下载文档原格式
直流调速系统的MA TLAB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供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的U L c ，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
该系统的仿真控制角模型如图2所示。
L++GTUCRE d--开环直流调速系统电气原理图图1图2 直流开环调速系统的仿真模型L?0，直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U 决定，移相特性的数学表达式为移相控制信号c???90?min U?90??c U cmax 1??。
在直流电动机的负载，所以，在本模型中取U?10V6??30?90U?ccmaxmin转矩输入端用Step模块设定加载时刻和加载转矩。
T L仿真算例1已知一台四极直流电动机额定参数为，，136AIU?220V?NN22。
励磁电压，励磁电，，220VminUR?0.2??1460rn?/m?22.5NGD?fNa流。
采用三相桥式整流电路，设整流器内阻。
平波电抗器??1.5A0.3RI?recf。
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20mHL?d n、电磁转矩、电枢电流和起动后加额定负载时的电机转速及电枢电压的uTi ded变化情况。
220V?U N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U?RI220?0.3?136NNrec130(V)U???2?2.34?cos302.34cos?min②电动机参数励磁电阻：U220f)146.7(?R???f I1.5f励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
电枢电阻：?0.2R?a电枢电感由下式估算：CU0.4?220N?19.1?L?19.1?0.0021(H)a2pnI2?2?1460?136NN L：电枢绕组和励磁绕组间的互感af U?RI220?0.2?136NNa?K?0.132(V?min/r)?e n1460N 2 6060K??0.132?K?1.26eTπ2π2K1.26T0.84(H)??L?af1.5I f电机转动惯量222.5GD2 )??0.57(kg?mJ?9.814?4g 额定负载转矩③模块参数名参数，直流电动机空载起动，5.0s3）设置仿真参数：仿真算法odel5s，仿真时间m171.4N??T 。
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。
MU d+I dGTU cE +--UCR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。
N 220V U =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”。
MATLAB电机控制综合仿真实验一、他励直流电机单闭环调速仿真实验要求：利用Simpowersystem里面自带的DC电机模块，完成他励直流电机单闭环调速仿真，速度调节用PI控制方法，要求封装PI模块，给定速度100rad/s，负载由空载到1s时跳变到20N。
调节不同的PI参数，观察仿真结果总结速度波形、转矩波形的变化规律（PI参数和超调量、稳定时间、稳态误差、振荡次数）。
另外要求将scope图中的4条曲线参数导出到工作空间，并用subplot和plot 函数画在同一个窗口中，每个子图加上对应的标题。
电机相关参数的设置图：仿真原理图：在仿真试验中需要按照实验要求对PI控制器子系统进行封装，然后更改Kp、Ki参数值的大小。
封装PI模块图如下：Plot绘图程序：>>subplot(411)>> plot(t,W,'r'),title('转速')>> subplot(412)>> plot(t,Ia,'b'),title('电枢电流')>> subplot(413)>> plot(t,Te,'g'),title('转矩')>> subplot(414)>> plot(t,If,'y'),title('励磁电流')速度调节用PI控制方法，给定速度100rad/s，负载由空载到1s 时跳变到20N，调节不同的PI参数，从PI模块封装中调节，修改不同的参数Ki 、Kp观察仿真结果。
Ki=100, Kp=5;050100w (r a d /s )00.51 1.52 2.53 3.54 4.55-2000200I a (A )-202I f (A )-1000100T e (N .m )Ki=2, Kp=1;w (r a d /s)I a (A)00.51 1.52 2.53 3.54 4.55I f (A)00.51 1.52 2.53 3.54 4.55T e (N .m )二、 他励直流电机闭环调速系统仿真实验要求：利用Simulink 基本模块搭建他励直流电机闭环调速系统直流电机子模块，根据以下电机数学模型搭建：电磁转矩公式：e M a T C I =Φ 动力学平衡方程：e L m d T T B J dtωω--=电机模块要求封装，参数20.05kg m J =⋅，0.02N m s m B =⋅⋅，165m C =，0.01Wb f Φ=，恒定负载T L =20N 点击封装模块时输入。
实验一、转速反馈单闭环直流调速系统仿真一、实验内容：直流电机模型框图如下图所示，仿真参数为R=0.6，T l=0.00833，T m=0.045，Ce=0.1925。
本次仿真采用算法为ode45，仿真时间5s。
1.开环仿真：用Simulink实现上述直流电机模型，直流电压U d0取220V，0~2.5s，电机空载，即I d=0；2.5s~5s，电机满载，即I d=55A。
画出转速n的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n以及静差率s。
改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等）。
实验步骤：（1）按照上图把电机模型建立好，其中u d0设置为常数，并把其幅值设置为220，把其它相应的环节也设置好。
把I d设置为“阶跃信号”，且在0~2.5s之间其幅值为0，而2.5~5s之间其幅值为55，在对系统中其它参数进行设置。
为了观察输出地波形，在输出处接上一个示波器。
（2）对仿真模式进行设置，系统默认的仿真算法为ode45,只需要把仿真时间设置为5s即可。
（3）对系统进行仿真。
仿真结果：（1）仿真算法为ode45:图1 上图即为电机转速的仿真结果图，同图上我们可以看出来分为了两个阶段，其中第一个阶段（0~2.5s）为空载转速，第二阶段（2.5~5s）为满载转速。
空载转速为1142n/min。
在2.5s时加入了负载，通过仿真结果我们可以看出来，负载转速为972n/min。
这可以看出来在加入负载之后，电机的转速开始下降。
根据电机转差率的公式s=（n0-n）/ n0=(1142-972)/1142=0.149。
转差率还是比较小的，说明该电机效率比较高。
通过观察该仿真的时间，其运算时间为T=9.134*10^-7s。
（2）仿真算法为ode23:仿真结果图如图2所示，由图我们可以看出来，结果基本上和计算方法为ode45的结果一样，但是运算时间却不一样，该算法的运算时间为T=3.636*10^-7s。
运算时间比ode45的时间短。
DO I：10.19392/ki.1671-7341.201901079电子信息_________________________科技风2019年1月单闭环直流调速系统的m a t l a b计算与仿真左强王淼孟祥俊李瑞吉林农业科技学院机械与土木工程学院吉林吉林132101摘要:在生产、研发、科研、实践的各个领域中，大量的生产机器需要在不同的情况下以不同的运行速度来提高产品的生产 效率和保证产品的质量。
所以某一种机械就需要根据相关工件的工艺需求来对电动机的转速进行调节。
关键词：闭环；直流调速系统;反馈调节；仿真技术;稳定校正1绪论电动机的作用是将电能转化为机械能，现在市面上绝大多 数生产机械都使用电动机作为驱动元件。
[1]它是使某种生产机 械正常运转的动力设备，然而同一机械生产的不同元件对加工 的工艺要求也不尽相同，这时就需要根据产品的工艺要求来调 节电动机的转速，使加工工件的表面达到工艺要求的精度，这 时便需要调速系统来完成这项工作。
2单闭环直流调速系统晶闸管一电动机调速系统（V—M系统）是近年来普遍采 用的调速系统，所以本文釆用V-M系统进行分析。
2.1 V-M系统的控制原理本文选用转速为反馈量，采取变电压的调速方式。
采用转速负反馈的闭环调速系统图2.2 V-M系统的静特性由图1可知，输入端比较环节电压、测速反馈环节电压、闭 环控制系统放大器电压如下：输人端比较环节电压= t/n*- t/n(1)测速反馈环节电压：= an(2)闭环控制系统放大器电压：£/C = ¥〜(3)电力电子变换器理想空载输出电压：&£/c ;闭环控制系统的开环机械特性：n = Uj〇~UR(4)Le式中：a—转速反馈系数(V.min/r);K p—闭环控制系统的放大器电压放大系数；2.3 V-M系统的反馈控制规律在V-M控制系统中，开环放大系数K值对系统的稳定性有很大影响，K值越大，系统的静态特性越硬，稳态速度下降越小，稳态性能越好，所以在一定的静态差要求下速度调节的范围也就越宽。
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。
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。
一，转速反馈控制直流调速系统的matlab仿真1,基本原理：根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。
在负反馈基础上的“检查误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭环回路，因此被称作闭环控制系统。
在直流系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。
2，下图是转速负反馈闭环调速系统动态结构框图各个环节的参数如下：直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A，额定转速n N=1000r/min，电机电动势常数C e=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Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167。
电枢回路总电阻R=1Ω，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s。
转速反馈系数α=0.01 V·min/r。
对应的额定电压U n*=10V。
在matlab的simulink里面的仿真框图如下其中PI调节器的值暂定为Kp=0.56，1/τ=11.43。
3,仿真模型的建立：进入matlab，单击命令窗口工具栏的simulink图标，打开simulink模块浏览器窗口，如下图所示：打开模型编辑器窗口，双击所需子模块库的图标，则可以打开它，用鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。
要改变模块的参数双击模块图案即可（各模块的参数图案）。
加法器模块对话框Gain模块对话框把各个模块连接起来并按照上面给定的电机参数修改各个模块相应的参数，可以得到如下的比例积分的无静差直流调速系统的仿真框图：4，仿真后的结果及其分析：其中输出scope1中可以看出超调和上升时间等。
改变PI调节器的参数，并在仿真的曲线中得到最大的超调级调整时间，相互间进行比较，如下表所示：参照以上表格中的数据分析可知，改变PI调节器的参数，可以得到快速响应的超调量不一样，调节时间不一样的响应曲线。
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 =⋅。
MATLAB仿真技术大作业实验报告题目：直流调速系统仿真永磁直流电机参数如下：电枢电阻0.2Ω，电枢电感2.4mH，电动势系数0.1V/rpm，转动惯量0.43kg•m2。
仿真中其余电机参数设置为0。
电机负载情况如下：0~1s，电机空载，即负载转矩TL为0；1s~2s，电机满载运行，负载转矩TL为145N•m。
该电机由降压变换器供电。
斩波器使用两个IGBT及其反并联二极管构成单相桥臂，两个IGBT的驱动信号互补，如下图所示。
开关频率2.5kHz，输入电压600V，通过改变IGBT 导通占空比而改变电机端电压（即PWM方式工作）。
仿真使用ode23t求解器。
1、电机开环特性通过斩波器给电机供电，电机端电压平均值420V，计算PWM脉冲占空比。
画出转速的波形，画出电机电枢电流的波形。
记录电机起动时的最大电流，记录负载时的稳态电枢电流。
根据仿真结果求出空载和负载时的转速。
（注意电机模型m端口输出的转速单位是rad/s，请将其转为以rpm为单位的波形。
）解：1）斩波器的占空比为V o/Vd，也就是2）以下为转速波形以及电枢电流波形图(经过单位换算，单位为rpm)；3）记录电机起动时的最大电流，记录负载时的稳态电枢电流。
由图可知：电机起动时的最大电流为1452A，负载时的稳态电枢电流为153A。
4）根据仿真结果求出空载和负载时的转速。
空载时转速：4200rpm 负载时转速：345.149rad/s = 3900rpm。
2、转速闭环控制为了改善电机调速性能，对该直流电机系统加入转速闭环控制。
转速控制器使用比例-积分控制器，转速指令为4200rpm，控制器输出量为斩波器的调制波（即占空比）。
调节控制器的比例和积分环节参数以实现较好的动、静态性能。
画出转速的波形，画出电机电枢电流的波形。
记录电机起动时的最大电流，记录负载时的稳态电枢电流。
选取P = 1，I = 7.5 得到如图所示图形，可得转速波形以及电枢电流波形如下图所示记录下电机起动时的最大电流I = 2388.372A ，负载时的稳态电枢电流I = 160.435A 。
一、单闭环（内容）1 开环直流调速系统的仿真2 单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真3 单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真4 单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真5 单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真6 单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真7 单闭环转速负反馈调速系统定量仿真8 双闭环直流调速系统定量仿真9 三闭环直流调速系统仿真10 α=β配合控制调速系统仿真11 逻辑无环流可逆直流调速系统仿真12 pwm直流调速系统仿真3 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析3.1Matlab和Simulink简介3.2 Matlab建模与仿真3.3电流环的MATLAB计算及仿真3.3.1电流环校正前后给定阶跃响的MATLAB 计算及仿真3.3.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标3.3.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.3.4电流环频域分析的MATLAB计算及仿真3.4转速环的MATLAB计算及仿真3.4.1转速环校正前后给定阶跃响应的MATLAB计算及仿真3.4.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标3.4.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.4.4转速环频域分析的MATLAB计算及仿真目录摘要I1双闭环直流调速系统的工作原理1.1双闭环直流调速系统的介绍1.2双闭环直流调速系统的组成1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性1.4双闭环直流调速系统的数学模型2系统设计方法及步骤2.1系统设计的一般原则2.2电流环设计2.2.1确定时间常数2.2.2选择电流调节器结构2.2.3选择电流调节器参数2.2.4校验近似条件2.3转速环设计2.3.1确定时间常数2.3.2选择转速调节器结构2.3.3选择转速调节器参数2.3.4校验近似条件3 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析3.1Matlab和Simulink简介3.2 Matlab建模与仿真3.3电流环的MATLAB计算及仿真3.3.1电流环校正前后给定阶跃响的MATLAB 计算及仿真3.3.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标3.3.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.3.4电流环频域分析的MATLAB计算及仿真3.4转速环的MATLAB计算及仿真3.4.1转速环校正前后给定阶跃响应的MATLAB计算及仿真3.4.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标3.4.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.4.4转速环频域分析的MATLAB计算及仿真4V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图5总结参考文献电机参数为：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,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5Ω,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s设计要求:(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%。
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。
目录目录.................................................................. 错误!未定义书签。
1 绪论............................................................... 错误!未定义书签。
直流调速系统概述.............................................. 错误!未定义书签。
MATLAB简介 ................................................... 错误!未定义书签。
2 直流电动机的降压调速............................................... 错误!未定义书签。
直流电动机构成................................................. 错误!未定义书签。
直流电机励磁方式.............................................. 错误!未定义书签。
直流电动机工作原理............................................ 错误!未定义书签。
直流电动机的降压调速.......................................... 错误!未定义书签。
3 单闭环直流调速系统................................................. 错误!未定义书签。
V-M系统简介 .................................................. 错误!未定义书签。
三相桥式全控整流电路.......................................... 错误!未定义书签。
闭环调速系统的组成............................................ 错误!未定义书签。
4 电路设计和仿真..................................................... 错误!未定义书签。
电路原理...................................................... 错误!未定义书签。
系统的建模和参数设置.......................................... 错误!未定义书签。
仿真结果...................................................... 错误!未定义书签。
结论................................................................ 错误!未定义书签。
小组分工.............................................................. 错误!未定义书签。
附录.................................................................. 错误!未定义书签。
1 绪论直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切割机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的使用。
近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该很好的掌握直流系统。
我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统来研究。
由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。
直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服系统、张力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的驱动控制系统。
调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好并且具有良好的动态性能。
因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。
相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上更加成熟。
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。
在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。
随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展，电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越来越大。
单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的使用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。
单闭环直流调速系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机、闭环控制系统组成。
我们可以通过调节晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。
MATLAB简介在1980年前后，美国的克利夫博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现使用其它高级语言编程非常不方便，他们构思和开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，它使的矩阵的运算变得异常容易。
MATLABSGI是由美国MathWorks公司开发的大型软件。
在MATLAB软件中，包括了两个主要部分：数学计算和工程仿真。
其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。
1998年，MATLAB增加了电力系统模块库，该模块库以Simulink为运行环境，是建立在Simulink标准模块和M语言基础上的一个附加模型库，它提供为电力系统仿真分析专用的各种线性和非线性元件和模块。
尤其是在之后的版本中，SimPowerSystems的元件库进行了扩种，用户可以在库中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等几乎所有常用的新型电力电子器件模型，给使用带来极大的方便。
可视化图形仿真功能实在SIMULINK环境下进行的。
进入MATLAB系统后打开浏览窗口到模块库，用鼠标左键双击其中的SimPowerSystems即可弹出电力系统工具箱模块库。
它主要包含以下几类：电源库、元件库、机组模型、电力电子元件库、测量元件、连接元件、其他元件、电力图形用户界面、演示系统等，基本涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，其元件和模块是由电力工业领域的专家提供并得到实际证明的，符合电力专业分析软件的要求。
这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。
利用这些模块及其他库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行分析。
直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。
随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。
特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。
直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。
如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。
本文运用MATLAB中的SimuLink实用工具对设计电路进行了仿真。
2 直流电动机的降压调速直流电动机构成（1）定子：主磁极、换向磁极、端盖、机座、电刷装置；（2）转子：电枢绕组、电枢铁心、换向装置、转轴、风扇；（3）气隙。
直流电机励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。
按照励磁方式，直流电机分成他励和自励两大类，其中自励式又分为并励、串励和复励三种。
图给出了这四种励磁方式的电路图。
直流电动机工作原理 如果将直流电压直接加到线圈上，导体中就有直流电流通过。
设导体中的电流为i ，载流导体在磁场中将受到电磁力f ，f=bil ，作用于线圈上的电磁转矩T 则等于2倍的电磁力乘上力臂，即22D T f bilD == （） 式（）中，D 为电枢外径。
若电流i 为恒定，转子旋转一周时，气隙磁通密度b 的方向为一正一负，因此电磁转矩T 将是交变的，一个周期的平均值为0，无法使电枢持续旋转，然而在直流电动机中，电流并非直接接入线圈，而是通过两个电刷和换向器再接入线圈，这样情况就不同了。
因为两个电刷静止不动，电流i 总是从正极图直流电动机按励磁方式分类a ）他励式b ）并励式c ）串励式d ）性电刷流入，经过旋转的换向片，由另一个电刷负极性电刷流出。
故当导体旋转而交替的处于两个磁极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转。
此时电刷和换向器起到把外部电源流入的直流，改变成线圈内的交流的“逆变”作用。
这就是直流电动机的工作原理。
直流电动机的降压调速直流电动机分为他励直流电动机和自励直流电动机，本文以他励直流电动机为例来说明直流电机的调速。
他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。
在励磁电压的作用下，励磁绕组中通过励磁电流，从而产生主磁通。
在电枢电压的作用下，电枢绕组中通过电枢电流。
他励直流电动机的转速公式为： e e E U IR n C C φφ-== （） 式（）中：E 为电枢电动势；U 为他励电动机的电枢电压；I 为电枢电流；R 为电枢回路的总电阻；φ为励磁磁通；n 为电机的转速；为电动势系数，由电机结构决定。
由此，直流电动机有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。
降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。
这种系统性能较为优越，但设备总投资大大增加。
