实验一 转速反馈控制（单闭环）直流调速系统仿真
一．实验目的
1．研究直流电动机调速系统在转速反馈控制下的工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR 的工作及其对系统响应特性的影响。 3. 观察转速反馈直流调速系统在给定阶跃输入下的转速响应。 二、实验原理
● 直流电动机：额定电压 ， 额定电流 ,
额定转速 ，电动机电势系数
● 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T 1=0.00167s ，电力拖动系统机电时
间常数T m =0.075s 。
● 转速反馈系数α=0.01 V ·min/r 。
● 对应额定转速时的给定电压
图1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
三、实验内容
1. 仿真模型的建立
? 进入MATLAB ，单击MATLAB 命令窗口工具栏中的SIMULINK 图标，
图2 SIMULINK 模块浏览器窗口
220N U V =55dN I A =1000min N n r /=0.192min/e C V r =?*
10n U V =
(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK 工具栏中新模型的图标或选择File →New →Model 菜单项实现。
(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。
在本例中拖入模型编辑窗口的为：Source 组中的Step 模块；Math Operations 组中的Sum 模块和Gain 模块；Continuous 组中的Transfer Fcn 模块和Integrator 模块；Sinks 组中的Scope 模块；
图3 模型编辑窗口
(3)修改模块参数： 双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。
双击sum 模块，Transfer Fen 模块，Step 模块，Gain 模块，Integrator 模块
图4
加法器sum 模块对话框
描述加法器三路输入的符号，|表示该路没有信号，用|+-取代原来的符号。得到减法器。
图5 传递函数Transfer Fen 模块对话框
图6 阶跃输入step 模块对话框
图7 增益模块对话框
例如，0.002s+1是用向量[0.002 1]来表示的。
分子多项式系数
分母多项式系数 阶跃时刻，可改到0 。
阶跃值，可改到10 。
填写所需要的放大系数
图8 Integrator模块对话框
(4)模块连接
?以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端处，则在两模块间产
生“→”线。
?单击某模块，选取Format →Rotate Block菜单项可使模块旋转90°；选取Format
→Flip Block菜单项可使模块翻转。
?把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动
鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。
2. 仿真模型的运行图9 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型
积分饱和值,可改为10。
积分饱和值,可改为-10。
在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。在采用PI调节器后，构成的是无静差调速系统，如图9所示的仿真模型。
(1)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮，或选择Simulation→Start菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果。
(2)仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的默认值逐一改动。改动的方法有多种，其中一种方法是选中SIMULINK模型窗口的Simulation→Configuration Parameters菜单项，打开仿真控制参数对话框，对仿真控制参数进行设置。
仿真的起始时间结束时间修改为0.6秒
图10 SIMULINK仿真控制参数对话框
(3)启动Scope工具条中的“自动刻度”按钮。把当前窗中信号的最大最小值为纵坐标的上下限，得到清晰的图形。
自动刻度
图11 修改控制参数后的仿真结果
3. 调节器参数的调整
在图9所示的PI 控制无静差直流调速系统的仿真模型中，改变比例系数和积分系数，可以轻而易举地得到振荡、有静差、无静差、超调大或启动快等不同的转速曲线。仿真曲线反映了对给定信号的跟随性能。 选择合适的PI 参数： (1) , (2) , (3) ， 观察系统转速的响应结果。
四、实验报告
1．根据给定系统的各项参数（见“实验原理”部分），每个环节的传递函数。 2．画出仿真系统的阶跃响应波形，并给出 t s 和σ % 。
0.25p
K =13τ=0.56p K =111.43τ=0.8p K =1
15τ=
实验二 转速、电流反馈控制（双闭环）直流调速系统的仿真
一．实验目的
1．研究直流电动机调速系统在转速、电流反馈控制下的工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR 、电流调节器ACR 的工作及其对系统响应特性的影响。
3. 观察转速、电流反馈直流调速系统在给定阶跃输入下的转速响应和电流响应。 二、实验原理
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 ）； 转速反馈系数α = 0.07Vmin/r （≈10V/n N ）。
图1 双闭环直流调速系统的仿真框图
其中，电流调节器ACR 的传递函数为s s K s W i i
i ACR )
1()(ττ+=
； 转速调节器ASR 的传递函数为(1)
()n n ASR n K s W s s
ττ+=
。
三、实验内容
1. 电流环的仿真
（1） 建立如上图2所示的系统模型。
（2） 在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（Saturation ），它来自于Discontinuities 组，
双击该模块，把饱和上界（Upper limit ）和下届（Lower limit ）参数分别设置为本例题的限幅值+10和-10。如图3所示。
（3） 选中Simulink 模型窗口的Simulation →Configuration Parameters 菜单项，把Sart time
和 Stop time 栏目分别填写为0.0s 和0.05s 。 （4）启动仿真过程，用自动刻度(Autoscale)调整示波器模块所显示的曲线。
图2 电流环的仿真模型
图3 Saturation模块对话框（4）调节器参数的调整：
令KT = 0.25，则PI调节器的传递函数为
16.89
0.5067
s
+, K i = 0.5067,τi =0.03s；
令KT = 0.5，则PI调节器的传递函数为
33.77
1.013
s
+，K i = 1.013,τi =0.03s；
令KT = 1.0，则PI调节器的传递函数为
67.567
2.027
s
+, K i = 2.027,τi =0.03s。
观察各组参数下的电流响应曲线。
2. 转速环的仿真
（1）建立如图4所示的系统模型。
图4 转速环的仿真模型
（2）为了在示波器模块中反映出转速、电流的关系，仿真模型从Signal Routing 组中选用了Mux 模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope 。
图5 聚合模块对话框
（3）PI 调节器采用传递函数为134.48
11.7s
，K n = 11.7, τn =0.087s
（4）双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，观察空载起动时的转速和电流的响应曲线。 （5）Step1模块是用来输入负载电流的。把负载电流设置为136，满载起动，观察其转速与电流响应曲线。 四、实验报告 1．电流环仿真
（1）画出三组参数下（KT = 0.25, 0.5, 1.0）电流的阶跃响应曲线，分析并给出 t s 和σ %。 （2）在直流电动机的恒流升速阶段，电流值是否低于（或高于）λI N = 200A ？为什么？ 2．转速环仿真
（1）画出仿真系统空载起动时的转速和电流的阶跃响应曲线，分析指出不饱和、饱和、退饱和三个时间阶段，并给出 t s 和σ % 。
（2）画出仿真系统满载起动时的转速和电流的阶跃响应曲线，并给出 t s 和σ % 。
输入量的个数设置为2
实验三 异步电动机的仿真
一．实验目的
1．以αβ坐标系异步电动机仿真模型为核心，研究三相异步电动机的动态仿真模型 2．观察三相异步电动机在额定电压和额定频率下，空载起动和加载过程的转速和电流响应。 二、实验原理
ω —ψr — i s 为状态变量的异步电动机动态模型：
2
22222
2
()1
1
p m
p s r s r L r r m r r s r r r m r r s r r
s m m s r r m
s r r s s r r s r s r s
s m m s r r m
r r s s r r s r s r n L n d i i T dt JL J
d L i dt T T d L i dt T T di L L R L R L u i dt L L T L L L L L di L L R L R L i dt L L T L L L L βααβααβαβ
βαβαααβαβ
βαβωψψψψωψψψωψψωψσσσσψωψσσσ=--=--+=-+++=+-++=--+s s
u L βσ
图1 αβ坐标系下的异步电动机动态结构图
图2 αβ坐标系异步电动机的仿真模型
异步电动机工作在额定电压和额定频率下，仿真电动机参数：R s=1.85Ω, R r =2.658Ω, L s = 0.2941H, L r= 0.2898H, L m=0.2838H, J = 0.1284Nm.s2, n p= 2, U N=380v, f N = 50Hz
三、实验内容
建立三相异步电动机的仿真模型（如图3所示）。
将图2所示的异步电动机仿真模型进行封装，如图3所示的ACmotor，三相正弦对称电压u A，u B和u C经过3/2变换和2/3变换模块，得到两相电压u sα和u sβ，送入αβ坐标系中的异步电动机仿真模型，输出两相电流i sα和i sβ经2/3变换模块，得到三相电流i A, i B和i C 。[附]：3/2变换和2/3变换的公式见P198（式6-92）和（式6-93）
四、实验报告
（1）画出仿真系统的稳态电流的仿真结果。
（2）画出仿真系统空载起动时的转速的响应曲线，并给出t s 和σ %。
（3）画出仿真系统加载过程的转速的响应曲线，并给出t s 和σ %
图3 三相异步电动机仿真模型