(完整版)基于MATLAB的单闭环直流调速系统的设计与仿真开题报告(张军贤)

课题：一、单闭环直流调速系统的设计与Matlab 仿真（一）作者：学号：专业：班级：指导教师：摘要在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统。

本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。

另外，设计过程中还要以Matlab 为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。

摘要：Matlab 开环闭环负反馈静差稳定性V-M 系统目录摘要 (2)一、设计任务 (4)1、 ...................................................... 已知条件42、设计要求 (4)二、方案设计 (5)1、 ...................................................... 系统原理52、 ........................................................ 控制结构图 (6)三、参数计算 (7)四、P I调节器的设计 (9)五、系统稳定性分析 (11)六、小结 (12)七、参考文献 (13)1、已知条件已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统(V-M 系统)的结果如 图所示。

图中直流电机的参数：Pnom=2.2KW nnom=1500r/min ，Inom=12.5A , Unom=220V 电枢电阻Ra=1欧，V-M 系统主回路总电阻 R=2.9欧，V-M 系统电枢回路总电感L=40mH 拖动系统运动部分飞轮力矩GD2=1.5N.m2测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi 型，整流触2、设计要求：(1) 生产机械要求调速围D=15 (2) 静差率s < 5%(3) 若 U*n=10V 时，n=nnom=1500r/min ,校正后相角稳定裕度丫 =45o ,剪切频率3 c >35.0rad/s ，超调量30% 调节时间ts < 0.1s倍号詮丨1、控制原理根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。

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。

单闭环直流调速系统的设计与仿真内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。

然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。

关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差The design and simulation ofSingle loop dc speed control systemAbstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator.Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation.Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset目录1绪论 (1)1.1直流调速系统概述 (1)1.2 MATLAB简介 (1)2 单闭环控制的直流调速系统简介 (2)2.1 V—M系统简介 (2)2.2转速控制闭环调速系统的调速指标 (2)2.3闭环调速系统的组成及静特性 (3)2.4反馈控制规律 (4)2.5主要部件 (5)2.5.1 比例放大器 (5)2.5.2 比例积分放大器 (5)2.5.3额定励磁下直流电动机 (7)2.6稳定条件 (8)2.7稳态抗扰误差分析 (8)3 单闭环直流调速系统的设计及仿真 (10)3.1参数设计及计算 (10)3.1.1参数给出 (10)3.1.2 参数计算 (10)3.2有静差调速系统 (11)3.2.1有静差调速系统的仿真模型 (11)3.2.2主要元件的参数设置 (12)3.2.3仿真结果及分析 (12)3.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真 (13)3.3无静差调速系统 (15)3.3.1 PI串联校正的设计 (15)3.3.2无静差调速系统的仿真模型 (17)3.3.3主要元件的参数设置 (18)3.3.4仿真结果及分析 (18)3.4有静差调速系统和无静差调速系统的动态分析设计 (19)3.4.1有静差调速系统的仿真模型 (19)3.4.2参数设置 (19)3.4.3仿真结果及分析 (19)参考文献 (23)致谢 (24)1绪论1.1直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。

直流电机调速matlab仿真报告以直流电机调速Matlab仿真报告为标题引言：直流电机是一种常见的电动机，广泛应用于工业、交通、家电等领域。

在实际应用中，电机的调速控制是一项关键技术，可以使电机在不同工况下实现恒定转速或变速运行。

本文将利用Matlab软件进行直流电机调速的仿真实验，旨在通过仿真结果分析不同调速控制策略的优劣，并提供一种基于Matlab的直流电机调速方法。

一、直流电机调速原理直流电机的调速原理基于电压与转速之间的关系。

电机的转速与输入电压成正比，即在给定电压下，电机转速可以通过调整电压大小来实现调速。

常用的直流电机调速方法有电压调速、电流调速和PWM调速等。

二、Matlab仿真实验设置本次仿真实验将以直流电机调速为目标，基于Matlab软件进行实验设置。

首先，需要建立电机的数学模型，包括电机的转速、电流和电压等参数。

其次，选择合适的调速控制策略，如PID控制、模糊控制或神经网络控制等。

最后，通过调节电压输入，观察电机的转速响应和稳定性。

三、PID控制调速实验1. 实验目的本实验旨在通过PID控制器对直流电机进行调速控制，并分析不同PID参数对控制效果的影响。

2. 实验步骤(1) 建立直流电机的数学模型；(2) 设计PID控制器，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd；(3) 利用Matlab软件进行仿真，设定电机的目标转速和初始转速；(4) 通过调节PID参数，观察电机的转速响应和稳定性。

3. 实验结果与分析根据实验设置，我们分别对比了不同PID参数值下的电机转速响应曲线。

结果显示，在合适的PID参数设置下，电机能够实现快速响应和稳定控制。

但是，过大或过小的PID参数值都会导致转速超调或调速不稳定的问题。

四、模糊控制调速实验1. 实验目的本实验旨在通过模糊控制器对直流电机进行调速控制，并分析不同模糊规则和输入输出的影响。

2. 实验步骤(1) 建立直流电机的数学模型；(2) 设计模糊控制器，包括模糊规则、输入变量和输出变量；(3) 利用Matlab软件进行仿真，设定电机的目标转速和初始转速；(4) 通过调节模糊规则和输入输出变量，观察电机的转速响应和稳定性。

摘要运动控制系统中应用最广泛的是自动调速系统，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，并且要求有良好的稳态、动态性能。

晶闸管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、测速反馈系统组成。

晶闸管调速系统以其良好的调速性能而广泛应用于生产生活中。

闭环控制对电动机的稳定性有很好的保障。

对于晶闸管直流电动机系统的研究要从两个方面进行，一是在带电动机负载时整流电路的工作情况；二是由整流电路供电时电动机的工作情况。

本文介绍了晶闸管直流电机调速系统，运用M a t l a b 进行了仿真，并对晶闸管直流调速系统参数和环节特性进行了分析和测定。

关键词：晶闸管，整流，直流调速，M a t l a b，闭环控制目录第一章概述 (3)第二章调速控制系统的性能指标 (4)2.1 直流电动机工作原理 (4)2.2 电动机调速指标 (4)2.3 直流电动机的调速 (5)2.4直流电机的机械特性 (6)第三章单闭环直流电动机系统 (7)3.1 三相桥式全控整流电路 (7)3.1.1带电阻负载时的工作情况 (7)3.1.2 三相桥式全控整流电路计算公式 (9)3.2 单闭环直流调速 (9)第四章电路设计和仿真 (10)4.1 电路原理 (10)4.2 参数设定及Matlab的仿真 (11)4.2.1 系统仿真图 (11)4.2.2 系统的建模和参数的设定 (11)4.3 仿真结果 (13)第五章总结 (15)参考文献 (16)第一章概述电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。

比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。

所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。

实验二单闭环直流调速系统MATLAB 仿真
一、实验目的
1.掌握单闭环直流调速系统的原理及组成；
2.掌握单闭环直流调速系统的仿真。

一、实验原理
三、实验内容
基本数据如下：
直流电动机：220V，55A，1000r/min.Ce=0.192Vmin/r.允许过载倍数为1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=44；Ts=0.00167s；
电枢回路总电阻：Ω=0.1R ；
时间常数：s Tm s T l 075.0,017.0==；
转速反馈系数：A V /01.0=α；
给定电压为10V
四、实验步骤
1．根据原理和内容搭建电路模型；
2．设置各元器件的参数；
Step:step time=’0’final valve=’10’
Intergrator的限幅值为正负10
Kpi=0.25,1/τ=3;Kpi=0.56,1/τ=11.43;Kpi=0.8,1/τ=15;
3．设置仿真参数：仿真时间设为0.06s；计算方法为ode15或ode23。

4．仿真实现。

五、实验报告
1.绘制负载电流为零时电流及转速输出波形；
2.绘制负载电流为额定电流时电流及转速输出波形；
3.并讨论P及PI调节器参数对系统的影响。

step Simulink/sources‘0’‘0’‘10’‘0’Integrator Simulink/continuous/‘0’‘10’‘-10’Transfer Fcn Simulink/continuous/
gain Simulink/math operations
sum Simulink/math operations+-。

基于Matlab的单闭环直流调速系统仿真实验设计尚丽;陈杰【期刊名称】《苏州市职业大学学报》【年(卷),期】2011(022)004【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.【总页数】5页(P1-5)【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【相关文献】1.基于MATLAB直流双闭环调速系统仿真研究 [J], 龙明艳;鲁绍万;黄东2.基于Matlab无刷直流电机双闭环调速系统仿真研究 [J], 张克涵;狄正飞;刘晓强;武黎明3.基于电流截止负反馈的单闭环直流调速控制系统仿真 [J], 魏宁4.基于Matlab的双闭环直流调速系统仿真及参数进化设计 [J], 周凯汀;郑力新5.基于MATLAB/SIMULINK的双闭环直流调速系统仿真 [J], 沈凤龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

课题：一、单闭环直流调速系统的设计与Matlab 仿真（一）作者: 学号: 专业: 班级: 指导教师:在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统。

本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。

另外，设计过程中还要以Matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。

摘要：Matlab 开环闭环负反馈静差稳定性V-M 系统摘要 (2)一、 ..................................................... 设计任务 41、 ...................................................... 已知条件42、设计要求 (4)二、 ..................................................... 方案设计 51、 ...................................................... 系统原理 52、 ........................................................ 控制结构图 6三、 ..................................................... 参数计算7四、 ....................................................... PI调节器的设计.. (9)五、 ................................................ 系统稳定性分析11六、 ......................................................... 小结12七、 ..................................................... 参考文献13一、设计任务1、已知条件已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M系统）的结果如图所示。

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。

直流调速系统的MATLAB 仿真一、开环直流速系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1所示。

直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。

该系统的仿真模型如图2所示。

图1 开环直流调速系统电气原理图图2 直流开环调速系统的仿真模型为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。

触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为minc cmax9090U U αα︒-=︒-在本模型中取min 30α=︒，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。

在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。

仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =，N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =⋅。

励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。

采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。

平波电抗器d 20mH L =。

仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。

仿真步骤：1）绘制系统的仿真模型（图2）。

2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压N rec N 2min 2200.3136130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++⨯==≈⨯︒② 电动机参数 励磁电阻：f f f 220146.7()1.5U R I ===Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。

电枢电阻：a 0.2R =Ω电枢电感由下式估算：N a N N 0.422019.119.10.0021(H)2221460136CU L pn I ⨯==⨯≈⨯⨯⨯电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ：N a N e N 2200.21360.132(V min/r)1460U R I K n --⨯==≈⋅ T e 60600.132 1.262π2πK K ==⨯≈T af f 1.260.84(H)1.5K L I === 电机转动惯量2222.50.57(kg m )449.81GD J g ==≈⋅⨯③ 额定负载转矩L T N 1.26136171.4(N m)T K I ==⨯≈⋅表1 开环直流调速系统主要模型参数3）设置仿真参数：仿真算法odel5s ，仿真时间5.0s ，直流电动机空载起动，起动2.5s 后加额定负载L 171.4N m T =⋅。

单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真单闭环直流调速系统是工程控制中的一种常见系统，它由电机、转速传感器、控制电路和执行机构组成。

MATLAB是一种功能强大的数学软件，可以进行数值计算、数据分析和可视化等工作。

在本文中，我们将介绍如何使用MATLAB来进行单闭环直流调速系统的计算与仿真。

首先，我们需要用到MATLAB中的控制系统工具箱。

这个工具箱包含了一些用于分析和设计控制系统的函数和命令。

可以通过在MATLAB命令窗口中输入"controlSystemDesigner"来打开控制系统设计器。

在这个界面中，我们可以通过拖动和连接不同的图标来构建控制系统。

在单闭环直流调速系统中，我们需要将电机模型与控制电路连接起来。

电机模型可以用传输函数表示，其转速输入和电压输出之间的关系可以由下面的传输函数描述：$G(s) = \frac{k}{s(Ts+1)}$其中，k表示电机的增益，T表示系统的时间常数。

可以根据电机的参数进行实际的估计或测量。

控制电路通常包括PID控制器。

PID控制器以比例、积分和微分三个部分的加权和作为输出，与期望转速进行比较，然后通过调节输入电压来控制电机。

PID控制器的传输函数可以表示为：$C(s) = K_p + \frac{K_i}{s} + K_d s$其中，Kp、Ki和Kd表示比例、积分和微分增益。

有了电机模型和PID控制器的传输函数，我们可以将它们连接起来，并通过控制系统设计器进行仿真。

在设计器中，可以将电机模型作为输入，PID控制器作为输出。

然后，我们可以通过调整PID控制器的增益来改变系统的动态响应。

还可以通过添加阻尼器或滤波器来进一步优化系统的性能。

完成连接后，可以点击设计器界面中的“模拟”按钮来进行系统的仿真。

仿真结果将显示在设计器的右侧窗口中，包括系统的阶跃响应、频率响应和鲁棒性等指标。

通过观察这些指标，可以评估系统的性能并进行参数优化。

除了使用控制系统设计工具箱之外，MATLAB还提供了许多其他功能来进行系统的计算和仿真。

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. Matlab在运动控制系统实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理,2007,24(1):73-75.[3] 尚丽，淮文军. 基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J]. 实验室研究与探索,2010,29(6):66-71.[4] 张兴华. Simulink/PSB在“运动控制系统”实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索,2006,25(9):1077-1080.[5] 寸巧萍. 自动控制系统实验教学中的仿真技术应用[J]. 实验科学与技术,2007,5(2):51-54.[6] 石磊. MATLAB仿真在自动化专业教学中的应用[J]. 职业时空,2008,4(11):62.[7] 张品秀,黄操军,梁春英,等. Matlab在电气工程专业实验教学中的应用[J]. 大庆师范学院学报,2010,30(3):44-47.[8] 雷建军,金海燕,谭健苗,等. 计算机仿真实验在机能学实验教学中的应用[J]. 西北医学教育,2008,16(1):95-96.[9] 汪建平,宋晓华. 大力发展仿真实验，改革机械设计基础实验教学[J]. 实验技术与管理,2006,23(8):85-87.[10]张冰. 计算机仿真实验的教学应用及发展前景[J]. 华中科技大学学报,2005,24(3):116-118.[11] 沈艳霞,赵芝璞,纪志成,等. Matlab/Simulink在运动控制系统教学中的应用[J]. 贵州大学学报:自然科学版,2005,22(4):435-438..[12] 王印松，岑炜,李涛永,等. 基于Matlab/Simulink电力系统仿真工具箱的拓展[J]. 电力系统保护与控制,2009,37(2):84-88.。

比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真一、实验目的1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。

2．通过改变比例系数以及积分时间常数τ的值来研究和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。

二、实验内容1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析三、实验要求建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。

四、实验原理图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。

转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。

在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。

当t=0时突加输入时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到，实现了快速响应；随后按积分规律增长，。

在时，输入突降为0，=0，=，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。

五、实验各环节的参数及和1/τ的参数的确定5.1各环节的参数：_-_+直流电动机：额定电压=220V，额定电流=55A,额定转速=1000r/min,电动机电动势系数=0.192V •min/r。

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

电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数=0.00167s电力拖动系统机电时间常数=0.075s。

转速反馈系数=0.01V •min/r。

对应额定转速时的给定电压=10V。

稳态性能指标D=20，s 5% 。

5.2 和1/τ的参数的确定：PI调节器的传递函数为其中，。

（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数；2）转速滤波时间常数；3）转速环小时间常数；（2）计算参数按跟随和抗扰性都较好的原则，取h=5，则调节器超前时间常数，即积分时间常数：，则由此可得开环增益：于是放大器比例放大系数：六、仿真模型的建立如图6-1为比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图，根据仿真框图，利用MATLAB下的SMULINK软件进行系统仿真，建立的仿真模型如图6-2所示。