转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真-(终极版)

电⼒拖动⾃动控制系统实验报告电⼒拖动⾃动控制系统实验实验⼀转速反馈控制直流调速系统的仿真⼀、实验⽬的1、了解MATLAB下SIMULINK软件的操作环境和使⽤⽅法。

2、对转速反馈控制直流调速系统进⾏仿真和参数的调整。

⼆、转速反馈控制直流调速系统仿真根据课本的操作步骤可得到如下的仿真框图：图 1 仿真框图1、运⾏仿真模型结果如下：图2 电枢电流随时间变化的规律图3 电机转速随时间变化的规律2、调节参数Kp=0.25 1/τ=3 系统转速的响应⽆超调但调节时间长3、调节参数Kp=0.8 1/τ=15 系统转速的响应的超调较⼤，但快速性较好实验⼩结通过本次实验初步了解了MATLAB下SIMULINK的基本功能，对仿真图的建⽴了解了相关模块的作⽤和参数设置。

并可将其⽅法推⼴到其他类型控制系统的仿真中。

实验⼆转速、电流反馈控制直流调速系统仿真⼀、实验⽬的及内容了解使⽤调节器的⼯程设计⽅法，是设计⽅法规范化，⼤⼤减少⼯作计算量，但⼯程设计是在⼀定近似条件下得到的，⽤MATLAB仿真可根据仿真结果对设计参数进⾏必要的修正和调整。

转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应⽤最⼴泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运⾏的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提⾼⽣产效率的关键。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作⽤，可在系统⾥设置两个调节器，组成串级控制。

⼀、双闭环直流调速系统两个调节器的作⽤1)转速调节器的作⽤（1）使转速n跟随给定电压*mU变化，当偏差电压为零时，实现稳态⽆静差。

（2）对负载变化起抗扰作⽤。

（3）其输出限幅值决定允许的最⼤电流。

2)电流调节器的作⽤（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*iU变化。

（2）对电⽹电压波动起及时抗扰作⽤。

（3）起动时保证获得允许的最⼤电流，使系统获得最⼤加速度起动。

（4）当电机过载甚⾄于堵转时，限制电枢电流的最⼤值，从⽽起⼤快速的安全保护作⽤。

当故障消失时，系统能够⾃动恢复正常。

运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。

具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。

电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。

额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =7.2V 。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。

试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。

（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。

并与仿真结果进行对比分析。

（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。

（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。

（一）实验参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。

实验四转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、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 软件建立转速、电流反馈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、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流I d和转速n 的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相应的结论。

转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下：直流电动机：额定电压 U N = 220 V，额定电流 I dN =136 A，额定转速 n N = 1460r/min，电动机电势系数C e= 0.132 V· min/r ，允许过载倍数λ=1.5 。

晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。

电枢回路总电阻 R =0.5Ω，电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数 T m = 0.18 s，整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。

电流反馈系数β=0.05V/A （≈10V/1.5I N)。

四、实验内容1、电流环的仿真。

参考教材P90 中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。

140 2 0.5-K-0.002s+1 0.0017s+1 0.03s+1 0.18sStep Transfer Fcn Gain Saturation Transfer Fcn1 Transfer Fcn2 Transfer Fcn31-K-sGain1 Integrator0.050.002s+1Transfer Fcn4 Scope图 1 电流环的仿真模型2、按照表 1 中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p和积分系数K i，观察电流环输出电枢电流I d的响应曲线，记录电枢电流I d的超调量、响应时间、稳态值等参数，是否存在静差？分析原因。

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。

综合训练项目一题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真学期：专业:班级：姓名：学号：指导教师：辽宁工程技术大学成绩评定表评定标准评定指标标准评定合格不合格调节器设计方案正确性仿真模型搭建参数选择仿真结果设计报告\答辩内容充实图表清晰答辩效果总成绩日期年月日综合训练项目一题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真目的：通过仿真，学生可以对各模块性能、电路连接情况有所了解并直观地看到仿真结果；通过对仿真参数进行调整，可以使学生了解参数变化对系统性能的影响。

要求：针对知识单元二的转速、电流双闭环直流调速系统的调节器工程设计方法，利用MATLAB/simulink 中的电力系统工具箱搭建系统仿真模型，验证调节器工程设计方法得到的参数并合理调节参数，利用该模型学生可以分析双闭环直流调速系统的启动性能、系统突加减变负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况以及系统抗电网电压等各种扰动下的速度响应。

任务:某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，Ce=0.132V ·min/r,允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s k =；电枢回路总电阻0.5R =Ω，0.0017s T s =，电磁时间常数0.03l T s =，机电时间常数0.18m T s =，电流反馈滤波时间常数0.002oi T s =，电流反馈系数0.05/V A β=，转速反馈系数0.05min/V r α=∙，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%n σ=。

1、采用工程设计方法设计电流调节器和速度调节器,建立各自的动态数学模型；2、用MATLAB/Simulink 仿真软件建立电流环仿真模型；3、分析电流环不同参数下的仿真曲线；4、用MATLAB 建立转速环仿真模型；5、分析转速环空载启动、满载启动、抗扰波形图仿真曲线；转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真46、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。

转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真1.电流环的仿真（1）典型I型系统图1 典型Ⅰ型电流环的仿真模型图2 图3图4以上图2、图3、图4分别为KT=0.25、0.5、1.0的仿真结果图，其按典型Ⅰ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数分别为、、。

当KT=0.25时，系统无超调，但上升时间长;当KT增大时，出现超调，KT越大，超调量越大，但上升时间随着变短了。

观察图2、图3、图4的仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于λ=200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，如图1，所示，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于。

（2）典型Ⅱ型系统图5 典型Ⅱ型电流环的仿真模型图6 图7图8以上图6、图7、图8分别为KT=0.25、0.5、1.0的仿真结果图，其按典型Ⅱ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数分别为、、。

观察仿真结果图，可知，随着KT的增大，超调量越来越大，且上升时间也随着变短了。

2.转速环的系统仿真图9 转速环的仿真模型图10 图11图12以上图10为阶跃输入模块的阶跃值为10时，得到启动时的转速与电流响应曲线，转速波形先是缓慢升速，然后恒加速上升，产生超调后，最终稳定于给定转速值。

而电流则是先上升，产生超调后稳定一个值，后下降至另一稳定值。

即转速调节器在这三个阶段中经历了快速进入饱和、饱和及退饱和三种情况。

图11为把负载电流设计为136，满载启动时的转速与电流响应曲线，其启动时间延长，且退饱和超调量减少了。

图12为空载稳定运行时突加额定负载的转速与电流响应曲线，其转速先降低后又上升至原来的稳定值，其抗扰性能强，而电流则是先上升后下降到另一个新的稳态值。

转速反馈控制直流调速系统的仿真一、不带电流负反馈的转速反馈控制直流调速系统仿真根据课本的操作步骤可得到如下的仿真框图：根据课本的操作步骤可得到如下的仿真框图：图1.仿真框图运行仿真模型结果如下：运行仿真模型结果如下：图2.电枢电流随时间变化的规律由图可知电流的最大值为230A左右，显然不满足实际要求，故后面需对此进行处理，采用带电流截止负反馈环节的直流调速系统。

采用带电流截止负反馈环节的直流调速系统。

图3. 电机转速随时间变化的规律二、带电流负反馈的转速反馈控制直流调速系统仿真采用以下结构实现电流截止负反馈环节中的二极管功能：当输入小于0时，输出为0；当输入大于0时，输出等于输入。

时，输出等于输入。

图4. 原理图根据电机的额定参数：A 55IN =。

取。

取.57155*.31.3I1INdcr === 9955*.81I*.81IN 1db ===又根据又根据s com*N 1db R U U I +»s dcr com R *I U =同时V 10U *N =，可解得：364.0R s =，26U com =仿真框图如下所示：仿真框图如下所示：图5.仿真框图运行仿真模型结果如下：运行仿真模型结果如下：图6.电枢电流随时间变化的规律图7.电机转速随时间变化的规律。

三、结论将不带电流负反馈的模型与带电流负反馈的模型进行比较，我们看到，前后两个scope1中的曲线的最大值相差很大。

第一个scope1中最大值达到了250左右，而第二个只有100左右。

而前后两个scope 中，曲线都在1000左右稳定，而第一个scope 是在0.1秒左右就开始进入稳态，而第二个是在0.2秒左右才开始进入稳态。

秒左右才开始进入稳态。

可知，引入电流负反馈，可以解决转速反馈闭环调速系统起动时电流过大的问题，可以解决转速反馈闭环调速系统起动时电流过大的问题，而且而且这种作用只在起动时存在，这种作用只在起动时存在，在正常的稳速运行时又取消了，在正常的稳速运行时又取消了，在正常的稳速运行时又取消了，电流随着负荷的增减而变化，电流随着负荷的增减而变化，电流随着负荷的增减而变化，只只有当电流大到一定程度时才开始起作用。

控制系统课程设计设计内容：转速反馈控制直流调速系统的仿真姓名：院系：专业：班级：学号：指导教师：目录一：仿真软件的选用 (1)二：仿真框图及说明 (1)三：仿真模型图及参数设置 (1)3.1 参数设置： (1)3.2 仿真模型图 (2)3.3 仿真模型图的建立 (2)3.4 仿真模型的运行 (3)四：仿真结果 (3)五：总结 (5)六：参考文献 (5)七：致谢 (5)一：仿真软件的选用MATLAB 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 是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，和 Mathematica、 Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

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 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使 MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN， C++ ， JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

MATLAB 下的 SIMULINK 软件进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过 SIMULINK 环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。

控制系统课程设计--转速反馈控制直流调速系统的仿真控制系统课程设计设计内容:转速反馈控制直流调速系统的仿真院系: 信息科学与技术部专业: 电气工程及其自动化班级 : 11Q电气7 班目录一.仿真软件的选用 ..................................................................... .. (1)1.1 MATLAB简介 ..................................................................... . (1)1.2 对SIMULINK的简介 ..................................................................... ................................. 1 二.仿真框图及说明 ..................................................................... .. (2)2.1比例积分控制的直流调速系统的仿真框图 .....................................................................22.2仿真参数要求 ..................................................................... ................................................ 2 三.仿真模型图及参数设置 ..................................................................... ......................................... 2 四.仿真结果 ..................................................................... .. (4)4.1 仿真过程 ..................................................................... . (4)4.2调节器参数的调整 ..................................................................... ........................................ 6 五. 总结...................................................................... . (8)六.参考文献 ..................................................................... ................................................................. 9 七.致谢...................................................................... ........................................................................9一.仿真软件的选用1.1 MATLAB简介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。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的设计和仿真1.设计原理带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统由速度反馈环和电流反馈环组成。

其基本原理是，通过测量电机驱动器的输出转速，并与给定的转速进行比较，从而产生误差信号。

误差信号经过比例、积分和微分三个环节进行处理后，作为电机驱动器的控制量，用于调节电机的输入电压。

具体的设计步骤如下：(1)确定电机的调速要求和性能指标，包括稳态误差、调速范围、动态响应时间等。

(2)根据电机的参数和特性曲线，确定理想的速度控制系统传递函数。

(3)选择合适的调节器类型和参数，并确定反馈信号的获取方式。

(4)设计速度环和电流环的控制回路，包括比例、积分和微分环节的参数设置。

(5)进行系统稳态和动态性能的仿真和分析。

2.仿真过程在进行仿真前，需要先确定电机的参数和特性曲线，并建立相应的数学模型。

然后，在Simulink等软件中搭建整个调速系统的模型。

具体步骤如下：(1)根据电机的特性曲线确定电机的传递函数模型，例如：Gs=1/(Js+B)其中，Gs为电机的机械转速传递函数，J为转动惯量，B为阻尼系数。

(2)设计速度环的控制回路，包括比例环节、积分环节和微分环节。

通常采用PID控制器，其传递函数为：Gc=Kp+Ki/s+Kd*s其中，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分环节的增益。

(3)设计电流环的控制回路，采用电流截止负反馈的方式。

电流环的控制器传递函数为：Gc=Kc*(1+s*Rf)其中，Kc为增益，Rf为电流截止反馈的滤波器。

(4)将速度环和电流环相连接，构成整个闭环控制系统。

(5)进行系统的仿真，观察系统的稳态和动态响应，并根据需要进行参数调整和优化。

3.仿真结果和分析根据以上步骤进行仿真后，可以得到系统的稳态和动态响应曲线。

通过观察和分析这些曲线，可以评估系统的性能和效果。

首先，可以通过误差曲线来评估系统的稳态性能，即在给定转速下是否存在稳态误差。

如果误差较大，需要调整PID控制器的参数来改善系统的稳定性。

转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真1.电流环的仿真（1）典型I型系统图1 典型Ⅰ型电流环的仿真模型图2 图3图4以上图2、图3、图4分别为KT=0.25、0.5、1.0的仿真结果图，其按典型Ⅰ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数分别为、、。

当KT=0.25时，系统无超调，但上升时间长;当KT增大时，出现超调，KT越大，超调量越大，但上升时间随着变短了。

观察图2、图3、图4的仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于=200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，如图1，所示，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于。

（2）典型Ⅱ型系统图5 典型Ⅱ型电流环的仿真模型图6 图7图8以上图6、图7、图8分别为KT=0.25、0.5、1.0的仿真结果图，其按典型Ⅱ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数分别为、、。

观察仿真结果图，可知，随着KT的增大，超调量越来越大，且上升时间也随着变短了。

2.转速环的系统仿真图9 转速环的仿真模型图10 图11图12以上图10为阶跃输入模块的阶跃值为10时，得到启动时的转速与电流响应曲线，转速波形先是缓慢升速，然后恒加速上升，产生超调后，最终稳定于给定转速值。

而电流则是先上升，产生超调后稳定一个值，后下降至另一稳定值。

即转速调节器在这三个阶段中经历了快速进入饱和、饱和及退饱和三种情况。

图11为把负载电流设计为136，满载启动时的转速与电流响应曲线，其启动时间延长，且退饱和超调量减少了。

图12为空载稳定运行时突加额定负载的转速与电流响应曲线，其转速先降低后又上升至原来的稳定值，其抗扰性能强，而电流则是先上升后下降到另一个新的稳态值。