单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真(一)资料
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设计与Matlab仿真(一)资料
一、单闭环直流调速系统的设计与课题：仿真（一）Matlab：者作学号：专业：：班级：指导教师1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2目录摘要 (2)一、设计任务 (4)1、已知条件 (4)……………………………………………………………… 4 2、设计要求二、方案设计 (5)1、………………………………………………………………5 系统原理2、……………………………………………………………6 控制结构图三、参数计算 (7)四、PI调节器的设计 (9)五、……………………………………………………11 系统稳定性分析六、小结 (12)七、参考文献 (13)3一、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。
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，整流触发装置的放大系数Ks=44，三相桥平均失控时间Ts=0.00167s。
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。
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。
单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真
目录目录 ............................................................................................................................................................... - 1 -1 绪论 ......................................................................................................................................................... - 2 -1.1 直流调速系统概述................................................................................................................... - 2 -1.2 MATLAB简介 ......................................................................................................................... - 3 -2 直流电动机的降压调速.......................................................................................................................... - 4 -2.1 直流电动机构成......................................................................................................................... - 4 -2.2 直流电机励磁方式................................................................................................................... - 4 -2.3 直流电动机工作原理............................................................................................................... - 4 -2.4 直流电动机的降压调速........................................................................................................... - 5 -3 单闭环直流调速系统 ............................................................................................................................. - 6 -3.1 V-M系统简介 .......................................................................................................................... - 6 -3.2 三相桥式全控整流电路........................................................................................................... - 6 -3.3 闭环调速系统的组成............................................................................................................... - 7 -4 电路设计和仿真 ..................................................................................................................................... - 8 -4.1 电路原理 .................................................................................................................................. - 8 -4.2 系统的建模和参数设置........................................................................................................... - 9 -4.3 仿真结果 ................................................................................................................................ - 17 -结论 ......................................................................................................................................................... - 18 -小组分工 ..................................................................................................................................................... - 18 -附录 ............................................................................................................................................................. - 19 -1 绪论直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，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使用。
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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 (4)2、设计要求 (4)二、方案设计 (5)1、系统原理 (5)2、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)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，整流触发装置的放大系数Ks=44，三相桥平均失控时间Ts=0.00167s。
2、设计要求：（1）生产机械要求调速范围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γ=45o，剪切频率ωc≥35.0rad/s，超调量σ≤30%，调节时间ts≤0.1s1、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：根据已知参数计算如下：1、为了满足D=15，s ≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降为： min /26.5min /)05.01(1505.01500)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2、根据错误!未找到引用源。
cl n ∆，求出系统的开环放大系数先计算电动机的电动势系数r V r V n R I U C N a N N e min/1383.0min/1500)15.12220(⋅=⨯-=-= 则开环系统额定速降为min /11.262min /1383.09.25.12r r RI n c e N op =⨯==∆ 闭环系统的开环放大系数应为83.48183.49126.511.2621=-=-≥-∆∆=cl opn n K 3、计算测速反馈系数：Un=k-△UnUn*-Un=△Un带入已知条件K=83.48，Un*=10V 得Un=9.8V所以反馈系数a=nnom Un =15008.9=0.0065 4.计算运算放大器的放大系数和参数 6.23440065.01383.083.48=⨯⨯≥=s e p K KC K α 实取错误!未找到引用源。
6.23=p K按运算放大器参数，取错误!未找到引用源。
Ω=K R 400则 错误!未找到引用源。
Ω=Ω⨯==K K R K R p 945406.23015.反馈电压V V n U N n 75.90065.01500=⨯=⨯=α6．系统中各环节的时间常数：电磁时间常数 s R L T l 0138.09.204.0=ΩΩ==电机时间常数s s C C R GD T m e m 0635.01383.0301383.03759.25.13752=⨯⨯⨯⨯==π对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为 s T s 00167.0=为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件75.4200167.00138.000167.0)00167.00138.0(0635.0)(22=⨯++⨯=++<s l s s l m T T T T T T K =Kcr 按稳态调速性能指标要求K>Kcr ，因此，此闭环系统是不稳定的。
四、PI 调节器的设计由于闭环系统不稳定，利用伯德图设计PI 调节器，使系统在保证稳态性能要求下稳定运行。
原始系统的开环传递函数为)1)(1()(2+++=s T s T T T K s W m l m s 由上已知，，，s T s s T m s 0635.00138.0T 00167.0l ===在这里，l m T T 4>，因此分母中的二次项12++s T s T T m l m 可分解成两个一次项之积，即)10203.0)(10432.0(10635.00008763.0122++=++=++s s s s s T s T T m l m 则闭环的开环放大系数取为80.481383.00065.0446.23=⨯⨯==e s p C K K K α 于是，原始闭环系统的开环传递函数是W(s)=)10167.0)(10203.0)(10432.0(8.48+++S S S 三个转折频率分别为：W1=1/T1=1/0.0432=23.11-sW2=1/T2=1/0.0203=49.31-sW3=1/T3=1/0.0167=6001-s利用margin 命令函数n1=[0 48.8]; d1=[0.0432 1]; s1=tf(n1,d1);n2=[0 1];d2=[0.0203 1];s2=tf(n2,d2);n3=[0 1];d3=[0.00167 1];s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始的闭环调速系统的频率特性如下图而20lgK=20lg48.8=33.77dB因为相角裕度和增益裕度GM 都是负值，所以原始闭环系统不稳定。
现在换成PI 调节器，它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为 sK s K s W K p pi pi p ττ1)(1+= 2112221122112lg 20)(lg 20lg 40lg 20lg 20ωωωωωωωωωωωc c c K ==+= 所以1121174.2353.491.238.48--=⨯⨯==s s K c ωωω 取dB s s T s T K c c pi 30L L ,40,3.491,0432.021121221=-===<==--则取为了使ωωτ 所以75.06.316.23K ,6.23K ,6.31,30lg 20=====pi p Pi p pi pK K dB K K 所以已知 0576.075.00432.01===pi K T τ 于是，PI 调节器的传递函数为ss s W pi 0576.010432.0)(+= 最后，选择PI 调节器的阻容参数。
已知Ω=K R 400，则F K K R K R pi μτ44.1400576.0R C K 30R 304075.001101===Ω=Ω=Ω⨯==，，取 那么校正后的动态图如下：五、系统稳定性分析由Simulink 的动态模型绘制校正后系统Bode 图【A,B,C,D 】=linmod(‘mx009B ’);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统Bode 图如下：相角裕度γ=45deg 和增益裕度GM=23.2dB 都是正值，所以原始闭环系统稳定。
由Simulink 的动态模型绘制校正后系统单位阶跃响应曲线【A,B,C,D 】=linmod(‘mx009B ’);S0=ss(A,B,C,D);S1=tf(s0);Step(s1);运行程序后绘制系统单位阶跃响应曲线如下：六、心得体会经过这次的课程设计，我学会了很多平时没有接触的知识。
已掌握的自动控制知识在本次实践中得到了充分的发挥。
在和同学合作的过程中，我也充分体会到了团结协作的重要性。
完成了本次课程设计。
经过这次课设，我学习并掌握了自动控制的基本工作原理，了解了基本知识，拓展了知识面。
温故知新，收获蛮多。
这次设计尚存在很多缺点和不足，希望老师批评指正。
设计过程中，涉及的MATLAB仿真技术，使自控原理中的各参数得以更直观的反映，更重要的是MATLAB为系统设计与整定提供了一个十分强大而简便的工具，帮助我们解决了复杂运算、测绘等问题，使设计者更加集中精力解决相关的控制问题，也使控制过程的脉络更加清晰。
七、参考文献[1] 电力拖动控制系统陈伯时[2] 自动控制原理胡寿松[3] 控制系统Matlab计算及仿真实训[4] 电力电子及其变流技术黄俊。