基于MATLAB的单闭环直流调速系统的设计与仿真
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
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。
单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真
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，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服 系统、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，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。
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。
1.3 国外现状
从 1971 年开始到目前的这个阶段，直线电机进入了独立的应用时代，在这个时代， 各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如 直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、 电动窗、电动纺织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超 500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。
基于MATLAB直流调速系统设计与仿真
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参考文献 E
袁志勇 ! 王泽忠 ! 邵汉光 1 电磁场逆问题的分析与计算 J 中国电机工程学报 ! J & L L 1 & 9 9 H ! & H $ & ’ E & /P 1 O 倪光正 ! 钱秀英 1 电磁场数值计算 J 北京 E 高等教育出版社 ! J . L 1 & 9 9 P 1 & < R /& H % 1 QL 张平文 1 小波函数值的计算 J 计算数学 ! J < L L 1 & 9 9 R ! & P $ . ’ E & . /& H 1 O
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。
直流调速系统的matlab仿真
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。
实验二 单闭环直流调速系统MATLAB仿真
实验二单闭环直流调速系统MATLAB 仿真
一、实验目的
1.掌握单闭环直流调速系统的原理及组成；
2.掌握单闭环直流调速系统的仿真。
一、实验原理
三、实验内容
基本数据如下：
直流电动机：220V，55A，1000r/min.Ce=0.192Vmin/r.允许过载倍数为1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=44；Ts=0.00167s；
电枢回路总电阻：Ω=0.1R ；
时间常数：s Tm s T l 075.0,017.0==；
转速反馈系数：A V /01.0=α；
给定电压为10V
四、实验步骤
1．根据原理和内容搭建电路模型；
2．设置各元器件的参数；
Step:step time=’0’final valve=’10’
Intergrator的限幅值为正负10
Kpi=0.25,1/τ=3;Kpi=0.56,1/τ=11.43;Kpi=0.8,1/τ=15;
3．设置仿真参数：仿真时间设为0.06s；计算方法为ode15或ode23。
4．仿真实现。
五、实验报告
1.绘制负载电流为零时电流及转速输出波形；
2.绘制负载电流为额定电流时电流及转速输出波形；
3.并讨论P及PI调节器参数对系统的影响。
step Simulink/sources‘0’‘0’‘10’‘0’Integrator Simulink/continuous/‘0’‘10’‘-10’Transfer Fcn Simulink/continuous/
gain Simulink/math operations
sum Simulink/math operations+-。
单闭环直流调速系统的仿真研究【基于MATLAB软件的仿真】《论文》
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。
基于MATLAB的单闭环直流调速系统的设计与仿真
1)主要调速方法选择
直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压U、减弱励磁磁通、改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
2011年11月20日
二、本题的基本内容：
课题任务、重点研究内容、实现途径、方法及进度计划
1、课题任务
设计出一个较完整的直流调速系统，了解单闭环直流调速的原理和方法，比较各种调速方法的特点与不足。对直流电动机的调速指标进行深入研究并整定出调节器的参数，同时要求对所设计的系统进行仿真（MATLAB& Simulink），掌握系统仿真技术在控制领域的应用。
2)电路的组成与调速原理
单闭环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、闭环控制系统和电流截止负反馈装置组成。该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，和晶闸管同步脉冲触发电路，用来调节晶闸管的控制角。测速模块把测得的转速反馈到输入中。
4月11日到5月1日
完成论文的修改并定稿。
四、推荐使用的主要参考文献：
1.《自动控制理论》邹伯敏编第2版机械工业出版社出版
2.《过程控制及仪表》邵裕生主编上海出版社出版
3.《MATLAB及其在理工课程中的应用指南》陈怀琛编西电出版社出版
4.《过程控制与自动化仪表》潘永湘主编机械工业出版社出版
5.《模拟电子技术基础》第三版童诗白华成英主编高等教育出版社
4)系统参数的设定与校正
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研究内容 直流调速具有平滑性好，调速范围宽等优点，对直流调速的仿真有着一定的应用价值，单闭环调速简 单且实用，而 MATLAB 在自动控制仿真方面有着不错的效果。本设计要求设计者能设计出一个较好的单 闭环直流调速系统。在调速系统的原理和要求的静态、动态性能的基础上，设计直流脉宽调速电路，建立 单闭环直流调速系统的数学模型。本课题还要求研究 MATLAB 与 Simulink 在控制方面的应用，掌握仿真 程序的编写与 simulink 模块参数的设置。 3、实现途径 1) 主要调速方法选择 直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压 U 、减弱励磁磁通 、改变电枢回路电阻 R 。对 于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调 速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速） 以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。 2) 电路的组成与调速原理 单闭环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、闭环控制 系统和电流截止负反馈装置组成。该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触 发及整流电路为功率放大和执行环节，和晶闸管同步脉冲触发电路，用来调节晶闸管的控制角。测速模块 把测得的转速反馈到输入中。 3) 调节器的调节方式选择 电动机的转速随给定电压变化，电动机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器采用比 例（P)调节，对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则须将调节器换成比例积分（PI）调节。这时 当给定电压恒定时，闭环系统起到了抑制所用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速稳定在一 定的范围之中。 4) 系统参数的设定与校正 Bode 图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法，它可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息， 而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。在实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕 度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵 活的，须要进行反复地试凑，才能得到满意的结果。 5) 建立系统的数学模型 6) 建立仿真模型 7) 编写仿真程序 8) 进行仿真实验并分析实验结果
二、本题的基本内容：
开题报告书
2011 年 11 月 20 日
姓名
院（部）
课题性质
设计
学号
专业
课题来源
题目
基于 MATLAB 的单闭环直流调速系统的设计与仿真
一、 选题的目的、意义（含国内外相同领域、同类课题的研究现状分析）：
现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻 工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动 控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越 多的生产机械要求能实现自动调速。当前控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控 制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了 生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效 益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。
直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控 制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电 气传动中获得了广泛应用。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。
本次设计是利用 Matlab 软件中的 Simulink 工具箱对直流电动机单闭环调速系统进行计算机辅助设 计；对转速环进行时域和频域分析；对调速系统进行跟随性和抗扰性分析。并在给定系统各种参数的条 件下，进行动态数字仿真，通过查看仿真波形和数据，既可获得参数整定的依据，又可验证本调速系统
是否满足设计要求。
三、进度安排
11 月 20 日到 12 月 1 日 12 月 2 日到 3 月 1 日 3 月 2 日到 3 月 10 日 3 月 11 日到 3 月 20 日 3 月 21 日到 4 月 10 日 4 月 11 日到 5 月 1 日
四、推荐使用的主要参考文献：
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完成毕业设计的开题报告。 查阅相关的文章和资料。 分析并确定系统的设计方案 系统各部分的设计和实验。 开始书写论文并修改。 完成论文的修改并定稿。
由于该系统的结构较复杂，控制器可调参数较多，所以整个系统的设计和校正比较困难，需要有一 个功能全面、分析方便的仿真设计平台。自从 MATLAB 的 Simulink 推出以后，动态系统的仿真就变得非 常容易了。因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，具有强大的数学计算功能，且提供 方便的图形绘制功能，只要在 Simulink 中画出系统的动态结构图模型，编写极简单的程序，即可对该系 统进行仿真，效率极高，环境友好，从而给系统的设计和校正带来很大的方便。Matlab 在学术和许多实 际领域都得到广泛应用，已成为国际控制界应用最广的语言和工具。
通过这次设计，可以使我对自动控制及其仿真进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融 汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。
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课题任务、重点研究内容、实现途径、方法及进度计划
1、课题任务
设计出一个较完整的直流调速系统，了解单闭环直流调速的原理和方法，比较各种调速方法的特点与 不足。对直流电动机的调速指标进行深入研究并整定出调节器的参数，同时要求对所设计的系统进行仿真 （MATLAB& Simulink），掌握系统仿真技术在控制领域的应用。