利用Matlab仿真平台设计单闭环直流调速系统
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。
单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真
1绪论直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛围平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切割机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度來看，它乂是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该很好的掌握直流系统。
我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统來研究。
由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB 中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。
1.1直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量來看，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來实现的，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，高性能的调速系统儿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。
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。
在20世纪60 年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。
随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展, 电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越來越大。
单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越來越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越來越被大众接受。
单闭环直流调速系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机- 发电机、闭环控制系统组成。
利用Matlab仿真平台设计单闭环直流调速系统
大连工业大学课程设计（论文）任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2014年12月1日目录一、摘要 (3)二、总体方案设计 (4)1、控制原理2、控制结构图三、参数计算 (6)1、静态参数设计计算2、动态参数设计计算四、稳定性分析 (9)1、基于经典自控理论得分析2、利用MATLAB辅助分析A、利用根轨迹分析B、在频域内分析奈氏曲线：bode图利用单输入单输出仿真工具箱分析用Simulink仿真五、系统校正 (15)1、系统校正的工具2、调节器的选择3、校正环节的设计4、限流装置的选择六、系统验证 (19)1、分析系统的各项指标2、单位阶跃响应3、Simulink仿真系统验证系统运行情况七、心得体会 (21)八、参考文献 (21)一、摘要运动控制课是后续于自动控制原理课的课程，是更加接近本专业实现应用的一门课程。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。
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。
二、总体方案设计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。
所以，设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。
这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。
单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真
DO I：10.19392/ki.1671-7341.201901079电子信息_________________________科技风2019年1月单闭环直流调速系统的m a t l a b计算与仿真左强王淼孟祥俊李瑞吉林农业科技学院机械与土木工程学院吉林吉林132101摘要:在生产、研发、科研、实践的各个领域中，大量的生产机器需要在不同的情况下以不同的运行速度来提高产品的生产 效率和保证产品的质量。
所以某一种机械就需要根据相关工件的工艺需求来对电动机的转速进行调节。
关键词：闭环；直流调速系统;反馈调节；仿真技术;稳定校正1绪论电动机的作用是将电能转化为机械能，现在市面上绝大多 数生产机械都使用电动机作为驱动元件。
[1]它是使某种生产机 械正常运转的动力设备，然而同一机械生产的不同元件对加工 的工艺要求也不尽相同，这时就需要根据产品的工艺要求来调 节电动机的转速，使加工工件的表面达到工艺要求的精度，这 时便需要调速系统来完成这项工作。
2单闭环直流调速系统晶闸管一电动机调速系统（V—M系统）是近年来普遍采 用的调速系统，所以本文釆用V-M系统进行分析。
2.1 V-M系统的控制原理本文选用转速为反馈量，采取变电压的调速方式。
采用转速负反馈的闭环调速系统图2.2 V-M系统的静特性由图1可知，输入端比较环节电压、测速反馈环节电压、闭 环控制系统放大器电压如下：输人端比较环节电压= t/n*- t/n(1)测速反馈环节电压：= an(2)闭环控制系统放大器电压：£/C = ¥〜(3)电力电子变换器理想空载输出电压：&£/c ;闭环控制系统的开环机械特性：n = Uj〇~UR(4)Le式中：a—转速反馈系数(V.min/r);K p—闭环控制系统的放大器电压放大系数；2.3 V-M系统的反馈控制规律在V-M控制系统中，开环放大系数K值对系统的稳定性有很大影响，K值越大，系统的静态特性越硬，稳态速度下降越小，稳态性能越好，所以在一定的静态差要求下速度调节的范围也就越宽。
基于Matlab的单闭环直流电机调速系统的设计
摘要运动控制系统中应用最广泛的是自动调速系统，在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。
晶闸管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、测速反馈系统组成。
晶闸管调速系统以其良好的调速性能而广泛应用于生产生活中。
闭环控制对电动机的稳定性有很好的保障。
对于晶闸管直流电动机系统的研究要从两个方面进行，一是在带电动机负载时整流电路的工作情况；二是由整流电路供电时电动机的工作情况。
本文介绍了晶闸管直流电机调速系统，运用M a t l a b 进行了仿真，并对晶闸管直流调速系统参数和环节特性进行了分析和测定。
关键词：晶闸管，整流，直流调速，M a t l a b，闭环控制目录第一章概述 (3)第二章调速控制系统的性能指标 (4)2.1 直流电动机工作原理 (4)2.2 电动机调速指标 (4)2.3 直流电动机的调速 (5)2.4直流电机的机械特性 (6)第三章单闭环直流电动机系统 (7)3.1 三相桥式全控整流电路 (7)3.1.1带电阻负载时的工作情况 (7)3.1.2 三相桥式全控整流电路计算公式 (9)3.2 单闭环直流调速 (9)第四章电路设计和仿真 (10)4.1 电路原理 (10)4.2 参数设定及Matlab的仿真 (11)4.2.1 系统仿真图 (11)4.2.2 系统的建模和参数的设定 (11)4.3 仿真结果 (13)第五章总结 (15)参考文献 (16)第一章概述电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。
比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。
所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。
实验一-单闭环直流调速系统仿真
图2-49 传递函数模块对话框
阶跃时刻， 可改到0 。
阶跃值，可 改到10 。
图2-50 阶跃输入模块对话框
填写所需要 的放大系数
图2-51 增益模块对话框
图2-52
Integrator模块对话框
积分饱和值, 可改为10。
积分饱和值,可 改为-10。
(4)模块连接
以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标至终 点模块输入端处，则在两模块间产生“→”线。
图2-56 无超调的仿真结果
K p 0.8
1 15
系统转速的响应 的超调较大、但 快速性较好。
图2-57 超调量较大的仿真结果
SIMULINK软件的仿真方法为系统设计提 供了仿真平台，可以选择合适的PI参数， 满足系统的跟随性能指标。
在《自动控制理论》课程中讨论了多种PI 调节器的设计方法，MATLAB也为它们的 实现提供了模块。
仿真模型的运行
(1)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮 或选择Simulation→Start菜单项，则可启动仿真过 程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果。
(2)仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果， 需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的 默认值逐一改动。改动的方法有多种，其中一种 方法是选中SIMULINK模型窗口的 Simulation→Configuration Parameters菜单项，打 开仿真控制参数对话框，对仿真控制参数进行设 置。
关于直流电动机调速系统的PI设计，将在 第3章中作详细的论述。
对应额定转速时的给定电压
U
* n
10V
。
图2-45 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
仿真模型的建立
进入MATLAB，单击 MATLAB命令窗口工 具栏中的SIMULINK 图标，
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。
仿真课程设计--PI控制单闭环直流调速系统仿真设计
目 录一、摘要.......................................................... - 3 -二、课程设计任务.................................................................................................................. - 3 -三、课程设计内容.................................................................................................................. - 3 -1、PID控制原理及PID参数整定概述............................................................................. - 3 -2、基于稳定边界法（临界比例法）的PID控制器参数整定算法 ................................ - 5 -3、利用Simulink建立仿真模型...................................................................................... - 8 -4、参数整定过程.............................................................................................................. - 12 -5、调试分析过程及仿真结果描述.................................................................................. - 16 -四、总结.................................................................................................................................. - 17 -五、参考文献......................................................................................................................... - 17 -PI控制单闭环直流调速系统仿真设计班级：自动化 学号： 姓名：一、摘要本文通过利用Matlab仿真平台设计单闭环直流调速系统，，包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink仿真模型，验证所设计系统的性能，通过稳定边界法（临界比例度法）整定PID参数，从而达到较好的控制性能要求，在这种实践的学习和调试中，使学生更系统地掌握所学知识并能够应用运动控制系统设计规范、Matla-simulin建模方法步骤、计算手册和计算机辅助设计软件进行运动控制系统的结构设计和参数计算。
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大连工业大学课程设计（论文）任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2014年12月1日目录一、摘要 (3)二、总体方案设计 (4)1、控制原理2、控制结构图三、参数计算 (6)1、静态参数设计计算2、动态参数设计计算四、稳定性分析 (9)1、基于经典自控理论得分析2、利用MATLAB辅助分析A、利用根轨迹分析B、在频域内分析奈氏曲线：bode图利用单输入单输出仿真工具箱分析用Simulink仿真五、系统校正 (15)1、系统校正的工具2、调节器的选择3、校正环节的设计4、限流装置的选择六、系统验证 (19)1、分析系统的各项指标2、单位阶跃响应3、Simulink仿真系统验证系统运行情况七、心得体会 (21)八、参考文献 (21)一、摘要运动控制课是后续于自动控制原理课的课程，是更加接近本专业实现应用的一门课程。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。
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。
二、总体方案设计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。
所以，设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。
这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。
所以，更具体的原理图如下：图2、单闭环直流调速系统具体原理图2、控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。
图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。
由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。
所以，可以得到如下的框图：图4、单闭环直流调速系统动态结构框图三、参数计算设计完系统框图，就可以用已知的传递函数结合设计要求中给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。
以便于后续步骤利用经典控制论对系统的分析。
为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先列出设计要求中给出的参数及大小：电动机：P N=10kw U N=220v I dN=55A n N=1000rpm R a=0.5Ω晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v K s=44主回路总电阻：R=1Ω测速发电机：P Nc=23.1kw U Nc=110v I dN=0.21A n Nc=1900rpm系统运动部分：飞轮矩GD2=10Nm2电枢回路总电感量：要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续生产机械：D=10 s≤5﹪1、静态参数设计计算Na dN N n CeR I U -=A 、空载到额定负载的速降Δn N由公式：（其中D ，s 已知）得：Δn N ≤5.26rpmB 、系统开环放大倍数K由公式：（由公式 可算出C e =0.1925Vmin/r ）得：K=53.3C 、测速反馈环节放大系数a设：测速发电机电动势系数= U Nc / n Nc =0.0579 Vmin/r当a 2=0.2时，U 测速发电机输出电位器RP 2分压系数a 2 根据经验，人为选定a 2=0.2 则a=C ec a 2=0.01158注：1、a 2正确性的验证：反馈通道的输出用于和给定比较，参照图3的标注，U n 略小于U n ※即可， n =11.58v 满足要求（图1中，3为-， 2为+ ，7要求+，也可验证）2、RP 2的选择主要从功耗方面考虑，以不致过热为原则。
D 、运算放大器的放大系数K p由公式 （其中α即a ）K p ≥20.14取K p =21 （若向小方向取，可能影响快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）此处的近似，使k 由53.3变为55.582、动态参数设计计算在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传函，所以要求出传函并根据已知求的es p C K K K α=)1(e d K C RI n +=)1(N N s n s n D -∆∆=传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。
由图4，得系统开环传函其中,T s 晶闸管装置滞后时间常数T m 机电时间常数 T l ：电磁时间常数○1主电路电感值L 根据要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续。
结合抑制电流脉动的措施中关于L 的讨论，得：公式：其中，整流变压器副边额定相电压（二次相电压）得：L=0.017H○2其他未知参数计算 电磁时间常数机电时间常数对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 T s = 0.00167 s系统传函为：））（（）（1s 075.0s 001275.01s 00167.058.55s W 2+++=s075.01925.0301925.03750.110375m e 2m =⨯⨯⨯⨯==πC C R GD T s 017.00.1017.0===R LT l V 8.1323230322===l U U mind 2693.0I U L =)1)(1()(m 2m s +++=s T s T T s T Ks W l四、稳定性分析稳定是系统首要的条件，一切的分析只有建立在稳定的基础上才有意义。
1、基于经典自控理论得分析根据系统闭环传函特征方程应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是代入整理得：或所以：把所得参数代入就是说，k 小于49.4系统才稳定。
但是，按稳态调速性能指标要求计算出的要K ≥53.3 它们是矛盾的。
所以，当前的系统是不满足要求的。
2、利用MATLAB 辅助分析设计使用MATLAB 版本：7.2.0.232 （R2006a ）4.49)(s 2s s m =++<T T T T T T K l l s2s s m )(T T T T T T K l l ++<ss m s )1())((T T K T T T T l l +>++0111)(sm s m s m >+-++⋅++K T T T K T T K T T T l l 0000030213210>->>>>a a a a a a a a ，，，，0111)(1sm 2s m 3s m =++++++++s KT T s K T T T s K T T T l l 111)(1)1()1)(1(/1)1)(1(/)(s m 2s m 3s m e s p m 2m s e s p m 2m s e s p c +++++++++=+++++++=s K T T s K T T T s K T T T K C K K s T s T T s T C K K s T s T T s T C K K s W l l l l l α【Simulink V7.2 Control System Toolbox V7.0】A、利用根轨迹分析系统传函可化为w=26123577/((s+20.4)*(s+38.5)*(s+600)){此处对原传函稍作近似，把原传函s2系数由0.001275近似为0.001275，即可得到本传函} ○1化成LTI标准型传函程序：k=26123577;d=conv(conv([1 20.4],[1 38.5]),[1 600]);------------------卷积函数s1=tf(k,d) ---------------------------------------------------------化成LIT标准型函数运行结果：○2求零极点：程序：num=[2.612e007];den=[1 658.9 3.613e004 2.659e007];[z,p,k]=tf2zp(num,den) ------------------------------------------解出零极点运行结果:显然，在虚轴右半面有极点系统不稳定○3绘制根轨迹:程序：k=26123577;d=conv(conv([1 20.4],[1 38.5]),[1 600]);s1=tf(k,d);rlocus(s1) -----------------------------------------------------------------绘制根轨迹函数运行结果:上图右下方极点放大图从根轨迹图上很直观地看到位于在虚轴右半面有极点，系统不稳定。
B、在频域内分析○1奈氏曲线：程序：k=26123577;d=conv(conv([1 20.4],[1 38.5]),[1 600]);s1=tf(k,d);figure(1);nyquist(s1)运行结果：→○2bode图程序：k=26123577; d=conv(conv([1 20.4],[1 38.5]),[1 600]);s1=tf(k,d);figure(1);bode(s1);margin(s1);grid运行结果：→所得参数：利用单输入单输出仿真工具箱分析rltool和sisotool命令都能调用单输入单输出仿真程序，只是rltool仅通过根轨迹来分析，sisotool还包括bode图。
菜单Designs Edit compensator 可修改增益，修改的值为当前增益的倍数（图5）。
图图6 图5K=21时的阶跃响应：图6菜单tools下可以直接调出输出波形，可见系统振荡（图7）。
图7○4用Simulink仿真图8 Simulink仿真连接图输出示波器波形：很明显系统振荡（由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的）图9、当前系统输出曲线五、系统校正为了满足要求，还保证系统的稳定性，一般采用加调节器校正的方法来整定系统。
1、系统校正的工具在设计校正装置时，主要的研究工具是Bode图，即开环对数频率特性的渐近线。