实验一、开环直流调速系统的仿真实验.docx
开环直流调速系统的建模与仿真
院系电子信息工程系班级 10电气（4）姓名齐国昀学号 107301427 实验名称开环直流调速系统的建模与仿真实验日期 2012 - 11- 29一、实验目的1、掌握开环直流调速系统的组成和工作原理；2、掌握使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真；3、检验仿真结果与理论分析的关系。
二、实验步骤：1、主电路的建模和参数设置：开环直流调速系统的主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。
打开MATLAB软件，从左侧窗口中拉出主电路所需器件进行连线，参数设置如下：三相对称交流电压源（交流峰值电压取176.75、初相位0°，频率50HZ，其它为默认值，B、C相与A相基本相同，除了初相位设置成互差120°外）、晶闸管整流桥（缓冲电阻Rs=50K、缓冲电容Cs为无穷大inf、内电阻Ron=0.001、内电抗Lon=0）、平波电抗器（阻抗R=0、电感L=5Ml/电容C为无穷大inf）、直流电动机（励磁电阻Rf=146.7、电感取0、电枢电阻Ra=1.5、电枢电感La=0.016、电枢绕组和励磁绕组互感Laf=0.76H、电机转动惯量J=0.57kg.m^2、额定负载转矩Tl=18N.m）；2、控制电路的建模和参数设置：开环直流调速系统的控制电路只是一个给定环节，可以从输入模块选取“Constant”模块，双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为20rad/s。
实际调速时，转速给定信号是在一定范围内变化的。
将主电路和控制电路的仿真模型按照开环直流调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接，并用示波器观察三相交流电压源、触发脉冲信号、晶闸管整流桥的输出整流电压以及整流电压的平均值、直流电动机的转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te等参数。
3、系统的仿真参数设置：院系电子信息工程系班级 10电气（4）姓名齐国昀学号 107301427实验名称开环直流调速系统的建模与仿真实验日期 2012 -11 -29 在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，选中“Simulation parameters(仿真参数)”，弹出仿真参数设置对话框。
直流调速系统仿真.doc
直流调速系统仿真目录一．直流调速系统仿真1.开环直流调速系统的仿真2.单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真3.单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真4.单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真5.单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真6．单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真7.单闭环转速负反馈调速系统定量仿真8.双闭环直流调速系统定量仿真9.PWM直流调速系统仿真二．双闭环直流调速系统1双闭环直流调速系统的工作原理1.1双闭环直流调速系统的介绍1.2双闭环直流调速系统的组成1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性1.4双闭环直流调速系统的数学模型2系统设计方法及步骤2.1系统设计的一般原则2.2电流环设计2.2.1确定时间常数2.2.2选择电流调节器结构2.2.3选择电流调节器参数2.2.4校验近似条件2.3转速环设计2.3.1确定时间常数2.3.2选择转速调节器结构2.3.3选择转速调节器参数2.3.4校验近似条件三．Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析3.1Matlab和Simulink简介3.2 Matlab建模与仿真3.3电流环的MA TLAB计算及仿真3.3.1电流环校正前后给定阶跃响的MA TLAB计算及仿真3.3.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标3.3.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.3.4电流环频域分析的MA TLAB计算及仿真3.4转速环的MA TLAB计算及仿真3.4.1转速环校正前后给定阶跃响应的MA TLAB计算及仿真3.4.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标3.4.3单位冲激信号扰动的响应曲线3.4.4转速环频域分析的MA TLAB计算及仿真4V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图摘要直流调速系统有多种调速方法，各种方法各有优缺点。
就性能而言，闭环性能优于开环，双闭环性能优于单闭环，然而对于实际系统，还要考虑系统的成本和复杂性，因此各种方法都有一定的适应场合。
实验一、开环直流调速系统的仿真实验
实验一 开环直流调速系统的仿真一、实验目的1、熟悉并掌握利用MATLAB 中Simulink 建立直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
2、掌握开环直流调速系统的原理及仿真方法。
二、实验内容开环直流调速系统的仿真框图如图1所示，根据系统各环节的参数在Si ｍuli ｎｋ中建立开环直流调速系统的仿真模型，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流Ｉｄ和转速n 的响应数据,绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析,给出相应的结论。
+—*n ()U s s s 1K T s +1/1l R T s +m R T se1C ()n s Ed ()I s +dL ()I s _图1 开环直流调速系统的仿真框图开环直流调速系统中各环节的参数如下:直流电动机：额定电压UN = 220 V ,额定电流IdN ＝ 55 Ａ,额定转速ｎN = 1000r/min ，电动机电势系数Ce= 0.192 V ·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 s 。
电枢回路总电阻R =1.0 Ω,电枢回路电磁时间常数Tl = 0.０01６７ s,电力拖动系统机电时间常数Tm = 0.075 s 。
ﻩ对应额定转速时的给定电压Un*=4.36４V 。
三、实验步骤1、根据开环直流调速系统的各环节参数建立空载时的Ｓimul ｉnk 仿真框图，如图2所示。
图2 空载时开环直流调速系统的仿真框图2、设置合适的仿真时间，利用ｏut 器件或示波器将相关数据输出到ＭATL ＡＢ的W ｏrks ｐａc ｅ中，并在ＭATLA Ｂ中利用pl ｏｔ（X,Y)函数绘制出空载时直流电动机的电枢电流Id和转速ｎ的响应曲线，记录并分析实验数据,给出相应的结论。
3、根据开环直流调速系统的各环节参数建立带负载时的Simuｌｉnk仿真框图,如图3所示。
图3带负载时开环直流调速系统的仿真框图4、设置合适的仿真时间，在１s时分别加入负载电流为ＩdL=10、２0、５0A，利用ｏu ｔ器件或示波器将相关数据输出到MＡTＬAB的Workｓpace中，并在MATLAB中利用plot(X,Ｙ）函数绘制出在１s时加入负载电流分别为IｄL=１0、20、50A时直流电动机的电枢电流Id和转速ｎ的响应曲线，记录并分析实验数据,给出相应的结论。
晶闸管开环直流调速系统的仿真
晶闸管开环直流调速系统的仿真一、工作原理晶闸管开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-发电机组等组成。
在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路课直接由给定电压Ug座位触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。
实验系统的组成原理如图1所示。
图1 晶闸管开环直流调速实验控制原理图二．设计步骤1主电路的建模和参数设置开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机灯部分组成。
由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以讲触发器轨道主电路进行建模。
①三相对称交流电压源的建模与参数设置。
首先从电源模块中选取一个交流电压源模块，即，再用复制的方法得到三相电源的另外两个电压源模块，并用模块标题名修改方法将模块标签分别改为“A相”、“B相”，“C相”，然后从连接器模块中选取，按图1主电路图进行连接。
为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。
双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在A相交流电源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0°，频率为50Hz，其它为默认值，如图2所示，B、C相交流电源设置方法与A相基本相同，除了初相位设置成互差120°外，其它参数与A相相同。
由此可以得到三相对称交流电源。
②晶闸管整流桥的建模和参数设置。
首先从电力电子模块组中选取中的，并将模块标签改成“晶闸管整流桥”，然后双击模块图标，打开整流桥参数设置对话框，参数设置如图3所示。
当采用三相整流桥时，桥臂数为3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子选择晶闸管。
参数设置原则如下，如果是针对某个具体的交流装置进行参数设置，对话框中的Rs、Cs、R ON、Vf应取该装置中晶闸管元件的实际值，若果是一般情况，不针对某个具体的变流装置，这些参数可先取默认值进行仿真。
直流电动机开环调速系统仿真
直流电动机开环调速系统仿真随着电动机在工业、交通等领域的广泛应用，开发一种高效可靠的电动机控制系统对于提高整个工业的精度和效率至关重要。
其中，直流电动机开环调速系统是电动机控制系统中的一种基础环节，其使得直流电动机能够以合适的速度运行，完成工作任务。
一、调速系统的基本原理1. 直流电动机的基本结构与原理直流电动机由定子、转子、刷子、通电电源四个基本部分组成，其中，定子上包覆绕组，绕组所带的电流受到直流电源的控制，与转子上的永磁体受到的作用力相互作用，产生电动力和电磁力，从而使转子旋转。
2. 直流电动机的调速根据直流电动机的转矩-速度特性曲线可知，直流电动机的转速与电极数、电流和电磁力等因素密切相关。
因此，通过控制直流电动机的电流大小，可以达到调节直流电动机转速的目的。
直流电动机开环调速系统主要由电动机本体、电流传感器、减速器以及驱动器等基本组成部分组成。
其中，电流传感器用于检测电动机电流的大小，而驱动器则输出一定的电压或电流，控制直流电动机的运行。
二、仿真实现1. 基本仿真模型基于MATLAB/Simulink软件建立的直流电动机开环调速系统仿真模型主要由瞬时电压、转速检测、控制逻辑、直流电机、直流电阻负载以及电流检测等组成，实时进行电磁转矩的计算，最终得到直流电机的运动状态，从而实现调速功能。
2. 仿真分析通过此仿真模型，我们可以得到直流电动机的运行状态，理解不同负载下的转矩-转速特性曲线以及电流在不同转速下的变化，从而通过调节电流、电压等参数，以达到理想的调速效果。
三、结论直流电动机的开环调速系统是一个重要的电动机控制系统组成部分，其能够有效地提高电动机的自动控制能力，大大提升了直流电动机的工作效率和精度。
本文通过介绍直流电动机调速系统的基本原理和仿真实现，为电动机控制系统研究和开发提供了参考和借鉴，对推动整个行业智能化和自动化发展具有重要意义。
直流调速系统的MATLAB仿真(参考程序)
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。
MU d+I dGTU cE +--UCR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minc cmax9090U 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 2200.3136130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++⨯==≈⨯︒② 电动机参数 励磁电阻：f f f 220146.7()1.5U R I ===Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
125-实验 实训 实习-开环直流调速系统的分析与测试
实验 开环直流调速系统的分析与测试一、实验目的1．熟悉三相桥式全控整流电路的结构特点，以及整流变压器、同步变压器的联接。
2．掌握KC785集成触发电路的应用,掌握三相晶闸管集成触发电路的工作原理与调试（包括各点电压波形的测试与分析）。
3．研究三相全控桥式整流电路①（电阻负载时），在不同导通角下的电压与电流波形。
4. 熟悉小功率晶闸管直流调速系统的工作原理，掌握直流晶闸管调速系统的整定与调试。
二、实验电路与工作原理图11．三相全控桥式整流电路如图1所示。
图中6只晶闸管按顺序导通，其特点是：晶闸管导通的起始点（即自然换相点）：对共阴极组的T1、T3、T5为Ua 、Ub、Uc三个正半波的交点，而对共阳极组的T4、T6、T2为三相电压负半波的交点。
在共阳极组和共阴极组的管子中，只有各有一个导通，才能构成通路。
为了保证电路能启动和电流断续后能再触发导通，必须给对应的两个管子同时加上触发脉冲。
图中TA为电流互感器（三相共3个）（HG1型，5A/2.5Ma,负载电阻<100欧），由于电流互感器二次侧不可开路（开路会产生很高的电压），所以二次侧均并有一个91欧的电阻。
2．整流变压器与同步变压器的接线如图2。
(a) 图2 (b)1）采用整流变压器主要是为了使整流输出电压与负载电压相匹配。
本系统的负载为电动机，其电压为100V，由三相全控桥的公式Ud=2.34U2（U2为变压器次级侧相电压），有U2=43V。
2）整流变压器接成Dy型（Δ/Y-11），可有效抑制整流时产生的三次谐波对电网的不良影响。
整流变压器还起电气隔离作用，有利人身安全。
3）同步变压器的接法为Y/Y-10。
4）同步变压器与整流变压器的联接如图2(b)所示。
3．触发电路如图3所示。
图3本电路的触发电路的核心是集成触发器KC785（TCA785），它是锯齿波触发器，封，它的引脚功能见下表装，形式是DIP-161）正弦同步电压uSa、uSb、uSc；（13V）；2）移相控制电压UC（直流0~8V）；3）直流偏置电源：+12V、+15V、+24V；4）脉冲输出控制CR：CR=0，脉冲正常输出，CR=1，无脉冲输出；触发脉冲输出端：G1、K1，G2、K2、三、实验内容与步骤1．触发电路的调节将同步变压器接成Y/Y-10；将同步电压u Sa、u Sb、u Sc送到触发单元将直流电源+12V、+15、+24V接到触发电路；将触发单元CR接地；控制电压Uc端直接接至转速调节器的给定电源上，接通电源，先使Uc为+4V左右，观测N1的脚（锯齿波）的幅值及波形；调节RP1使N1锯齿波的幅值的7.8-7.9V，再以N1的锯齿波为基准，调RP2和RP3，使N2和N3锯齿波斜率与N1相同；调节控制电压Uc，使Uc由0-8V，观察脉冲的移相，然后将Uc=6V测量6个触发脉冲是否互差60℃；若各触发脉冲正确无误，则在切断电源后，将脉冲变压器的输出接到对应晶闸管的G.K 极；关闭电源。
直流电动机开环调速系统计算仿真
直流电动机开环调速系统仿真直流开环调速系统的电器原理：直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经 平波电抗器L 供电，并通过触发器移相控制信号 Uc 调节晶闸管的控制角，从 而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
理论分析电机参数如下:U N - 220V , 1 N ~136A , n N - 1460r / min 极数为四极2 2 凡"21JGDP5N m。
励磁电压U r 220V 励磁电流「""采 用三相桥式整流电路，设整流器的内阻为R re ^0.51。
平波电抗器 L d =20mH 。
计算:(2) 电机参数:励磁电阻 R f 二U f /l f =220/1.5 =146.7"电枢电阻R a -0.21'1电枢电感估算 L a =19.1* CU N =19.1 竺220 0.00021 H2p n z l N 2汉 2汉1460"36 电枢绕组和励磁绕组互感L af :C e =U N _RaI N =0.132V.min/ r n N60 K e C e =1.26 2兀L af = K e /1 f = 1.26 /1.5 = 0.84 H移相特性--9090 -»min U cmax U c ,此处:=90-6UU 2 二 220 0.5*136 (1)供电电源的电压 V 2.34cos ： min 2.34*cos30 = 142V(3) 电机转动惯量：J 二GD2/4g =22.5/4/9.8 =0.57kg m2(4) 额定负载转矩:叽二9.55C e I N = 171.4N mSimulink中搭建的仿真模型参数设定:三相电源线：电压142* sqrt(3)、初相角0度、频率50hz、连接方式丫型连接、阻抗0.001 ，感抗为0直流电机：电枢电阻0.21」、电枢电感0.00021H、励磁电阻146.71、励磁电感0H、磁场与电枢互感0.84H、转动惯量0.57平波电抗器：电感0.02H.0.5秒时加171.4N*m的负载仿真结果1、转速1、 全电压启动时电流很大，在0.25秒的时候达到最大电压，电流降为 0, 0.5秒加负载后，转速下降，电流增加直到转速稳定。
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实验一开环直流调速系统的仿真
一、实验目的
1、熟悉并掌握利用 MATLAB中 Simulink 建立直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
2、掌握开环直流调速系统的原理及仿真方法。
二、实验内容
开环直流调速系统的仿真框图如图 1 所示，根据系统各环节的参数在 Simulink 中建立开环直流调速系统的仿真模型，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电
流Id 和转速 n 的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相
应的结论。
I dL (s)
U n* (s)K s+1/ R I d (s)_R E 1 n( s)
T s s 1—T
l
s 1
+T m s C e
图 1 开环直流调速系统的仿真框图
开环直流调速系统中各环节的参数如下：
直流电动机：额定电压 UN = 220 V，额定电流 IdN = 55 A，额定转速 nN = 1000 r/min ，电动机电势系数 Ce= V ·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 = s 。
电枢回路总电阻 R = Ω，电枢回路电磁时间常数 Tl = s ，电力拖动系统机电时间常数
Tm = s 。
对应额定转速时的给定电压Un*=。
三、实验步骤
1、根据开环直流调速系统的各环节参数建立空载时的Simulink仿真框图，如图2 所示。
图2空载时开环直流调速系统的仿真框图
2、设置合适的仿真时间，利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的 Workspace 中，并在 MATLAB中利用 plot （X,Y）函数绘制出空载时直流电动机的电枢电流Id 和转速 n 的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。
3、根据开环直流调速系统的各环节参数建立带负载时的Simulink仿真框图，如图3所示。
图 3 带负载时开环直流调速系统的仿真框图
4、设置合适的仿真时间，在 1s 时分别加入负载电流为 IdL=10 、20、50A，利用 out 器件或示波器将相关数据输出到 MATLAB的 Workspace 中，并在 MATLAB中利用 plot （X,Y）函数绘制出在 1s 时加入负载电流分别为 IdL=10 、20、50A 时直流电动机的电枢电流 Id 和转速n 的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。
5、设置合适的仿真时间，在 1s 时分别加入负载电流为 IdL=20A，修改给定电压 Un*的值
（取 3 组不同的值），利用 out 器件或示波器将相关数据输出到 MATLAB的 Workspace 中，并在 MATLAB中利用 plot （X,Y）函数绘制出在 1s 时加入负载电流分别为 IdL=20A 时直流
电动机的电枢电流 Id 和转速 n 的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。
（证明开环时转速降落只与负载电流有关，而与给定电压无关。
）
四、数据分析
/s01
T
I /A0
d
n/r*min0999
在 0~1s 里，电流快速减小， 1s 后，电流趋于平稳；而在0~1s 里，电机转速快速
上升， 1s 后达到稳定。
/s01
T
I d1/A0
n1/r*min0
I d2/A0
n2/r*min0
I /A0
d3
n3/r*min0
由上表可知，在 0~1s 内，随着 id 的减小， n 逐渐增大；在 1s 时突加负载电流， id
逐渐增大， n 逐渐减小；且随着负载电流的增大， id 增大越明显， n 减小越明显。
T/s01
I d1/A0
n1/r*min02194
I d2/A0
n2/r*min01675
I d3/A0
n /r*min04486 3
对上表分析，随着给定电压的升高，电枢电流在0~1s 所达到的峰值也随着提高，在1s 时加入 20A 固定负载电流后，电枢电流上升的幅度基本相同；电机转速跟电枢电流变化基本相似。
在 Un*分别为 10V、15V、20V 时，转速降落分别为
n1==(r/min)
n2=可以看出n1≈Δ n2≈Δ n3，因此可证明转速降落于给定电压Un*无关。