单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
(完整版)直流调速系统设计实训报告
1.2控制电路设计
1.2.1 LM331芯片工作原理
图1.7光电编码器接线图
1.2.4无静差调速
要实现无静差调速直流调速系统应该是比例积分（PI）调节器。
采用积分调节器，则控制电压是转速偏差电压的积分，。当是阶跃函数时，按线性规律增长，每一时刻的大小和与横轴所包围的面积成正比。对于闭环系统中的积分调节器，不是阶跃函数，而是随转速不断变化的。当电动机起动后，随着转速的升高，不断减小，但积分作用使仍继续增长，只不过的增长不再是线性的了，每一时刻的大小仍和与横轴所包围的面积成正比。在动态过程中，当变化时，只要其极性不变，即只要仍是，积分调节器的输出便一直增长；只有达到，=0，才停止上升，而达到其终值。
图1.6 LM324引脚图
1.2.3光电编码器
光电编码器E6B2_C
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。接线如图1.7
LM331器件管脚图及管脚功能
图1.5LM331器件管脚图
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验7页
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验7页目的1. 了解采用脉冲宽度调制控制单相半波可控整流电路的直流电机调速系统的性能、工作原理和结构特点。
2. 掌握直流电机无速度传感器和有速度传感器调速系统的控制原理和操作方法。
3. 了解欠速、超速等异常情况下对直流电机调速系统进行保护的方法。
实验设备本实验采用全数字化交流电机直流调速装置，配备了采用脉冲宽度调制控制单相半波可控整流电路的直流电机、直流电机调速器、速度传感器、控制器、操作面板等。
初始设置1. 将直流电机通电。
2. 调速装置上电，按下系统测试键，检查系统是否正常工作。
3. 调速装置上按下参数设定键，进入参数设定界面，设置本实验所需参数。
设置如下：转矩基数：2.0N·m调速范围：0～1500r/min转速比例：P=10制动时间：1s制动电压：60%控制器型号：无速度传感器控制实验步骤(1) 在实验 System 1 中选择无速度传感器控制，按“进入”键，进入控制界面。
(2) 在控制面板上调节电位器获得所需的转矩基数，在调节完后按“回车”键。
(3) 通过“+”键或“-”键调节实际转速与设定转速之间的差值，使控制器输出的调速信号使转速趋近于设定转速。
(4) 通过“SP”键进入设定转速设置的界面，设置所需的设定转速，设置完后按“回车”键。
(5) 按下启动键，由于原来的设定转速是0r/min，转速开始加速，和设定转速的差值开始减小，控制器的输出信号越来越大，快进电机的电流越来越大，快进电机的扭矩也逐渐增大。
(6) 当实际转速接近设定转速的时候，控制器输出的调速信号被减小，电机的电流和扭矩也被减小，实际转速和设定转速之间的差值也减小，直到实际转速即为设定转速。
(7) 在设定转速下按下停止键，电机开始制动，制动时间为系统设定的1s，制动电压为60%。
(8) 如未设定转速，快进（TA）维持不变，保持电机转子位置不变。
此时转子电势低而维持高转矩状态。
(9) 在设定转速下按下停车键，电机完全停止。
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告精修订
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=。
单闭环不可逆直流调速系统实验
实验一 单闭环不可逆直流调速系统实验
实验目的 实验要求
知识点
难点指导
实验方法
(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试； (2)Uct不变时的直流电机开环外特性的测定； (3)Ud不变时直流电机开环外特性的测定； (4)基本单元部件调试； (5)转速单闭环直流调速系统； (6)电流单闭环直流调速系统； (7)电压单闭环直流调速系统。
实验目的 实验要求
知识点
难点指导
注意事项
(1)要注意先后顺序，通电时的先打开实验箱的电源， 再加高压直流电源；断电的时候先切断高压直流电 源，再关断实验箱电源； (2)在送高压电源之前，先把给定调至最低； (3)实验时候需要注意电机的额定电压，额定电流， 额定转速，不能超过以免出现电机损坏。
实验四 双闭环控制可逆直流脉宽调速系统
实验二 双闭环不可逆直流调速系统实验
实验目的 实验要求
知识点
难点指导
实验原理说明
双闭环直流调速系统是由速度调节器 和电流调节器进行综合调节，可获得良好 的静、动态性能（两个调节器均采用PI调 节器），由于调整系统的主要参量为转速， 故将转速环作为主环放在外面，电流环作 为副环放在里面，这样可以抑制电网电压 扰动对转速的影响。
实验一 单闭环不可逆直流调速系统实验
实验目的 实验要求
知识点
难点指导
报告要求
1、根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系 统的机械特性。 2、根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系 统的机械特性。 3、根据实验数据，画出电压单闭环直流调速系 统的机械特性。
实验目的 实验要求
知识点
难点指导
实验二 双闭环不可逆直流调速系统实验 实验目的
实验二 双闭环不可逆直流调速系统实验
转速反馈单闭环直流调速系统仿真
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。
单闭环直流调速系统的设计与仿真
大学本科毕业设计单闭环直流调速系统的设计与仿真学生姓名院系名称专业名称电气工程及其自动化班级级学号指导教师完成时间年月日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。
单闭环直流调速系统实验指导书.doc
《单闭环直流调速系统》实验指导书（一）福建工程学院信息科学与工程学院电气工程教研室1实验一单闭环直流调速系统一．实验目的1．加深对闭环调速系统基本概念的理解。
2．通过调整测试，加强实际动手能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。
二．实验设备1．单相调速实验板1套2．直流电动机组1套额定转速--------r/min，电枢额定电流--------A，电枢额定电压-------V，励磁电压-------V3．双踪示波器1台4．MF47万用表1台5．单相调压器（或三相调压器） 1台6．转速表1台三．实验电路见图1－1单闭环直流调速系统图。
四. 实验内容1．按照实验电路原理的要求正确接线，测量并记录1、2、3点对O点的波形以及3、4、5点对O’点的波形。
2．接电阻性负载（灯泡）改变α角测量并记录Ud=f(α)。
3．(调节RW6能改变电动机起动电流)。
4．作出电动机的机械特性(系统开环特性)n=f(Ia)。
（空载转速1200r/pm和600r/pm各作一条）。
6．作出电压负反馈和电流正反馈调速系统的静态特性n=f(Ia)（空载转速1200r/pm和600r/pm各作一条）。
四．注意事项1．接电阻性负载（灯泡）时系统应该处在开环状态下并且电路的放大倍数应处于较小的位置2．做电动机实验时必须始终保持电动机的励磁电压为110V不变。
3．电动机通电状态下注意它的励磁电压不能发生断路，否则会发生飞车。
4．调节电动机起动电流时要等电动机完全停机后才能再次起动电动机，负载重的电动机起动电流应该调在10A—14A之间，负载轻的电动机起动电流2应该调在6A—10A之间(调节RW6能改变电动机起动电流)。
5．作电动机的机械特性时用木棍来增加电动机的负载以此来增加电枢电流作出机械特性。
6．注意加负载那个同学一定要始终观察电枢电流不能让电枢电流大于6A。
7．作电动机的机械特性时如果电动机在某一电流时转速下降较多，可能是电流截止负反馈保护环节起作用，这时需要调节电流截止负反馈保护的电流。
单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真(一)资料
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。
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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 。
电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数T l =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=0.01V ? min/r 。
对应额定转速时的给定电压U n ∗=10V 。
稳态性能指标D=20，s 5% 。
5.2 K P 和1/τ的参数的确定：
PI 调节器的传递函数为
W PI (s )=
K P τs +1τs =K P τ1s +1
τ1s
其中，τ1=K P τ。
（1）确定时间常数
1）整流装置滞后时间常数T s =0.00167s ； 2）转速滤波时间常数T on =0.001s ；
3）转速环小时间常数T ∑n =T on +2(T s +0.002s )=0.0174s ； （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：
τ=ℎT ∑n =0.087s ，则1/τ≈11.5
由此可得开环增益：
K N =
K P R τT m C e =ℎ+1
2ℎ2T ∑n
2
≈396.4s −2 于是放大器比例放大系数：
K P =
(ℎ+1)T m C e
2ℎRT ∑n
≈0.5
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。
图6-1 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图 图6-2 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型
七、仿真模型的运行
利用5.2中所求的K P 和1/τ代入PI 调节器中，此处取K P =0.56，1/τ=11.43。
图7-1 无静差调速系统输出（Scope 图像）
U
图7-2
输出波形比例部分（Scope1图像）
对比图7-1和图7-2可以发现，只应用比例控制的话，系统响应速度快，但是静差率大，而添加积分环节后，系统既保留了比例环节的快速响应性，又具有了积分环节的无静差调速特性，使调速系统稳定性相对更高，动态响应速度也快。
八、仿真结果分析（修改K P和1/τ的参数，观察Scope曲线变化）
当取K P=0.25，1/τ=3时，系统转的响应无超调，但调节时间很长。
如图8-1所示：
图8-1 无超调的仿真结果
当K P=0.8，1/τ=15时，系统转速的响应的超调较大，但快速性较好。
如图8-2所示。
图8-2 超调较大的仿真结果
控制系统的各项动态跟随性能指标与参数KT有关。
当系统的时间常数T一定时,随着开环增益K的增大，系统的快速性提高，而稳定性变差。
若要求动态响应快，则把K取得大一点；若要求超调小，则把K 取得小一点。
九、心得体会
通过此次试验，使我对MATLAB中的SIMULINK仿真软件也有了进一步的了解，通过SIMULINK
仿真软件的仿真功能，可以用图像化的方法直接建立系统模型，使我可以很直观方便地了解一些系统特性。
同时通过自己动手做实验，计算数据，使我对比例积分控制的无静差直流电机调速系统又有了更深层次的学习。