置方法与A 相基本相同，除了将初相位设置成互差120°外，其他参数与A相相同，由此可得到三相对称交流电源.图2 有静差转速单闭环直流调速系统仿真模型2) 晶闸管整流桥.使用该模块时，A、B、C均选择为输入端，DC端为输出端;“g(pulses)”端接受来自外部模块的触发信号，缓冲电阻Rs=10e5，缓冲电容Cs、内电阻Ron、内电感Lon等参数采用默认设置即可.3) 同步脉冲触发器参数设置.同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器.6脉冲触发器模块有5个输入端，如图3(a)所示.同步电源与6脉冲触发器及封装后的子系统符号如图3(b)所示.封装后的子系统符号，Uct为触发器控制信号，In2为触发器的开关输入信号，Out1端口输出脉冲信号，该端口与晶闸管整流桥的“g(pulses)”端相连，为晶闸管提供触发控制信号.同步6脉冲触发器参数设置的同步电压频率为60 Hz，脉冲宽度为10°，如再勾选了“Double pulsing”，触发器就能给出间隔60°的双脉冲信号.4) 平波电抗器.平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数.在此电感值设为5 mH.图3 同步脉冲触发器和封装后的子系统符号5) 直流电动机.直流电动机的输出参数选择为转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te4个信号.如果不指定直流电动机额定参数，可以采用默认设置.本设计选用的直流电动机额定参数为UN=220 V，IN=16 A，nN=1 500 r/min，电枢电阻Ra=1.5 Ω，飞轮惯量为GD2=22.5 N·m2，励磁电压Uf=220 V，励磁电流If=1.5 A.采用三相桥式全控整流电路，整流器内阻Rrec=0.6 Ω，平波电抗器Lp=200 mH，计算得到的电枢电感La=0.016 H、励磁电阻Rf=146.7 Ω、电枢绕组合励磁绕组互感Lof=0.76 H、电动机转动惯量J=0.57 kg·m3，额定负载转矩TL=18 N·m.2.3 控制电路的建模与仿真参数设置单闭环有静差转速负反馈调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈等环节组成.仿真模型中根据需要另增加了限幅器和自定义的函数模块Fcn.限幅器的上下限根据需要设定，本模型中设为[-50，50];自定义的函数模块Fcn的函数关系式为90-6u，其中u是自定义函数模块的自变量符号.给定环节设置为10rad/s;ASR采用P调节器，对该模块设置不同的参数即是改变ASR的放大倍数Kp，最终通过仿真优化得到比较合适的放大倍数选择范围;转速负反馈系数设为0.006 8，该系数由给定电压值和额定转速确定.2.4 仿真结果分析仿真中所选择的算法为ode23s，仿真开始时间为0 s，停止时间设为1.5 s，其他仿真参数设置为默认.当建模和仿真参数设置完成后，即可开始进行仿真.在额定转速信号=10，转速反馈系数=0.068，放大倍数Kp=5，10，20时的转速响应曲线如图4(a)所示、电流响应曲线如图4(b)所示(采用Matlab命令绘图).可以看到，随着放大器放大倍数Kp的增加，系统的稳态转速提高，稳态转速降落减小.从图4(b)中可以看出，由于没有电流的限制措施，在起动过程中电流仍很大可达970 A，这样大的起动电流很容易烧毁电动机，而且对过载能力低的晶闸管整流装置来说，更是不允许的.由于晶闸管整流器控制的非线性，其输出电压只能在0～Udmax范围内变化.实验中当放大倍数取为200时，转速还没有出现严重的不稳定现象.如果再继续增大放大倍数Kp，如选择Kp=400时，控制系统则处于不稳定状态，转速就会出现严重的不稳定现象，如图4(c)所示.图4 不同放大倍数的有静差单闭环直流调速系统仿真结果(α=0.006 8，U*n=10) 3 无静差转速单闭环直流调速系统的建模与仿真在有静差单闭环直流调速系统的电气原理结构图(图1)中，将ASR调节器换成PI 调节器，就构成无静差转速单闭环直流调速系统.同样的，在有静差单闭环直流调速系统的仿真模型(见图3)中，将增益模块“Gain”改成PI仿真模块，就构成无静差单闭环直流调速系统的仿真模型.两者相比，仅是控制电路中转速调节器ASR 采用的控制器类型不同，其余环节都是相同的.因此，无静差单闭环直流调速系统主电路的建模和参数设置方法都是跟有静差系统相同的，只是具体参数的设置值有所不同，这里不再一一赘述，仅重点介绍PI调节器的仿真建模、参数设置以及仿真分析结果.3.1 PI控制器的仿真建模和参数设置控制电路中PI调节器的仿真模型采用P调节器和I调节器相加得到.PI调节器的输入信号为转速给定和转速反馈信号之间的偏差ΔUn=-Un;其输出信号为触发器控制信号Uct .PI调节器的仿真模型及其封装后的子系统符号如图5(a)和5(b)所示. 图5 PI调节器及其封装后的子系统符号设系统的给定转速信号(实际上是电压信号)为150 rad/s，PI调节器的积分时间=30 s，其放大倍数Kp在保证系统稳定的前提下选择.系统无静差时，给定转速信号和转速反馈信号Un近似相等，即=Un=n.因此，转速反馈系数可以采用公式估算.这样，给定信号经过PI调节器，再通过限幅器和自定义函数90-6u后作为同步触发器的移相控制信号Uct.限幅器的范围仍设为[-50，50].3.2 仿真结果分析系统仿真中所选择的算法为ode23s，仿真开始时间为0 s，停止时间设为3 s，其他仿真参数设置为默认.取额定转速信号=150 V，放大倍数Kp=15，积分时间常数=30 s，转速负反馈系数=0.135时的转速响应曲线和电流响应曲线如图6所示. 图6 PI控制转速无静差转速单闭环直流调速系统仿真结果从图6中可以看到，在给定转速=150 rad/s，放大倍数Kp=15，积分时间常数=30 s，转速反馈系数=0.135时，大约在1 s以后，转速n基本上达到稳定，稳定值约为1 108 rad/s;转速反馈Un值约为149.6 rad/s，系统基本上满足稳态关系Un=n，可以认为实现了转速无静差.另外，如果假设调速系统为单位负反馈系统，即=1，则在给定转速=150 rad/s的条件下，当放大倍数Kp=15，积分时间常数=30 s时，实验中也可以基本上做到转速无静差，仿真分析结果和理论分析结果基本一致.另外，从图6中可以看到，电流开始有一个突变，不过随着转速的增加，电流在逐渐减小，然后再经过PI调节器进行调节，电流基本上稳定，最后能够实现转速无静差.4 结论在有静差转速负反馈单闭环直流调速系统中，由于采用P调节器，稳态时转速只能接近给定转速值，而不可能完全等于给定的转速值.提高开环增益只能减小转速降落而不能完全消除转速降落.为了完全消除转速降落，实现转速无静差调节，采用PI调节器代替P调节器，就构成无静差转速负反馈直流调速系统.而本文用Matlab/Simulink仿真技术实现了上述有静差和无静差转速单闭环直流调速系统的仿真建模，并给出了转速调节器参数改变时调速系统的仿真分析结果.实验结果表明，单闭环直流调速系统的调速性能仿真结果和理论上推导的调速性能相一致.另外，由于仿真模型是图形化的、面向对象的，非常适合教学实践环节和教学研究. 参考文献:【相关文献】[1] 尚丽，马青，戴桂平，等. 运动控制系统[M]. 西安:西安电子科技大学出版社，2009.[2] 方清城,罗中良,官峰,等. 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x x 学院学报Journal of xxx College基于Matlab-Simulink仿真的双闭环直流调速系统的设计与研究姓名(xxx大学,江苏,南京210000摘要:根据实际应用要求以及给定参数,对转速、电流双闭环直流调速系统进行设计,计算其控制系统的参数,并通过matlab软件的simnlink,对设计的系统进行仿真,以验证设计的正确性,并分析仿真结果,从而进一步说明双闭环调速系统的可行性与优越性。

对计算过程做了着重重视,详细精炼,可以为高校学生参与调速研究提供细节性的指导。

关键词:双闭环直流调速matlab 仿真中图分类号:TG156文献标志码:DESIGN AND RESEARCH Of DOUBLE-LOOP DC MOTOR SPEED CONTROL SYSTEM BASED ON MATLAB-SIMULINKName(xxx College ,Nanjing 210000,Jiangsu ,ChinaAbstract:According to the practical appliance and the parameters given , make a design of the double-loop DC motor speed control system, calculating the other parameters that are needed in the control system we design .I make a simulation of the control system through Matlab-simulink to ensure the preciseness of it. Besides, there is adeep analyse about the characters of the designed system to account for the feasibility of the double-loop DC motor speed control system,as well as the supriorities of it . I make stronge emphysis on specific calculation of the parameters, it can supply a guide for college student who are in research of the speed control system in details.Key words: double-loop;DC machine speed control ; matlab ;simulation0 引言*直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速,其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位。

基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究双闭环直流调速系统是一种常见的电机控制系统，通过使用两个闭环来控制电机转速和电流，能够使电机稳定运行并满足特定的转速和负载要求。

MATLAB作为一种功能强大的计算软件，可以提供一系列的工具和函数，用于建模、仿真和分析各种控制系统。

双闭环直流调速系统一般由速度环和电流环组成。

速度环用于控制电机的速度，通过测量电机的转速与设定值之间的误差，并将误差信号馈入控制器进行比例、积分、微分运算，最后将输出信号作为电机的控制电压。

电流环则用于控制电机的电流，通过将输出信号与电机的电流进行比较，并通过控制电机的电流调节器来控制电机的电流。

在MATLAB中进行双闭环直流调速系统的仿真研究，主要包括以下步骤：1.建立系统模型：根据实际的电机参数以及控制器的特性，建立电机系统的数学模型。

一般可以使用传递函数来描述电机的动态特性。

2.设计控制器：根据系统的性能要求，设计速度环和电流环的控制器。

可以使用PID控制器或者其他控制算法来实现控制器的设计。

3. 进行仿真实验：根据所设计的控制器和系统模型，进行仿真实验。

在MATLAB中，可以使用Simulink工具箱来搭建系统模型，并通过逐步调整控制器参数，在不同的工况下进行仿真实验，并观察系统的响应。

4.分析结果：根据仿真实验的结果，通过分析系统的响应曲线，评估系统的性能。

可以观察系统的稳态误差、超调量、调节时间等指标，以及系统的抗干扰性能和稳定性。

5.优化控制器参数：根据仿真实验的结果，对控制器参数进行优化调整，以获得更好的系统性能。

可以使用MATLAB提供的优化算法来自动求解最优参数。

总结，基于MATLAB的双闭环直流调速系统仿真研究可以通过建立系统模型、设计控制器、进行仿真实验、分析结果和优化控制器参数等步骤来完成。

通过这些步骤，可以评估控制系统的性能，并对系统进行改进和优化，以满足实际的控制需求。