电力拖动自动控制系统-运动控制系统-单闭环直流调速系统仿真

实验名称：单闭环直流调速系统PID 控制器参数设计仿真 1.实验原理1)单闭环直流调速系统典型单闭环直流调速系统框图直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

2)PID 控制在模拟系统中，PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1、PID 调节器的微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()(式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(PID 调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。

3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

4）建立单闭环直流调速系统模型直流电动机：额定电流V Un 220=，额定电流A I dn 55=，额定转速min /1000r n N =，电动机电势系数r V C e m in/192.0•=，假设晶闸管整流装置输出电流可逆，装置放大系数44=s k ，滞后时间常数s T s 00167.0=，电枢回路总电阻Ω=1.0R ，电枢回路电磁时间常数s T l 00167.0=，电力拖动系统机电时间常数s Tm075.0=，转速反馈系数r V min/01.0⋅=α，对应额定是给定电压V U n 10=*。

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。

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。

h课程设计说明书(论文) 题目转速单闭环直流系统的仿真课程名称电机控制设计院系专业电气工程及其自动化班级学生姓名学号设计地点指导教师课程设计任务书课程名称电机控制技术(院系.部中心)专业电气工程及其自动化班级起止日期指导教师1、陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.72、电机学3、电机拖动5．课程设计进度安排起止日期工作内容2012.6.17 -6.28 2012.6.17-6.18 2013.6.19-6.202013.6.20-6.222013.6.23-2012.6.24(1)审题、选题(2)系统原理、结构框图的设计(3)系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序周末，自行安排周末，自行安排(4)系统仿真结果分析及结论(5)完整的设计报告一、摘要《运动控制系统》是自动化专业专业的一门主要专业课。

课程的主线是控制系统的原理和设计，应该通过理论和实际相结合，应用自动控制系统理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题，在运用中注重控制规律。

本文通过利用Matlab 仿真平台设计单闭环直流调速系统，，包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink 仿真模型，验证所设计系统的性能、根据设计任务书的具体要求给出所设计系统的性能指标：上升时间r t 、超调量%p 、调节时间s t 、最大启动电流m ax d I 、稳态误差ss e 。

从而使学生更系统地掌握所学知识并能够应用运动控制系统设计规范、计算手册和计算机辅助设计软件进行运动控制系统的结构设计和参数计算。

二、总体方案设计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。

所以，设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。

单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]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K K 以及积分时间常数τ的值来研究K K 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K in 时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到K ex (K )=K K K in ，实现了快速响应；随后K ex (K )按积分规律增长，K ex (K )=K K K in +(K /τ)K in 。

在K =K 1时，输入突降为0，K in =0，K ex (K )=(K 1/τ)K in ，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K K和1/τ的参数的确定各环节的参数：直流电动机：额定电压K N=220V，额定电流K dN=55A,额定转速K N=1000r/min,电动机电动势系数K e= min/r。

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

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

单闭环直流调速系统仿真直流电动机：型号为Z4-132-1，额定电压400N U =V ，额定电流52.2dN I =A ，额定转速为2610 r/min ，反电动势系数e C =0.1459 V ⋅min/r ，允许过载倍数λ=1.5； PWM 变换器开关频率：8KHz ，放大系数：s K =107.5；(538/5=107.5)，直流母线电压为538V 。

电枢回路总电阻： 0.368R =Ω；时间常数：电枢回路电磁时间常数l T =0.0144s ，电力拖动系统机电时间常数m T =0.18s ；转速反馈系数0.00383min/V s =⋅α(N n V /10≈)；对应额定转速时的给定电压V U n 10*=。

（1） 在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

其中PWM 变换器利用给出的PWM 控制器模块和simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建，不能直接利用传递函数建模。

比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。

（2） 给出采用比例调节器（7p K =）、比例积分调节器（W ARS =1τ+τp s K s ）时（7=p K ，1107=τ）空载起动到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。

（3） 给出采用比例积分调节器时（7p K =，1107=τ）的转速、电流、电枢电压波形，分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。

（4） 在4s 突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。

第五版双闭环直流调速系统仿真对例题4.8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PWM 变换器供电的转速、电流双闭环调速系统中，PWM 变换器的开关频率为8kHz 。

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 =0.1Ω,变换器的放大倍数s K =35。

电力拖动自动控制系统Matlab仿真实验报告实验一单闭环转速反馈控制直流调速系统一．【实验目的】1. 加深对比例积分控制的无静差直流调速系统的理解；2. 研究反馈控制环节对系统的影响和作用 .二．【实验步骤和内容】1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。

2. 仿真模型的运行；仿真过程的启动，仿真参数的设置 .转速负反馈闭环调速系统 :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电动机电动势系数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K s=44，滞后时间常数T s =0.00167s，电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数T1 =0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s，转速反馈系数α=0.01V.min/r对应额定转速时的给定电压U n∗ =10V 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图如图 5-1 所示。

图 5-1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图图 5-2 开环比例控制直流调速系统仿真模型图图 5-3 开环空载启动转速曲线图图 5-4 开环空载启动电流曲线图图 5-5 闭环比例控制直流调速系统仿真模型图在比例控制直流调速系统中，分别设置闭环系统开环放大系数 k=0.56 , 2.5, 30 ，观察转速曲线图，随着 K 值的增加，稳态速降减小，但当 K 值大于临界值时，系统将发生震荡并失去稳定，所以 K 值的设定要小于临界值。

当电机空载启动稳定运行后，加负载时转速下降到另一状态下运行，电流上升也随之上升。

图 5-6 k=0.56 转速曲线图图 5-7 k=0.56 电流曲线图图 5-8 k= 2.5 转速曲线图图 5-9 k= 30 转速曲线图图 5-10 闭环比例积分控制直流调速系统仿真模型图图 5-11 PI 控制转速 n 曲线图图 5-12 PI 控制电流曲线图在闭环比例积分（ PI ）控制下，可以实现对系统无静差调节，即, 提高了系统的稳定性。

计算机仿真技术作业一——转速反馈单闭环直流调速系统仿真姓名：班级：学号：一、直流电机模型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。

图1 直流电机模型二、开环仿真：1、用Simulink实现上述直流电机模型，如下图所示：图2其中，直流电压U d0取220V；而d I: 0~2.5s，电机空载(I d=0), 2.5s~5s，电机满载(I d=55A)。

2、输出转速n示波器显示的波形如下：图3将数据导入Workspace 中，并利用plot（）指令绘图如下：图4从图上读取相关数据：图5可知：空载时的转速min /11420r n =，负载时的转速min /971r n N =。

故而，静差率为1497.01142971114200=-=-=n n n s N 。

3、改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等） (1)改用定步长连续算法ode3，得到的转速波形如下：00.51 1.52 2.53 3.54 4.55100图6将仿真时间改为10s ，波形如下：148图7如此可见运用这个算法误差极大，不适用于本模型的仿真。

(2)改用变步长连续算法ode113，得到的转速波形如下：00.51 1.52 2.53 3.54 4.55图8与图4比较，可见这个算法的精度与ode45相近。

三、闭环仿真：在上述仿真基础上，添加转速闭环控制器，转速指令为1130rpm.图9 转速闭环直流电机调速控制框图1、用Simulink实现上述控制框图，如下图所示：图10子系统PI Controller内部结构如下：图11其中，积分器限幅为-1130～1130。

2、控制器为比例环节：试取不同p K 值，画出转速波形，求稳态时n 和s 并进行比较。

（1）设定10=p K ，0=I K ，得到转速波形如下：00.51 1.52 2.53 3.54 4.5520040060080010001200140016001800图12如图可得，负载时的转速min /1110r n N =。