单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
单闭环不可逆直流调速系统仿真实验设计
课程设计单闭环不可逆直流调速系统仿真实验设计指导教师:学院:专业：班级:姓名：学号：目录任务书 (3)概述 (4)原理 (5)建模与参数设置 (12)仿真结果及分析 (16)参考文献 (17)附图 (18)任务书单闭环不可逆直流调速系统仿真实验设计1．画出系统的仿真模型2．主电路的建模和模型的参数设置（1）三相对称交流电压源的建模和参数设置（2）晶闸管整流的建模和参数设置（3）平波电抗器的建模和参数设置（4）直流电动机的建模和参数设置（5）同步脉冲触发器的建模和参数设置3．控制电路的建模和参数设置4．系统的仿真参数设置5．系统的仿真,仿真结果的输出及结果分析6．打印说明书（B5），并交软盘（一组)一张。
注意事项:1．系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行2．在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等的参数设计原则如下：如果针对某个具体参数设置，则对话框的有关参数应取装置的实际值；如果不针对某歌剧厅的装置的一般情况，可先去这些装置的参数默认值进行仿真。
若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。
3．给定信号的变化范围、调节器的参数的反馈检测环节的反馈系数等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真试验，不断进行参数优化.4．仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提.5．仿真算法的选择：通过仿真实践，从仿真能否进行、仿真的速度、仿真的精度等方面进行选择。
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环系统。
对调速指标要求不高的场合,采用单闭环系统，按反馈的方式不同分为转速反馈、电流反馈、电压反馈、本次设计中采用的为单闭环不可逆直流调速系统。
转速单闭环系统原理如图1所示，图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号,经速度变换后接到电流调节器的输入端,与给定的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变三象全控整流电路的输出电压，这就构成了速度反馈闭环系统。
单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真(一)
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：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。
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 系统目录摘要 (2)一、设计任务 (4)1、 ...................................................... 已知条件42、设计要求 (4)二、方案设计 (5)1、 ...................................................... 系统原理52、 ........................................................ 控制结构图 (6)三、参数计算 (7)四、P I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)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。
图中直流电机的参数：Pnom=2.2KW nnom=1500r/min ，Inom=12.5A , Unom=220V 电枢电阻Ra=1欧，V-M 系统主回路总电阻 R=2.9欧，V-M 系统电枢回路总电感L=40mH 拖动系统运动部分飞轮力矩GD2=1.5N.m2测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi 型，整流触2、设计要求：(1) 生产机械要求调速围D=15 (2) 静差率s < 5%(3) 若 U*n=10V 时，n=nnom=1500r/min ,校正后相角稳定裕度丫 =45o ,剪切频率3 c >35.0rad/s ，超调量30% 调节时间ts < 0.1s倍号詮丨1、控制原理根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。
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。
(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
单闭环直流调速系统实验报告
单闭环直流调速系统实验报告单闭环直流调速系统实验报告一、引言直流调速系统是现代工业中常用的一种电机调速方式。
本实验旨在通过搭建单闭环直流调速系统，探究其调速性能以及对电机转速的控制效果。
二、实验原理单闭环直流调速系统由电机、编码器、电流传感器、控制器和功率电路等组成。
电机通过功率电路接受控制器的指令，实现转速调节。
编码器用于测量电机转速，电流传感器用于测量电机电流。
三、实验步骤1. 搭建实验电路：将电机、编码器、电流传感器、控制器和功率电路按照实验原理连接起来。
2. 调试电机：通过控制器设置电机的运行参数，如额定转速、最大转矩等。
3. 运行实验：根据实验要求，设置不同的转速指令，观察电机的响应情况。
4. 记录实验数据：记录电机的转速、电流等数据，并绘制相应的曲线图。
5. 分析实验结果：根据实验数据，分析电机的调速性能和控制效果。
四、实验结果分析1. 转速响应特性：通过设置不同的转速指令，观察电机的转速响应情况。
实验结果显示，电机的转速随着指令的变化而变化，且响应速度较快。
2. 稳态误差分析：通过观察实验数据，计算电机在不同转速下的稳态误差。
实验结果显示，电机的稳态误差较小，说明了系统的控制效果较好。
3. 转速控制精度：通过观察实验数据，计算电机在不同转速下的控制精度。
实验结果显示，电机的转速控制精度较高，且随着转速的增加而提高。
五、实验总结本实验通过搭建单闭环直流调速系统，探究了其调速性能和对电机转速的控制效果。
实验结果表明，该系统具有较好的转速响应特性、稳态误差较小和较高的转速控制精度。
然而，实验中也发现了一些问题，如系统的抗干扰能力较弱等。
因此，在实际应用中，还需要进一步优化和改进。
六、展望基于本实验的结果和问题，未来可以进一步研究和改进单闭环直流调速系统。
例如，可以提高系统的抗干扰能力，提升转速控制的稳定性和精度。
同时，还可以探索其他调速方式，如双闭环调速系统等，以满足不同的工业应用需求。
实验项目二：转速单闭环直流调速系统实验
实验项目二：转速单闭环直流调速系统实验实验日期：2020年5月25日一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般仿真调试过程。
(3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。
二、实验原理在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到电流调节器的输入端，与给定的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，控制整流桥的触发电路，改变三相全控整流的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电流调.节器的输出限幅所决定。
电流调节器若采用P 调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI调节。
当给定恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
三、实验内容(1)单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真。
(2)单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真。
四、实验所需仪器安装Matlab仿真软件的PC机五、实验步骤单闭环有静差转速负反馈调速系统的结构图：图2.1单闭环无静差转速负反馈调速系统的结构图：图2.2六、实验结果单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真图：图2.3单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真图：（1）变负载：图2.4（2）变电压：①5V:图2.5 ②8V：图2.6 ③10V：图2.7七、实验小结转速闭环调速系统是一种最简单的反馈控制系统，具有反馈控制的基本规律，它应用的比例调节器是一种有静差的控制系统，开环放大系数K对闭环系统的稳态性能有很大影响。
K值越大，稳态性能越好。
当在2s负载由50变为100时，由于开环无法起调节作用，转速下降。
对于单闭环无静差转速负反馈调速系统，当给定电压信号改变时，转速曲线也跟着改变，电机转速以此变成110ad/sec,85ad/sec,50ad/sec.闭环系统绝对服从于给定输入，而且能对被包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动有效地加以抑制，对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服。
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=。
有静差转速单闭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 实验名称有静差转速单闭环直流调速系统的建模与仿真实验日期 2012 - 12- 6一、实验目的1、掌握有静差转速单闭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：有静差转速单闭环直流调速系统的主电路大部分与开环调速系统相同，同样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。
参数设置基本与开环相同，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：有静差转速单闭环直流调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈等环节组成。
仿真模型中根据需要，另增加了限幅值和自定义的函数模块Fcn。
“给定信号”模块的建模和参数设置方法与开环调速系统相同，此处参数设置为10rad/s。
有静差调速系统的速度调节器ASR采用比例调节器，放大倍数可以根据实际需要选择，通常通过仿真优化而得。
当给定信号90-6*u后作为同步触发器的移相控制信号Uct。
将主电路和控制电路的仿真模型按照单闭环转速负反馈调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接。
3、系统的仿真参数设置：第 1 页共 4 页指导教师签名院系电子信息工程系班级 10电气（4）姓名齐国昀学号 107301427实验名称有静差转速单闭环直流调速系统的建模与仿真实验日期 2012 -12 -6 系统仿真参数的设置方法与开环系统相同，仿真中所选择的算法为ode23s，仿真开始时间为0，停止时间为5s，其它仿真参数设置与开环系统中的相同。
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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=t1时，输入突降为0，U in=0，U ex(t)=(t1/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 Pτs+1
τs
=K P
τ1s+1
τ1s
其中，τ1=K Pτ。
（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
m e
=
ℎ+1
2ℎ2T∑n2
≈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）
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。