三闭环直流调速系统的设计、建模与仿真
三闭环直流调速统的建模与仿真
三闭环直流调速系统的设计
一、三闭环直流调速系统总体设计方案
三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。当采用双闭环直流调速系统时，在电流上升阶段，电流急剧上升，变化率很大，会在直流电动机中产生严重后果，如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。为解决这一矛盾，在电流环内设置一个电流变化率环，构成转速、电流、电流变化率的三环系统。转速调节器ASR设置输出限幅，以限制最大启动电流。根据系统运行的需要，当给定电压*
U后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动，
n
同时由于电流变化率ADR环的作用，使电流上升斜率有一定限制，当达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流缓慢下降。这样，经三个调节器的调节作用，使系统很快达到稳定。
在带电流变化率内环的三环调速系统中，ASR的输出仍是ACR的给定信号，并用其限幅值限制最大电流；ACR的输出不是直接控制触发电路，而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入，ADR的负反馈信号由电流检测通过微分环节LD得到，ACR的输出限幅值则限制最大的电流变化率。最后，由第三个调节器ADR的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。
带电流变化率内环的三环调速系统原理图
二、电流变化率环的设计
电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
电流变化率环的闭环传递函数为
)111(12d di +++++=S K S K S K K W di
s l di s l i di
di cld τβ 式中，di K =
R K d di di s ρττβ ； d τ为ADR 的积分时间常数；
ρ为ADR 时间常数调整器的分压比；
di τ电流微分时间常数；
odi T 电流微分滤波时间常数。
在该设计中电流变化率调节器ADR 选用PI 调节器,取电流微分滤波时间常数odi T 为0.002 S;电路中PI 调节器的电阻R 0取为1K,调节器的电容d C 取为47uF, ADR
时间常数调整器的分压比ρ取0.5，得到积分调节器为
S
10；仿真后发现效果不好，就添加了比例调节器，放大系数取1，得到ADR 的PI 调节器的传递函数为S S 10+;一般取电流微分时间常数di τ为0.01，电流检测反馈di β为0.05，所以1002.00005.01
+=+S S s T s
T odi di di β；
*
二、电流调节器的设计
1.确定时间常数
（1） 滞后时间常数s T =0.0017s
（2） r V n I R U C N
N a N e min/.132.0=-= （3） m
e m C C R GD T 3752==0.18s （4）电流环小时间常数i T ∑。由题目条件可知s T oi 002.0=。
故按小时间常数近似处理，取oi s i T T T +=∑=0.0037s 。
2.选择电流调节器的结构
根据电流超调量%5≤i σ 的要求，电流环按照典型I 系统设计，电流调节器采用PI 调节器，其传递函数为：s s K s W i i i ACR ττ1)(+=
式中 i K ——电流调节器的比例系数；i τ——电流调节器的超前时间常数
3. 选择电流调节器参数
ACR 超前时间常数：s R
L T l i 03.0===τ 电流反馈系数：β=0.05V/A
电流环开环增益：要求%5≤i σ时,查表得5.0=∑i I T K ,因此
1
114.1350037.05.05.0--∑===s s T K i I
带入以上数据有：
s i I i K R K K βτ?==1.01 4. 校验近似条件
转速环截止频率为 .14.1351-==s K I ci ω （1）晶闸管装置传递函数近似条件：s ci T 31≤ω
而s T 31=ci s ω>=?-11.1960017
.031 ，即满足近似条件 （2）忽略反电动势对对电流环影响的条件：l m ci T T 13≥ω
而 l m T T 13=03
.018.013??=40.8 31≤ω 而 i c oi s s T T ω>=??=-18.180002 .00017.0131131，即满足近似条件 三、转速环的设计如下 1. 确定时间常数 已知s T on 01.0=，由电流环设计可知，s T i 0037.0=∑ 故转速环小时间常数s T T T on i n 0174.02=+=∑∑ 2. 选择转速调节器的结构 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求， 应按典型II 型系统设计转速环。故ASR 选用PI 调节器，其传递函数为： s s K W n n n ASR ττ1+= 式中 Kn ——转速调节器的比例系数； n τ——转速调节器的超前时间常数。 3. 选择转速调节器的参数 按题目要求并参照课本相关表格，取h=5，则ASR 的超前时间常数为 s s hT n n 087.00174.05=?==∑τ 转速环开环增益222235.3960174.0252621 -∑=??=+=s T h h K n N 已知：min) (007.0,0174.0, 5.0,18.0,min/132.0,05.01??==Ω==?==-∑r V s T R s T r V C n m e αβ 于是ASR 的比例系数为： 7.110174.05.0007.05218.0132.005.062)1(=???????=+=∑n m e n RT h T C h K αβ 4. 校验近似条件 转速环截止频率为148.34087.035.396-=?==s K n N cn τω （1）电流环传递函数简化条件：i I cn T K ∑≤31ω cn i I s T K ω>≈=-∑17.630037 .014.1353131 满足近似条件 （2）转速环小时间常数近似条件：on I cn T K 31≤ω cn on I s T K ω>≈?=-175.3801 .014.1353131 满足近似条件 四、Simulink 环境中的系统模型、仿真结果及分析 1.Simulink 简介 Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。 Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、 非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系 统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只 需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 2．双闭环直流调速系统simulink建模与仿真结果 在仿真工程中,首先根据典型I型或∏型系统的方法计算调节器的参数,然后利用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真,灵活修改参数,直至得到满意的结果. 三闭环直流调速系统仿真结果图如下： 双闭环直流调速系统仿真图： 三闭环调速系统加入扰动后的仿真图 3.结论 从仿真结果图中可以看出，在电机的启动阶段，电流调节器作用下的电机电枢电流接近最大值，使得电机以最优时间准则开始上升。由图可知，在电流的上升和下降阶段，三闭环系统的过渡时间要比双闭环的过渡时间长，这是因为当电流变化率过大时，由于电流调节器ADR的作用，电流上升和下降速度变缓的原因。除了在电流的上升和下降阶段，电流变化率环起作用外，其它的启动过程和双闭环相同。这既保持了双闭环的优点，又克服了双闭环在启动过程中电流变化率过大的缺点。 五、总结 通过这次课程设计，我基本掌握了三闭环直流调速系统的设计。经过近两周的设计，通过查阅资料，基本上掌握了三闭环调速系统的组成原理，掌握了电流变化率内环的设计方法。 在整个仿真过程中遇到了许多问题，比如先做双闭环调速系统的仿真时，得到的仿真图形不正确，经过检查发现电流环的PI调节器的比例系数设置 不正确，经过修改后得到可合理的仿真图。再者，做三闭环的仿真时，得到 了结果图，不正确，出现了震荡，经过对电流变化率环ADR参数的反复修 改，计算最后得到了比较合理的仿真图。 虽然在这次课程设计中我遇到了很多的困难，但是经过自己的努力， 问题得到了解决，而且也学到很多的知识，加深了对课本上理论的理解程度， 将自己的所学能运用到实践，锻炼了自己独立解决问题的能力。在此，也由 衷感谢老师对自己的指导，这才能顺利的完成课程设计。 六、参考文献 [1]陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2008. [2]王兆安．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2003. [3]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007. [4]杨兴姚．电动机调速的原理及系统[M]．北京：水利电力出版社，1979. [5]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009. [6]薛定宇，陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2011. [7]洪乃刚，电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].北京：机械工业出版社，2010. [8]徐小琴，三闭环直流调速系统的仿真研究[J].南通职业大学学报，2009（12）. [9]张欣宇，带电流变化率内环的三环控制系统的仿真研究[J].机械工程与自动化，2010. [10] 尔桂花,窦曰轩.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2002 实验四 直流调速系统仿真与设计 一、 实验目的 1、掌握连续部分的程序实现方法； 2、熟悉仿真程序的编写方法。 二、 实验容 一转速、电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，已知电动机参数为：N P =200W ，N U =48V ，N I =4A ，额定转速 500r/min ，电枢电阻Ra=6.5欧，电枢回路总电阻R=8欧，允许电流过载倍数2λ=，电势系数C 0.12min/e V r =?，电磁时间常数s T l 015.0=，机电时间常数s T m 2.0=，电流反馈滤波时间常数 s T oi 001.0=，转速反馈滤波时间常数s T on 005.0=。设调节器输入输出电压** nm im cm U U U 10V ===，调节器输入电阻Ω=k R 400。已计算出电力晶体管D202 的开关频率f 1kHz =，PWM 环节的放大倍数s K 4.8 =。 试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量i 5%σ≤；空载 起动到额定转速时的转速超调量n 20%σ≤；过渡过程时间s t 0.1s ≤。 建立系统的仿真模型，并进行仿真验证。 一、 设计计算 1. 稳态参数计算 根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调 节器的输出限幅值均选择为12V 电流反馈系数；A V A V I U im /25.14210nom * =?==λβ 转速反馈系数：r V r V n U nm min/02.0min /50010max *?===α 2. 电流环设计 （1）确定时间常数 电流滤波时间常数T oi =0.2ms ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则 摘要 本设计以微型计算机8097为主控器，采用PID算法设计三环全数字式控制器。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将检测到的弱电信号通过运算放大器LF356组成的两级放大电路放大滤波后，输入8097内部的A/D转换电路转换进而得到电流反馈量；光电脉冲发生器作为速度检测传感器以及位置传感器，通过光电隔离器PC900和GAL16V8的分频鉴相得到速反馈量，同时与8097内部的计数器和计数器8254结合以可逆计数方式得到位置反馈量；通过软件设置电流环、速度环和位置环的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系统与上位微型计算机实现通信联系以发送各种运行指令，最终实现微型计算机对电流环、速度环和位置环的控制。 关键词：微型计算机，8097，HIS，8254，PID ABSTRACT This design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through the amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division frequency and phase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop. KEY WORDS：Microcomputer，8097，HIS，8254，PID 郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日 电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统 题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要 目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 - 通信系统建模与仿真课程设计2011 级通信工程专业1113071 班级 题目基于SIMULINK的基带传输系统的仿真姓名学号 指导教师胡娟 2014年6月27日 1任务书 试建立一个基带传输模型，采用曼彻斯特码作为基带信号，发送滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.5，信道为加性高斯信道，接收滤波器与发送滤波器相匹配。发送数据率为1000bps，要求观察接收信号眼图，并设计接收机采样判决部分，对比发送数据与恢复数据波形，并统计误码率。另外，对发送信号和接收信号的功率谱进行估计。假设接收定时恢复是理想的。 2基带系统的理论分析 1.基带系统传输模型和工作原理 数字基带传输系统的基本组成框图如图1 所示，它通常由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器组成。系统工作过程及各部分作用如下。 g T(t) n 定时信号 图 1 ：数字基带传输系统方框图 发送滤波器进一步将输入的矩形脉冲序列变换成适合信道传输的波形g T(t)。这是因为矩形波含有丰富的高频成分，若直接送入信道传输，容易产生失真。 基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等。信道既传送信号，同时又因存在噪声n(t)和频率特性不理想而对数字信号造成损害，使得接收端得到的波形g R(t)与发送的波形g T(t)具有较大差异。 接收滤波器是收端为了减小信道特性不理想和噪声对信号传输的影响而设置的。其主要作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便抽样判决器正确判决。 抽样判决器首先对接收滤波器输出的信号y(t)在规定的时刻（由定时脉冲cp控制）进行抽样，获得抽样信号{r n}，然后对抽样值进行判决，以确定各码元是“1”码还是“0”码。 2.基带系统设计中的码间干扰和噪声干扰以及解决方案 《运动控制系统》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 转速、电流反馈控制直流调速系统仿真 初始条件： 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：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流 136I A =； 额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =?，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=;转速反馈系数0.007min/V r α=? 要求完成的主要任务: （1）用MATLAB 建立电流环仿真模型； （2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线； （3）用MATLAB 建立转速环仿真模型； （4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线； （5）电流超调量5%i σ≤，转速超调量10%n σ≤。 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。本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink 对系统进行仿真。 转速、电流反馈控制直流调速系统仿真 1 设计的初始条件及任务 1.1概述 本次仿真设计需要用到的是Simulink 仿真方法，Simulink 是Matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 1.2初始条件 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：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =；额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =?，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=?。 1.3要完成的任务 1）用MATLAB 建立电流环仿真模型； 2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线； 3）用MATLAB 建立转速环仿真模型； 4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线； 5）电流超调量5%i σ≤，转速超调量10%n σ≤。 三闭环直流调速统的建模与仿真 三闭环直流调速系统的设计 一、三闭环直流调速系统总体设计方案 三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。当采用双闭环直流调速系统时，在电流上升阶段，电流急剧上升，变化率很大，会在直流电动机中产生严重后果，如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。为解决这一矛盾，在电流环内设置一个电流变化率环，构成转速、电流、电流变化率的三环系统。转速调节器ASR设置输出限幅，以限制最大启动电流。根据系统运行的需要，当给定电压* U后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动， n 同时由于电流变化率ADR环的作用，使电流上升斜率有一定限制，当达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流缓慢下降。这样，经三个调节器的调节作用，使系统很快达到稳定。 在带电流变化率内环的三环调速系统中，ASR的输出仍是ACR的给定信号，并用其限幅值限制最大电流；ACR的输出不是直接控制触发电路，而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入，ADR的负反馈信号由电流检测通过微分环节LD得到，ACR的输出限幅值则限制最大的电流变化率。最后，由第三个调节器ADR的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。 带电流变化率内环的三环调速系统原理图 二、电流变化率环的设计 电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 电流变化率环的闭环传递函数为 ) 111(12d di +++++= S K S K S K K W di s l di s l i di di cld τβ 式中，di K = R K d di di s ρττβ ； d τ为ADR 的积分时间常数； ρ为ADR 时间常数调整器的分压比； di τ电流微分时间常数； odi T 电流微分滤波时间常数。 在该设计中电流变化率调节器ADR 选用PI 调节器,取电流微分滤波时间常数 odi T 为0.002 S;电路中PI 调节器的电阻R 0取为1K,调节器的电容d C 取为47uF, ADR 时间常数调整器的分压比ρ取0.5，得到积分调节器为 S 10；仿真后发现效果不好，就添加了比例调节器，放大系数取1，得到ADR 的PI 调节器的传递函数为S S 10 +; 一般取电流微分时间常数di τ为0.01，电流检测反馈di β为0.05，所以 1 002.00005.01 += +S S s T s T odi di di β； * 一、基本概念 1、数字正弦载波调制 在通信中不少信道不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓数字正弦载波调制。 2、数字正弦载波调制的分类。 在二进制时, 数字正弦载波调制可以分为振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式。如黑板所示。 2、高斯白噪声信道 二、实验原理 1、实验系统组成 2、实验系统结构框图 图 1 2FSK信号在高斯白噪声信道中传输模拟框图 各个模块介绍p12 3、仿真程序 x=0:15;% x表示信噪比 y=x;% y表示信号的误比特率，它的长度与x相同FrequencySeparation=24000;% BFSK调制的频率间隔等于24KHz BitRate=10000;% 信源产生信号的bit率等于10kbit/s SimulationTime=10;% 仿真时间设置为10秒SamplesPerSymbol=2;% BFSK调制信号每个符号的抽样数等于2 for i=1:length(x)% 循环执行仿真程序 SNR=x(i);% 信道的信噪比依次取中的元素 sim('project_1');% 运行仿真程序得到的误比特率保存在工作区变量BitErrorRate中 y(i)=mean(BitErrorRate); end hold off% 准备一个空白的图 semilogy(x,y);%绘制的关系曲线图，纵坐标采用对数坐标 三、实验结论 图 4 2FSK信号误比特率与信噪比的关系曲线图 系统建模与仿真（二） ——BFSK在多径瑞利衰落信道中的传输性能 一、基本概念 多径瑞利衰落信道 二、实验原理 1、实验系统组成 单闭环直流调速系统的设计与仿真 单回路的直流调速系统的设计和仿真 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 of Single loop dc speed control system Abstract :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 电控学院 运动控制系统仿真课程设计 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级： 姓名： 学号： 开环直流调速系统的动态建模与仿真 摘要： MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。 详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。 1.1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink 中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求， 目录 第1章概述 (1) 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1) 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1) 第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2) 2.1 原系统的工作原理 (2) 2.2 原系统的动态结构图 (3) 2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3) 2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4) 第3章调节器的设计及仿真 (5) 3.1 调节器的选择 (5) 3.2 PI调节器的设计 (5) 3.3 校正后系统的动态结构图 (8) 3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8) 第4章课程设计总结 (9) 参考文献 (1) 转速单闭环调速系统设计 1、概述 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 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。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,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,可用积分调节器代替比例调节器. 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负 反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标， 就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要 想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环 调节系统。 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 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 min c cmax 9090U 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 2200.3136 130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++?= =≈?? ② 电动机参数 励磁电阻： f f f 220146.7()1.5 U 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 0.422019.1 19.10.0021(H)2221460136 CU L pn I ?==?≈??? 电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ： N a N e N 2200.2136 0.132(V min/r)1460 U R I K n --?= =≈? 三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统 1. 系统仿真应用软件及其简介 三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统仿真应用的软件是MATLAB 7.0。 MATLAB是为了在科学研究和工程应用中，克服一般语言对大量数学运算，尤其是涉及矩阵运算时编制程序复杂、调试麻烦等困难，美国Math Works公司于1967年构思并开发了矩阵实验室（Matri Laboratory’，MATLAB）软件包。经过不断的更新和扩充，该公司于1984年推出了MATLAB的正式版，特别是1992年推出具有跨时代意义的MATLAB 4.0版，并于1993年推出其微机版，以配合当时日益流行的Microsoft Windows 操作系统一起使用。截止到2005年，该公司先后推出了MATLAB 4.x，MATLAB 5.x，MATLAB 6.x，MATLAB 7.xD等版本，该软件的应用范围越来越广。 常见的MATLAB工具箱有以下几种。 Control System Toolbox——控制系统工具箱 Communication Toolbox——通讯工具箱 Financial Toolbox——财政金融工具箱 System Identification Toolbox——系统辨识工具箱 Fuzzy Logic Toolbox——模糊逻辑工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox——高阶谱分析工具箱 Image Processing Toolbox——图象处理工具箱 computer vision system toolbox----计算机视觉工具箱 LMI Control Toolbox——线性矩阵不等式工具箱 Model predictive Control Toolbox——模型预测控制工具箱 μ-Analysis and Synthesis Toolbox——μ分析工具箱 Neural Network Toolbox——神经网络工具箱 Optimization Toolbox——优化工具箱 Partial Differential Toolbox——偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox——鲁棒控制工具箱 Signal Processing Toolbox——信号处理工具箱 Spline Toolbox——样条工具箱 Statistics Toolbox——统计工具箱 Symbolic Math Toolbox——符号数学工具箱 Simulink Toolbox——动态仿真工具箱 Wavele Toolbox——小波工具箱 DSP system toolbox-----DSP处理工具箱 这里只重点介绍MATLAB在本系统中Simulink的仿真环境。 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 P 以及积分时间常数τ的值来研究K P 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U in 时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到U ex (t )=K P U in ，实现了快速响应；随后U ex (t )按积分规律增长，U ex (t )=K P U in +(t/τ)U in 。在t =t 1时，输入突降为0，U in =0，U ex (t )=(t 1/τ)U 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 P 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 。 系统建模与仿真项目驱动设计报告 学院：电气工程与自动化学院 专业班级：自动化143班 学号：2420142928 学生姓名：李荣 指导老师：杨国亮 时间：2016年6月10号 仿真技术是一门利用物理模型或数学模型模拟实际环境进行科学实验的技术，具有经济、可靠、实用、安全、灵活和可多次重复使用的优点。 本文中将使用Matlab软件实现一个简单的控制系统仿真演示，可实现对一些连续系统的数字仿真、连续系统按环节离散化的数字仿真、采样控制系统的数字仿真以及系统的根轨迹、伯德图、尼克尔斯图和奈氏图绘制。 本设计完成基本功能的实现，基于Matlab的虚拟实验仿真的建立和应用，培养了我们的兴趣，提高了我们的实践能力。 关键字：Matlab；系统数字仿真；根轨迹；伯德图。 第一章概述 (4) 1.1 设计目的 (4) 1.2 设计要求 (4) 1.3设计内容 (4) 第二章 Matlab简介 (6) 2.1 Matlab的功能特点 (6) 2.2 Matlab的基本操作 (6) 第三章控制系统仿真设计 (8) 3.1 控制系统的界面设计 (8) 3.2 控制系统的输入模型设计 (9) 3.3 欧拉法的Matlab实现 (12) 3.4 梯形法的Matlab实现 (14) 3.5 龙格-库塔法的Matlab实现 (15) 3.6 双线性变换法的Matlab实现 (16) 3.7 零阶保持器法的Matlab实现 (17) 3.8 一阶保持器法的Matlab实现 (18) 3.9 系统PID控制的Matlab实现 (19) 3.10 系统根轨迹的绘制 (21) 3.11系统伯德图的绘制 (22) 3.12系统尼克尔斯图的绘制 (23) PWM可逆直流调速系统matlab 仿真实习 《运动控制系统仿真》课程设计 ——PWM直流调速系统的动态建模与仿真 学院：电气与控制工程学院 班级：自动化1104班 姓名：钟传琦 学号：1106050430 日期： 2014年6月27日 一、课程设计的目的及任务 《运动控制系统》是自动化专业的一门主干专业课程，在该课程学习结束后单独安排了1周的控制系统仿真课程设计。其目的是要求学生针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，使学生能进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践能力，并初步培养实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力。 二、课程设计的基本要求 《运动控制系统》被控对象是交、直流电动机，能量转换是由电力电子器件构成的变换器，微机构成控制器。因此控制系统仿真课程设计学生应掌握以下基本内容： （1）交、直流电动机； （2）电力电子变换器； （3）微机控制器； （4）转速、电流等检测电路； （5）输入输出转换电路、调理电路和功放电路等。 三．课程设计的内容及基本要求 1．设计题目 1) 开环直流调速系统的动态建模与仿真 2) 单闭环有静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 3) 单闭环无静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 4) 带电流截止转速负反馈的单闭环调速系统的动态建模与仿真 5) 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真 6) 双闭环直流调速系统的动态建模与仿真 α=有环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 7) β 8) 逻辑无环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 9)三相异步电动机数学模型的建立 10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真 本文所选题目为：10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真。 - 0 - 第一章DJDK-1 型电力电子技术及电机控制 实验装置简介 1-1 控制屏介绍及操作说明 一、特点 (1)实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、使用方便、功能齐全、综合性能好，能在一套装置上完成《电力电子技术》、《自动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《电机控制》及《控制理论》等课程所开设的主要实验项目。 (2)实验装置占地面积小，节约实验室用地，无需设置电源控制屏、电缆沟、水泥墩等，可减少基建投资；实验装置只需三相四线的电源即可投入使用，实验室建设周期短、见效快。 (3)实验机组容量小，耗电小，配置齐全；装置使用的电机经过特殊设计,其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组。 (4)装置布局合理，外形美观，面板示意图明确、清晰、直观；实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成该设备损坏；电路连接方式安全、可靠、迅速、简便；除电源控制屏和挂件外，还设置有实验桌，桌面上可放置机组、示波器等实验仪器，操作舒适、方便。电机采用导轨式安装，更换机组简捷、方便；实验台底部安装有轮子和不锈钢固定调节机构，便于移动和固定。 (5)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，切实有效保护操作者的人身安全，为开放性的实验室创造了前提条件。 (6)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。 (7)实验线路选择紧跟教材的变化，完全配合教学内容，满足教学大纲要求。 图1-1 DJDK-1 电力电子技术及电机控制实验装置外形图 二、技术参数 (1)输入电压三相四线制 380V±10% 50±1Hz (2)工作环境环境温度范围为-5～40℃，相对湿度≤75%，海拔≤1000m (3)装置容量：≤1.5kVA (4)电机输出功率:≤200W (5)外形尺寸：长×宽×高=1870㎜×730㎜×1600㎜ 1-2 DJK01电源控制屏 电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪，供教师考核学生实验之用；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W 日光灯。 图1-2 主控制屏面板图 1、三相电网电压指示 三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。 2、定时器兼报警记录仪 平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。（具体操作方法详见DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置使用说明书） 3、电源控制部分 它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。 单闭环不可逆直流调速系统设计 目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ··········································································错误！未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 -实验四 直流调速系统仿真与设计
直流伺服电机调速系统(三闭环)要点
转速单闭环直流调速系统设计
通信系统建模与仿真课程设计
转速、电流反馈控制直流调速系统仿真
三闭环
系统建模与仿真
原版单闭环直流调速系统
开环直流调速系统的动态建模与仿真
转速单闭环调速系统设计
直流调速系统的MATLAB仿真(参考程序)汇总.
matlab完整版(三相闭环).
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
系统建模与仿真项目驱动设计报告
PWM可逆直流调速系统matlab仿真实习
晶闸管直流调速系统实验
课程设计——单闭环不可逆直流调速系统设计