双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验

双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验魏小景张晓娇刘姣（自动化0602班）摘要：采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计，选择调节器结构，进行参数的计算和校验;给出系统动态结构图，建立起动、抗负载扰动的Matlab Simulink 仿真模型.分析系统起动的转速和电流的仿真波形 ,并进行调试 ,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善。

关键词:双闭环调速系统;调节器;Matlab Simulink建模仿真1.引言双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器。

调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。

本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab/Sim-ulink进行仿真。

2.基本原理和系统建模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,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 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GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环,这样就形了转速、图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图3.系统设计调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参数：直流电动机：220,13.6,1480/m in,0.131/(/m in)e V A r C V r =，允许过载倍数1.5λ=；晶闸管装置：76s K =；电枢回路总电阻： 6.58R =Ω；时间常数：0.018l T s =，0.25m T s =；反馈系数：0.00337/(/min)V r α=，0.4/V A β=；反馈滤波时间常数：0.005oi T s =，0.005on T s =。

双闭环直流调速系统的设计与仿真1、实验目的1 •熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。

2 •掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。

3 •掌握调节器的工程设计及仿真方法。

2、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3、实验要求用电机参数建立相应仿真模型进行仿真4、双闭环直流调速系统组成及工作原理晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机一发电机组等组成。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压U ct作为触发器的移相控制电压，改变U ct的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接，如图 4.1 o把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE。

在结构上，电流环作为内环，转速环作为外环，形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得图4.1转速、电流双闭环调速系统5、电机参数及设计要求5.1电机参数直流电动机：220V , 136A , 1460r/min , =0.192V ? min/r,允许过载倍数'=1.5，晶闸管装置放大系数：.=40电枢回路总电阻：R=0.5-'-时间常数：=0.00167s, …=0.075s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：：=0.007 V ? mi n/r5.2设计要求要求电流超调量 5% ,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量 工...:选 10%。

6调节器的工程设计 6.1电流调节器ACR 勺设计（1） 确定电流环时间常数1） 装置滞后时间常数 ，=0.0017s ;2） 电流滤波时间常数=0.002s ；3） 电流环小时间常数之和％萨+=0.0037s ;（2） 选择电流调节结构 根据设计要求.5%,并且保证稳态电流无差，电流环的控制对象是双惯性型的，且埼爾？ii=0.03/0.0037=8.11<10，故校正成典型I 型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成式中.—电流调节器的比例系数；忌一电流调节器的超前时间常数。

双闭环直流调速控制系统MATLAB／Simulink建模与仿真文章针对传统PID直流电机调速系统转速超调量过高、调节时间不理想的问题，设计了一种双闭环直流电机调速控制系统。

建立了双闭环直流电机调速系统的数学模型，并对控制器参数进行了整定。

建立了系统Simulink模型并进行仿真，分析了系统在启动过程中的动态特性。

实验结果表明，相较于传统PID 直流电机调速控制系统，本双闭环直流调速控制系统可以消除超调量、有效缩短系统调节时间，具有更好的静态和动态性能。

标签：双闭环；直流调速；Simulink建模；仿真分析随着电机控制技术的不断发展，工业上对于电机的使用频率及动态性能的要求不断提高，直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一[1]。

传统PID直流调速控制系统存在超调量过高、调节时间缓慢等问题，导致系统的动态性能不理想，在一些对于工艺要求精准的情况下无法满足系统动态指标的要求。

如何解决控制系统中稳、快、准等各方面性能制约，以达到对于转速、电流控制指标的要求，始终是一个重要的讨论课题[2]。

文章针对上述问题，设计了一种双闭环直流调速控制系统，在传统PID直流调速系统的基础上，引入了电流调节器，以改善系统输出转速的动态性能，相对于传统PID调速系统，本系统有效降低了直流电机输出转速的超调量，明显提高了系统的静态和动态指标，具有更好的系统性能。

1 双闭环直流调速系统结构设计直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一，随着工业控制技术的不断发展，工程上对于直流电机调速系统的稳、准、快性能指标有了越来越苛刻的要求[3]。

双闭环控制系统是一种常用的复杂控制系统，是改善过程控制系统品质的一种有效方式，并在实际工程中得到了广泛应用[4]。

文章所设计双闭环调速系统结构如图1所示，从闭环结构上看，双闭环控制系统由两个负反馈闭环结构组成，电流调节器在里面（电流环）；转速调节器在外边，（速度环）。

为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，电流调节器ACR（Current Regulator）和转速调节器ASR（Speed Regulator），两者之间实行串级连接，其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器ACR的输出去控制晶闸管装置。

、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。

实验1 转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真
一、实验目的
加深对它励式直流电机工作原理的理解，学会使用仿真软件MATLAB中的SIMULINK模块，搭建三相桥式可控整流电路模型和三相桥式驱动电路——6脉冲驱动发生器，并且将其与直流电机的双闭环控制相结合，并利用仿真模型，分析在直流电机开环时的仿真波形，以及在双闭环的原理和在此控制下的相关波形。

二、实验系统组成及工作原理
转速电流双波换控制直流系统的原理电路
三、实验所需软、硬件设备及仪器
（1）计算机（装有windows XP以上操作系统）；
（2）MATLAB 6.1版本以上软件；
四、实验内容
直流电机的转速电流双闭环控制，电源的相电压为220V的三相交流，励磁绕组电压为220V的直流。

首先观测直流电机在开环控制，空载下的转速，电枢电流，励磁电流以及转矩的波形，其次在空载下，加上双闭环控制电路，控制三相整流桥的触发角，从而达到调整励磁电流的目的，直至电机稳定工作，得到相关波形，最后给电机加载，观察波形的变化。

α°）
（1）开环控制（30
=
（2）双闭环控制（α由控制器的输出得到）
（3）加载时，双闭环控制下的波形
五、步骤及方法
六、课后思考与总结
（1）撰写仿真实验报告；
（2）采用双闭环控制的目的；
（3）在转速、电流双闭环直流调速系统中，如要改变电动机的转速，通常可以调节哪些参数？。

工程管理与技术现代商贸工业２０１８年第３２期２１８㊀㊀作者简介:袁丹鹤(１９９３－),男,汉族,江西丰城人,在读研究生,广东工业大学自动化学院,研究方向:控制科学与工程.双闭环直流调速系统的S i m u l i n k 仿真研究袁丹鹤(广东工业大学自动化学院,广东广州５１０００６)摘㊀要:对基于桥式可逆P WM 变换器的双闭环直流调速系统进行了研究,并建立了其数学模型.按工程设计方法对调节器进行了设计并计算了相关参数,最后用S i m u l i n k 对系统进行了仿真研究,得到转速和电流的输出波形,具有一定的参考意义.关键词:桥式可逆P WM 变换器;双闭环直流调速;工程设计方法;仿真研究中图分类号:T B ㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀d o i :１０．１９３１１/j ．c n k i ．１６７２Ｇ３１９８．２０１８．３２．１１０１㊀引言直流电动机具有调速性能好和起动力矩大的特点.因其可以在重负载的条件下实现平滑而均匀的无级调速,具有较宽的调速范围和可以均匀实现转速的调节而得到广泛的应用.而脉宽调制(P WM )控制技术以其控制简单㊁灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式.在实际工程的应用中,电动机转速㊁电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统.２㊀系统结构与数学模型双闭环直流调速系统的系统结构如图１所示.其中,A S R (A u t o m a t i cS p e e dR e gu l a t o r )为转速调节器,A C R (A u t o m a t i cC u r r e n tR e gu l a t o r )为电流调节器,T G 为测速发电机,T A 为电流互感器,U P E 为电力电子变换器,U ∗n 是转速给定电压,U ∗i 是电流给定电压,U n 是转速反馈电压,U i 是电流反馈电压.图１㊀双闭环直流调速系统结构从图中可以看出,为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,用来引入转速和电流两个负反馈从而实现转速和电流的调节.两个调节器之间实行串级连接,A S R 的输出作为A C R 的输入,然后用A C R 的输出来控制电力电子变换器.由于电流环在里面,所以被称为内环;同理,转速环被称为外环.而在设计上一般要求系统在稳态下实现无静差调速,以及需要较好的动态性能,选择P I 调节器作为转速和电流调节器可以达到设计要求的动㊁静态性能.２．１㊀直流电动机数学模型直流电动机可以看作是一个二阶线性环节.直流电动机的电压平衡方程和运动控制系统的运动方程为:U d ０＝R I d ＋Ld I dd t ＋E (１)Te －T L ＝４g J M ３７５ d n d t(２)其中,将感应电动势E ＝C en 和电磁转矩C m I d 代入上式,整理并进行拉氏变换,得到直流电机的数学模型如图２所示.图２㊀直流电动机的数学模型图中,T l ＝L/R 为电枢回路电磁时间常数,T m ＝４g J M R ３７５C e C m 为机电时间常数.２．２㊀桥式可逆P WM 变换器的数学模型不管是哪种P WM 变换器电路,它的驱动电压都是从P WM 控制器发出的.P WM 控制器和变换器的数学模型基本上与晶闸管触发和整流装置是一样的.P WM 变换器的输出电压U d 随控制电压U c 变换时,会有一个最大延时为一个开关周期T 的延迟,因此可将其看作一个滞后环节.然而实际中这个时间常数都很小,在一般的电力拖动自动控制系统中,时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节:W S (S )＝K ST S S ＋１(３)式中,K s 是P WM 装置的放大系数,T s 是P WM 装置的延迟时间.从而得到双闭环直流调速系统的动态原理图如图３所示.图３㊀双闭环直流调速系统动态原理图由图３可知,为了消除电流检测中含有的交流分量对调节器输入的影响,加入了一个低通滤波环节,滤波时间常数为T o i ;而因为转速反馈电压中也含有换向纹波,为了消除其影响,也加入了一个低通滤波环节,滤波时间常数为T o n .为了平衡反馈通路中的滤波环节带来的延迟作用,电流调节器和转速调节器的输入都加入了同等时间常数的滤波环节.３㊀调节器设计先内环后外环是用工程设计方法来设计双闭环直流调速系统的原则.首先从电流环开始,进行简化处现代商贸工业２０１８年第３２期２１９㊀理后根据控制要求将其校正成某一典型系统,然后选择电流调节器的类型,最后以动态指标计算调流调节器参数.设计完电流环后,将其等效为转速环的一个环节后使用与电流环设计一样的方法来设计转速环.现以某双闭环直流调速为例,功率变换器采用桥式双极式P WM 变换器,已知参数如下:额定电枢电压U N ＝４４０V ,额定电枢电流I N ＝５．７A ,额定转速n N ＝２２４３r /m i n ,电枢电阻R ＝６．２８Ω,电枢电感L＝５３．６mH ,转动惯量J M ＝０．０２２４K gm ２,允许过载倍数λ＝１．５;P WM 变换器开关频率为１０K H z,平均失控时间T s ＝０．００００５s ,放大倍数K s ＝８８;电流反馈时间常数T o i ＝０．０００５s ,电压反馈时间常数T o n ＝０．００１s ,且输入电压为５V ,则电流反馈系数β＝U ∗i m /λI N ʈ０．５８４V /A ,电压反馈系数α＝U ∗n m /n N ʈ０．００２２V m i n /r .设计指标要求稳态无静差,动态电流超调δi ɤ５％,转速超调量δn ɤ１０％.３．１㊀电流调节器设计根据文献[３]~[５]可知,电流环可以通过忽略反电动势的影响,等效成单位负反馈系统和小惯性环节近似处理简化,最终校正成典型I 型系统.电流调节器采用P I 调节器,其传递函数为:W A C R ＝K i (τis ＋１)τis (４)可以看出,只有电流调节器的比例系数K i 和超前时间常数τt 两个参数.令τi ＝T i ＝L/R ＝０．００８５以使得调节器零点和控制对象的大时间常数极点对消,电流环校正成典型I 型系统后有:K l ＝K i K s βτiR (５)因为要求电流超调量δɤ５％,可以选ξ＝０．７０７,即K I T ði ＝０．５,整理得到K i ＝T iR ２K s βT ði (６)式中T ði ＝T s ＋T o i ＝０．０００５５s ,根据已知,求得K i ＝０．９４４.３．２㊀转速调节器设计同样的,在电流环设计结束后,忽略高次项对其降阶近似后,接入转速环并用等效环节代替电流环,然后通过等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理,最终将转速环校正成典型I I 型系统.转速调节器同样也是采用P I 调节器,其传递函数为:W A S R (s )＝K n (τn s ＋１)τns (７)可以看出,同样只有转速调节器的比例系数K n 和超前时间常数τn 两个参数.校正成典型I I 型系统后,此时的系统开环增益为:K N ＝K n αR τn βC e T m (８)根据典型I I 型系统的参数关系,有:τn ＝hT ðn (９)开环增益:K N ＝h ＋１２h ２T ２ðn(１０)整理得到:K n ＝(h ＋１)βC e T m ２h αR T ðn(１１)其中,T ðn ＝２T ðI ＋T o n ＝０．００２１s ,选取h ＝５,则求得τn ＝０ ０１０５s ;电动机电动势系数C e ＝(U n －I N R )/n N ＝０．１８V m i n /r ,转矩系数C m ＝３０C e/π＝１．７２V m i n /r ,则机电时间常数T m ＝４gJ M R ３７５C eC m ＝０．０４７５s ,再根据已知条件,求得K n ＝１１３．５８５.４㊀M A T L A B 仿真研究在S i m u l i n k 下搭建双闭环直流电机调速系统的仿真模型,其中P I 调节器的S i m u l i n k 仿真模型使用了文献[６]提到的积分带限幅的P I 调节器,如图４所示.图４㊀积分带限幅的P I 调节器仿真模型输入给定初始为５V ,在２s 时输入给定变为－５V ;在１s 时加入５．７A 的额定负载,２s 时空载,３s 时加入－５．７A 的负载.运行仿真得到转速和电流的输出波形如图５－a 和图５－b 所示.㊀(a )转速输出波形㊀㊀㊀㊀㊀(b)电流输出出波形图５㊀仿真输出波形可以看出,在空载起动阶段的瞬间电流上升得很快并达到最大值(约８．５５A ),同时电动机转速呈线性提高;当转速略微超过额定转速时,转速调节器开始退饱和并起调节作用,电流下降,转速最终稳定在额定转速２２４３r /m i n ;在１s 受到额定负载影响时,转速略微下降后快速回到额定转速,同时电流快速上升略超调后回落并稳定在额定值５．７A ;２s 时,在负输入给定的作用下转速开始降低,到零后进入反转状态,与正转状态一样,转速最后稳定在额定转速－２２４３r /m i n,电流稳定在额定电流－５．７A .５㊀结论首先建立了直流电动机和桥式可逆P WM 变换器的数学模型,然后采取工程设计的方法设计了双闭环直流调速系统,并对系统进行了S i m u l i n k 仿真.通过仿真结果可以知道,系统可以进行可逆运行,并且运行较为平稳,静态过程无静差;动态时转速超调小,只有０．９％;在受到突然负载影响时,可以快速回到额定转速,且动态速降＝１．３８％;但是电流超调略大,与理论分析具有一定的差距,但仿真结果对实际工程也有一定的参考意义.参考文献[１]韦建德．基于P WM 转速电流双闭环直流调速系统[J ]．海南师范大学学报(自然科学版),２０１０,２３(４):３８３Ｇ３８６．[２]张程,张卓．双闭环直流调速控制系统MA T L A B /S i m u l i n k 建模与仿真[J ]．科技创新与应用,２０１６,(９):２６Ｇ２７．[３]陈伯时．电力拖动自动控制系统:运动控制系统[M ]．北京:机械工业出版社,２０１０．[４]韦建德．基于P WM 转速电流双闭环直流调速系统[J ]．海南师范大学学报(自然科学版),２０１０,２３(４):３８３Ｇ３８６．[５]万里光．基于M a t l a b 的双闭环直流电机调速系统的仿真[J ]．船电技术,２０１１,３１(２):３０Ｇ３２．[６]沈凤龙．基于MA T L A B /S I MU L I N K 的双闭环直流调速系统仿真[J ]．辽东学院学报(自然科学版),２０１０,１７(１):４１Ｇ４４．[７]邵雪卷,张井岗,赵志诚．双闭环直流调速系统的饱和限幅问题[J ]．电气电子教学学报,２００９,３１(１):３３Ｇ３６．。

文章编号:167127963(2003)02230204收稿日期:2002212230作者简介:韩　璐(1972-),女,学士,助理工程师直流电动机双闭环调速系统及其SI MULINK 的仿真韩　璐(中国长江航运集团宜昌船厂,宜昌443002)摘　要:根据直流调速双闭环控制系统的工作原理,运用S imulink 进行直流电动机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真的研究,最后显示控制系统模型以及仿真结果并加以分析。

关键词:转速环;电流环;调节器;SI M U LI NK 中图分类号:TP391.9 文献标识码:AAbstract :According to its w orking principle ,m odeling and simulating researches were carried out to the dual closed 2loop control system of the direct current m otor.At the end ,the author analyzed the simulation results.K ey w ords :loop of rev olution rate ;loop of current ;regulator ;SI M U LI NK1　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具有及其重要的地位,直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是转速、电流双闭环调速系统。

在当今社会,仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具,为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题,利用Matlab 中SI MU LI NK 实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天急需探讨的课题。

2　电力拖动控制系统的设计设计一个电力拖动控制系统的依据就是系统的稳态和动态性能指标。

稳态指标反映了系统稳态运行的准确性和可调性;跟随性能中的超调量反映系统的相对稳定性;上升时间则反映快速性;抗扰指标中的动态降落也反映系统调节性能的快速性,这一切可归纳为稳、准、快3个字。

实验指导书“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验一、实验目的1.熟悉Matlab/Simulink仿真环境；2.掌握Simulink图形化建模方法；3.验证“直流电动机转速/电流双闭环PID控制方案”的有效性。

二、实验内容1.“双闭环直流电动机调速系统”的建模2.电流环／调节器设计3.电流环动态跟随性能仿真实验4.转速环／调节器设计5.转速环动态抗扰性能仿真实验6.系统动态性能分析（给出仿真实验结果与理论分析结果的对比／分析／结论）三、实验步骤1、系统建模A．控制对象的建模建立线性系统动态数学模型的基本步骤如下：（1）根据系统中各环节的物理定律，列写描述据该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。

下面分别建立双闭环调速系统各环节的微分方程和传递函数。

B．额定励磁下的直流电动机的动态数学模型图1给出了额定励磁下他励直流电机的等效电路，其中电枢回路电阻R 和电感L 包含整流装置内阻和平波电抗器电阻与电感在内，规定的正方向如图所示。

图1 直流电动机等效电路由图1可列出微分方程如下：0dd d dI U RI LE dt=++ （主电路，假定电流连续） e E C n = （额定励磁下的感应电动势）2375e L GD dnT T dt-=⋅ （牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦）e m d T C I = （额定励磁下的电磁转矩）定义下列时间常数：l LT R=——电枢回路电磁时间常数，单位为s ；2375m e mGD R T C C =——电力拖动系统机电时间常数，单位为s ； 代入微分方程，并整理后得：0()dd d ldI U E R I T dt -=+ m d d L T dE I I R dt-=⋅ 式中，/dL L m I T C =——负载电流。

在零初始条件下，取等式两侧得拉氏变换，得电压与电流间的传递函数0()1/()()1d d l I s R U s E s T s =-+（1）电流与电动势间的传递函数为()()()d dL m E s R I s I s T s=-（2）d Ua) b)Uc)图2 额定励磁下直流电动机的动态结构图 a) 式（1）的结构图 b)式（2）的结构图c)整个直流电动机的动态结构图C ．晶闸管触发和整流装置的动态数学模型在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待。

作业5：双闭环直流调速控制系统仿真模型的建立与分析
一、模型的建立
从simulink库中找到搭建模型的元件，要用到如下元件：DC-Motor（直流电动机）、AC voltage source（交流电压源）、Universal Bridge（通用桥臂）、Step、PID Controller（PID 控制器）、Tranfser Fcn（传递函数）以及其他一些模块。

搭建好的模型图如图5-1所示。

图5-1 基于电气原理图的双闭环直流调速控制系统模型
二、仿真结果分析
仿真算法选用ode15s，仿真时间为0~10s，其他参数为默认值。

1、设置step参数
①直流电动机空载启动时情况
直流电动机TL端连接常数0. 设置完参数后，进行仿真运行。

点击scope ，查看波形。

下图为电机转速w、转矩Te、电枢电流Ia的波形图。

②直流电机突加负载情况分析
直流电动机TL端连接阶跃信号step1.Step1参数设置如下图所示。

设置完参数后，进行仿真运行。

点击scope ，查看波形。

下图为电机转速w、转矩Te、电枢电流Ia的波形图。

综合以上图形，当给定信号设置为8时，电机速度无论是在空载，还是突加负载情况下都能最终稳定在800rpm 。

我们可以分析得出，设置的转速调节器ASR 、电流调节器ACR 参数基本上能满足闭环控制的稳态精度、系统的快速性也比较良好。

双闭环调速系统simulink建模与仿真图1 双闭环调速系统原理图图2 动态数学模型电机模型推导011()n sr n n n R W s k R R C sT s=+=+011()i ir i i i R W s k R R C sT s=+=+二、系统参数确定额定电压400V ，额定电流100A ，额定转速3000rpm ，最高转速3600，电枢回路总电阻0.4Ω，电枢回路总电感12mH ，包含负载惯性矩GD 2=20kg·m 2。

3V (0.0013000rpm (α==额定工作点)额定工作点)；/T L R ααα=为测速电机电流回路的时间常数，L α为测速电机输出回路的漏感和电阻，如0.01s T α=；5V (2V (0.020.02250A (100A (β⎛⎫=== ⎪⎝⎭最大值)额定工作点)或最大值)额定工作点)，1ibT f β=，ib f 为电流互感器后整流输出滤波器上限频率，如取0.005s T β=，如无滤波器，或存在大电抗器时，则可取充分小值或零；m ax m ax513()102.65()d s k V V k V V ===最大值最大值，三相全波整流平均电压最大值为V d max =1.35×380=513V ；m ax 1110m s 0.00167223s s T T s ==⨯=，R 0.4=Ω，L 0.0120.03R0.4lT s===；(400-1000.4)V ()0.123000rpm ()e C ⨯==额定值额定值，9.55 1.146m e C C ==；2R 200.4==0.1553753750.12 1.146m e mG D T sc c ⨯=⨯⨯。

控制角α的计算： 1）单相全控电流连续22212212sin ()cos 0.9cos cos cos0.90.9s k d s k s k K V V td t V K V K V V V πααωωααππαα+-=====⇒=⎰V 2--整流变压器次级相电压有效值。