实验一开环直流调速系统的仿真实验

§5-1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一、 实验目的（1） 熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构（2） 掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法二、 实验原理晶闸管直流直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。

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

实验系统的组成原理如图5-1所示。

1V L d三相电源输出A M A V G VT 4VT 1VT 3VT 5VT 6VT 2I 1给定触发电路正桥功放U f G 1K 1G 2K 2G 3K 3G 4K 4G 5K 5G 6K 6励磁电源I 2U 2R U ct图5-1 晶闸管直流调速实验系统原理图三、 实验内容（1）测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R 。

（2）测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L 。

（3）测定直流电机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD 2。

（4）测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td 。

（5）测定直流电动机电势常数C e 和转矩常数C M 。

（6）测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M 。

（7）测定晶闸管触发及整流装置特性U d =f (U ct )。

（8） 测定测速发电机特性U TG =f (n )。

四、 实验仿真晶闸管直流调速实验系统的原理如图5-1所示。

该系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。

图5-2是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。

下面介绍各部分建模与参数设置过程。

图5-2 晶闸管开环调速系统的仿真模型1.系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。

（1）主电路的建模和参数设置由图5-2可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。

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。

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。

【关键字】设计东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真学生：张海松专业：自动化班级学号：指导教师：王立夫设计时间：2012年6月27日东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计任务书专业：自动化班级：509 学生姓名：设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真一、设计实验条件实验设备：PC机二、设计任务直流电机额定电压，额定电枢电流，额定转速，电枢回路总电阻，电感，励磁电阻，励磁电感，互感，，允许过载倍数。

晶闸管装置放大系数：，时间常数：，设计要求：对转速环进行设计，并用Matlab仿真分析其设计结果。

目录绪论--------------------------------------------------------------------------------11.转速单闭环调速系统设计意义-----------------------------12.原系统的动态结构图及稳定性的分析-----------------------22.1 转速负反应单闭环控制系统组成-----------------------22.2 转速负反应单闭环控制系统的工作原理-----------------33.调节器的选择及设计-------------------------------------33.1调节器的选择- --------------------------------------33.2 PI调节器的设计--- ---------------------------------44.Mat lab仿真及结果分析----------------------------------74.1 simulink实现上述直流电机模型-----------------------74.2 参数设置并进行仿真---------------------------------74.3结果分析--------------------------------- ---------155.课设中遇到的问题--------------------------------------166.结束语- ---------------------------------------------17参考文献- ---------------------------------------------17转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真绪论直流电动机由于调速性能好，启动、制动和过载转矩大，便于控制等特点，是许多高性能要求的生产机械的理想电动机。

直流电机伺服系统实验报告目录直流电机伺服系统实验报告 (1)实验一、MATLAB仿真实验 (2)1.直流电机的阶跃响应 (2)2.直流电机的速度闭环控制 (2)3.直流电机的位置闭环控制 (7)实验二、直流电机调速系统 (11)1.反馈增益调节 (12)2.抗扰动能力对比 (12)3.比例调节下的特性测试与控制参数优化 (13)4.比例积分调节下的特性测试与控制参数优化 (15)5.测试速度环的速度误差系数(选做) (18)6.思考题 (19)实验三、直流电机位置伺服系统 (20)1.测试位置环的速度误差系数 (20)2.位置环采用比例控制器时的特性 (20)3.位置环采用PI 控制器时的动态特性 (23)4.测试工作台位移与输入电压的静特性 (24)5.思考题 (24)实验总结 (27)实验一、 MATLAB 仿真实验1.直流电机的阶跃响应如下图，对直流电机输入一个阶跃信号，画出阶跃响应曲线，指出主导极点。

利用Simulink 仿真搭建模型：实验结果 阶跃响应曲线两个极点是1210,10000s s =-=-，其中主导极点是110s =-。

2. 直流电机的速度闭环控制如下图，用测速发电机检测直流电机转速，用控制器Gc(s)控制加到电机电枢上的电压。

(1)假设()100c G s =，用Matlab 画出控制系统开环Bode 图，计算增益剪切频率、相位裕量、相位剪切频率、增益裕量：当()100c G s =时，改为单位负反馈，开环传递函数：100()(0.11)(0.0011)(0.00011)G s s s s =+++绘制系统开环Bode 图：利用margin 函数，得到：增益剪切频率784.3434/c rad s ω=，相位裕量48.1370γ=，相位剪切频率3179.7/rad s πω-=，增益裕量11.1214g K =。

(2)通过分析Bode 图，选择合适的常数P K 作为()c G s ，使闭环阶跃响应的最大超调量在0~5%之间：超调量(%)100(1sin )5p M γ≈--，降低最大超调量需要适当提高相位裕量γ，反解得到γ的取值为：64.2°<γ<71.8°这就需要减小p K （但是快速性将降低，稳态误差将增大）。

《MATLAB工程应用》
晶闸管开环直流调速系统仿真
一、选题背景
本课程是在《电机学》《单片机》等课程上，独立设计的一门综合实验课程。

课程主要目的是培养学生分析问题，解决问题能力，提高学生自主学习，分工协作以及课程设计报告撰写水平。

二、方案论证(设计理念)
设计一个晶闸管直流调速系统仿真模型，通过改变触发器移相控制信号来调节晶闸管的触发角，而从获得可调的直流电压，以该直流输出为直流电机供电。

要求完成仿真模型图和仿真波形图，其中波形图包括直流电机的转速波形，电枢电流波形，转矩波形，改变触发角后的转速波形。

三、过程论述
直流电动机电枢由晶闸管整流电路经平波电抗器供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的控制角,从而获得可调的直流电压，以实现直流电动机的调速。

移相控制信号，在实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。

图1：构建的simulink仿真结构图
图2：参数设置
图3：波形
五、课程设计总结
仿真可得到闸管直流调速系统的输出波形。

电机转速波形，电枢电流波形，二者变化基本一致。

若将触发角改为30°，则转速波形发生明显改变，转速提高，这是因为直流电压增大的原因。

经过这段时间队MATLAB的学习，学会了对知识的汇总与运用，能够熟练使用相关软件，收获较大。

实验1 转速反馈控制的直流调速系统仿真一、实验目的1.熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 软件进行系统仿真。

2.学会用MATLAB 下的SIMULINK 软件建立转速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、结构原理图设计图1 调试系统原理图图1为转速负反馈闭环调速系统仿真框图，各环节参数如下：直流电动机：额定电压N U =220V ，额定电流dN I =55A,额定转速N n =1000r/min,电动机电动势系数e C =0.192Vmin/r 。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数s K =44，滞后时间常数s T =0.00167s 。

电枢回路总电阻R=0.1Ω，电枢回路电磁时间常数l T =0.00167s ，电力拖动系统机电时间常数m T =0.075s 。

转速反馈系数α=0.01Vmin/r 。

对应额定转速时的给定电压*n U =10V 。

三、仿真实验1. 搭建simulink 仿真实验图搭建完成如图2所示图2 simulink仿真实验图2.基础实验（1）考虑有反馈和无反馈对转速降落差的影响。

下图图3和图4分别为闭环和开环下的示波器显示图图3 闭环情况下的示波器显示图4 开环情况下的示波器显示结论：转速发生偏差时，有反馈系统能有效的抑制，并跟紧给定值；而没有反馈的系统偏差会越来越大。

（2）计算开环机械特性和闭环静特性。

（ss K K P ττ11+=比例积分环节）系统开环机械特性：ed e n S C RIC U K K n -=*1系统闭环静特性：()()K C RI K C U K K n e de n S +-+=*111（3）讨论P 调节、I 调节、PI 调节对快速性和静差的影响。

以下图5、图6分别是P 调节、I 调节的示波器显示图。

图5 P调节下的示波器显示图6 I调节下的示波器显示图根据3种情况下的对比可得以下结论：1.P调节响应速度快，调节动作敏捷，只能减小但无法消除静差。

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 ）。

实验一、开环直流调速系统的仿真实验实验目的本实验旨在通过搭建开环直流调速系统的仿真实验平台，深入理解电机的转速调节原理，了解直流电机的调速方法，掌握仿真软件的基本操作，为后续实验打下坚实的基础。

实验器材•个人电脑•仿真软件MATLAB/Simulink实验原理直流电动机的转速调节方法有开环调速和闭环调速两种。

开环调速是采用给定电压和负载转矩（或负载电流）的关系表格，来确定电机所需要的电压值，然后通过直流调速器给电机供给相应电压值来调节电机的转速。

本次实验采用开环调速方法，实现直流电动机的转速控制。

电机通过直接接到电源上，输入直流电，可在一段范围内自动调节电机的转速。

实验过程中，通过修改电机被驱动的电压来达到调节电机的转速和功率的目的。

实验步骤1.在MATLAB/Simulink软件中新建一个仿真模型。

2.从Simulink库中拖拽Power System Toolbox中引入电源，将其与直流电动机模块相连。

3.调整电压、电流、电功率大小，展示不同转速下直流电动机的性能。

4.分析电动机性能曲线并记录实验数据。

5.结束实验后，停止仿真，保存实验数据。

实验结果通过本次实验，得到了不同电压下直流电动机的表现，所有数据都记录到实验报告中，以供参考。

从实验结果来看，不同电压下直流电动机的性能有很大的差异。

不同电压产生的转速和功率差异也十分明显。

本实验是初步了解直流电动机转速调节原理的实验，从中我们可以清晰地了解到开环调速的方法和它的应用。

同时还要深刻理解几个关键的概念，如转速、电压和功率之间的关系，并且会更加熟练地掌握这些内容。

此外，在进行实验时还需要注意实验操作的细节，避免出现过程错误和误差。

我们需要紧密联系育人活动和实验课程，深入了解和掌握实验原理，要严格按照实验要求操作，提高实验技能和实验思维能力，为以后的实验打下基础。

实验三十三 电机速度开环控制和闭环控制（自动控制理论—检测技术综合实验）一、 实验原理1．直流电机速度的控制直流电机的速度控制可以采用电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串电阻控制三种基本方法。

三种控制方式中，电枢电压控制方法应用最广，它用于额定转速以下的调速，而且效率较高。

本实验采用电枢控制方式，如图33-1所示。

本实验装置为一套小功率直流电机机组装置。

连接于被控制电机的输出轴的是一台发电机，发电机输出端接电阻负载，调节电阻负载即可调节被控制电机的输出负载。

发电机输出电压兼作被控电机速度反馈电压。

2． 开环控制和闭环控制由自动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加入了扰动。

扰动会导致输出（电机速度）偏离希望值。

闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。

闭环控制原理方框图如图33-2。

当积分环节串联在扰动作用的反馈通道（即扰动作用点之前）时，即成为针对阶跃扰动时的I 型系统，能消除阶跃信号扰动。

采用积分环节虽然能一定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能（超调量、响应时间）和稳定性产生不利影响。

因此需要配合进行控制器的设计和校正（采用根轨迹设计方法或频域设计方法）。

E图33-1直流电机速度的电枢控制方式图33-2 直流电机速度的闭环控制原理方框图此外，在扰动可以测量的情况下，采用顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差进行补偿，减轻反馈系统的负担，见图33-3。

图33-3 反馈＋顺馈控制方式消除扰动引起的误差式中： 为控制器传递函数，也是扰动输入时的反馈通道传递函数；)(11s G G =)(22s G G = 为被控对象（本实验中即被控直流电机）的传递函数；)(s G G c c = 为顺馈控制通道传递函数；R 为指令输入，即希望的电机速度；C 为输出被控量，即被控电机的输出速度；E 为系统的稳态误差；D 为系统的扰动输入，即电机的负载。

由扰动到输出的传递函数可知，扰动引起的稳态误差为D G G G G GE c R 212101)1(++−== （33-1） 当选择顺馈回路传递函数为 11G G c −= （33-2） 时，有00==R E ，即扰动对输出没有影响。