第四章 MATLAB与交直流调速系统仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真引言本文将介绍如何利用MATLAB进行直流调压调速控制系统的仿真，并对系统的性能进行分析和优化。
我们将对直流调压调速控制系统的原理进行简要介绍，然后利用MATLAB进行仿真分析，最后对仿真结果进行评估和优化。
直流调压调速控制系统原理直流调压调速控制系统通常由直流电源、整流器、电动机、控制器和负载组成。
整流器将交流电源转换为直流电源，控制器通过对电动机的电流和电压进行调节，实现对电动机的调压调速控制，从而达到满足负载的要求。
MATLAB仿真分析在MATLAB中，对直流调压调速控制系统进行仿真分析，可以使用Simulink工具箱来模拟实际系统的行为。
Simulink提供了丰富的模块和函数，用户可以方便地构建控制系统的模型，并对系统的性能进行仿真和优化。
我们需要建立直流调压调速控制系统的模型，包括直流电源、整流器、电动机、控制器和负载。
控制器的设计是关键，它需要根据负载要求和环境条件对电动机进行调压调速控制。
在Simulink中，用户可以通过对模块的连接和参数的设定，快速构建控制系统的模型，并对系统的性能进行仿真。
接下来，我们需要对仿真结果进行分析，包括电动机的输出转速、输出转矩和功率等性能指标。
通过对这些性能指标的分析，可以评估控制系统的稳定性和效率，并对系统的参数进行优化。
仿真结果评估和优化在仿真过程中，我们可以对控制系统的参数进行调节和优化，以提高系统的稳定性和效率。
可以对控制器的参数进行调节，以实现对电动机的更精准的调压调速控制；也可以对整流器和负载的参数进行调节，以提高系统的整体性能。
还可以通过引入反馈控制和预测控制等先进的控制策略，对控制系统进行优化。
可以根据负载的变化和环境的变化，动态调整控制器的参数，实现对系统的实时优化。
我们需要对优化后的控制系统进行再次仿真分析，以评估优化效果。
通过对优化后的系统性能的评估，可以确定控制系统是否满足负载的要求，并产生良好的控制效果。
直流调速系统的MATLAB仿真参考程序汇总
直流调速系统的MA TLAB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供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的U L c ，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
该系统的仿真控制角模型如图2所示。
L++GTUCRE d--开环直流调速系统电气原理图图1图2 直流开环调速系统的仿真模型L?0，直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U 决定，移相特性的数学表达式为移相控制信号c???90?min U?90??c U cmax 1??。
在直流电动机的负载，所以，在本模型中取U?10V6??30?90U?ccmaxmin转矩输入端用Step模块设定加载时刻和加载转矩。
T L仿真算例1已知一台四极直流电动机额定参数为，，136AIU?220V?NN22。
励磁电压，励磁电，，220VminUR?0.2??1460rn?/m?22.5NGD?fNa流。
采用三相桥式整流电路，设整流器内阻。
平波电抗器??1.5A0.3RI?recf。
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20mHL?d n、电磁转矩、电枢电流和起动后加额定负载时的电机转速及电枢电压的uTi ded变化情况。
220V?U N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U?RI220?0.3?136NNrec130(V)U???2?2.34?cos302.34cos?min②电动机参数励磁电阻：U220f)146.7(?R???f I1.5f励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
电枢电阻：?0.2R?a电枢电感由下式估算：CU0.4?220N?19.1?L?19.1?0.0021(H)a2pnI2?2?1460?136NN L：电枢绕组和励磁绕组间的互感af U?RI220?0.2?136NNa?K?0.132(V?min/r)?e n1460N 2 6060K??0.132?K?1.26eTπ2π2K1.26T0.84(H)??L?af1.5I f电机转动惯量222.5GD2 )??0.57(kg?mJ?9.814?4g 额定负载转矩③模块参数名参数，直流电动机空载起动，5.0s3）设置仿真参数：仿真算法odel5s，仿真时间m171.4N??T 。
第四章 MATLAB与交直流调速系统仿真
根据是否把系统输出信号进行反馈并参与控制而将自动控制系 统又分为开环控制系统和闭环控制系统。
第4章 MATLAB与交直流调速系统仿真
4.1.2控制系统的技术指标与要求
控制系统的技术指标通常分为静态指标和动态指标两大类。
1、静态指标 ⑴调速范围 生产机械要求电动机在额定负载时提供的最高转速 nmax与最低转速nmin之 比叫做调速范围，表示为: D n max / n min
第4章 MATLAB与交直流调速系统仿真
直流电动机I的状态空间表达式为：
x1 40 x 2 0 . 00144
y 0 x1 1 x2
92 . 5 x 1 500 0 x2 0
第4章 MATLAB与交直流调速系统仿真
查看此模型方法是通过选择电机模型，在右键弹出式菜单中，点击Look under mask，即可实现。
第4章 MATLAB与交直流调速系统仿真
4.3 直流调速系统与MATLAB 仿真实现
4.3.1直流调速系统控制方案
根据电动机的转速表达式：
n
u d id R d Ce
第4章 MATLAB与交直流调速系统仿真
MATLAB与交直流调速系统仿真
第4章 MATLAB与交直流调速系统仿真
4.1控制系统及控制技术指标与要求
4.1.1 自动控制和自动控制系统介绍
自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对 象，如机器设备、生产过程中的速度、温度、压力等物理量自动 的按照预定规律运行或变化的处理过程。并将这种能对被控制对 象的工作状态进行自动控制的系统称为自动控制系统。
输出方程
0 . 185 1 3 x 1 3 2 10 u 2 10 x 2 0 0
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F＋和F-:此端子为直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极与负极； A＋和A-: 电动机电枢回路控制端； TL：电动机的负载转矩信号输入端；
m: 电动机信号的测试端，包括转速w(rad/s),电枢电流Ia（A）， 励磁电流If（A），电磁转矩Te（N.m）。
W ( s ) X X c r T d T m s 1 2 C T e m s 1 0 . 0 1 0 2 . 0 8 . s 1 2 5 0 . 8 8 s 1 5 0 . 0 s 2 5 . 4 2 0 . 8 s 1 1 W (s) 5 .41 2.7 50
0 .0s2 2 0 .8 s 1s24s 050
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3、直流电动机数学模型的状态空间表达式实现
xx12200 .1.108083 125
20.0118035xx12021103u
x x 1 20.0 40014904 .5 2x x1 25 00u0
输出方程
y 0
1
x1 x2
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直流电动机1的状态空间表达式为：
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王忠礼 段慧达 高玉峰编著
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4.MATLAB与交直流调速系统仿真
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1 MATLAB基本知识
•4．1控制系统及控制技术指标与要求
4.1.1自动控制和自动控制系统介绍 自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对 象，如机器设备、生产过程中的速度、温度、压力等物理量自动 的按照预定规律运行或变化的处理过程。并将这种能对被控制对 象的工作状态进行自动控制的系统称为自动控制系统。
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”。
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真1. 引言1.1 研究背景直流调压调速系统作为电力电子领域中的重要研究方向，其控制技术的研究一直备受关注。
随着工业自动化的发展和能源需求的增加，直流调压调速系统在工业控制和电力传输中发挥着重要作用。
传统的直流调压调速系统在控制精度、响应速度和稳定性方面存在一定的不足，因此需要不断改进和优化。
在这样的背景下，基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真研究变得尤为重要。
利用MATLAB这一强大的工具，研究人员可以对系统进行建模、设计控制器、分析系统稳定性并进行仿真验证，从而实现对系统性能的优化和提升。
本文旨在通过对直流调压调速控制系统的建模、PID控制器设计与仿真、系统稳定性分析、参数优化与性能评价以及系统仿真结果分析等方面进行研究，进一步探讨如何通过MATLAB工具来实现直流调压调速系统的优化和控制。
希望通过本文的研究，能够为直流调压调速系统的控制技术研究提供一定的参考和借鉴，促进该领域的发展与进步。
1.2 研究目的直流调压调速控制系统是电气工程中常见的控制系统，在工业生产和实验研究中有着广泛的应用。
研究的目的在于通过MATLAB进行仿真，探究系统的建模、PID控制器设计、系统稳定性分析、参数优化以及性能评价等方面的问题。
通过深入研究直流调压调速控制系统的各种特性及其影响因素，可以更好地理解控制系统的工作原理和性能特点，为实际工程应用提供指导。
通过仿真实验，可以降低实验成本、提高实验效率，并能够在设计过程中进行多次调试和优化，从而得到更加理想的控制效果。
研究直流调压调速控制系统的仿真具有重要的现实意义和理论价值。
通过本研究的深入探讨，不仅可以加深对控制系统理论的理解，还可以为工程实践提供有益的借鉴和指导。
1.3 研究意义直流调压调速控制系统作为工业控制领域中的重要组成部分，其研究具有重要的理论价值和实际应用意义。
首先，在工业生产中，直流调压调速控制系统广泛应用于电动机、风电变流器、UPS电源等设备中，能够实现对电压和速度的精确控制，提高设备的运行效率和稳定性。
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真直流调压调速控制系统是一种常见的工业控制系统，广泛用于电力系统、电机驱动系统等领域。
MATLAB是一种功能强大的数学软件，可以用于建立系统的数学模型，进行仿真和控制算法的设计。
在直流调压调速控制系统中，主要包括两个部分：调压环节和调速环节。
调压环节用于控制直流电压的大小，而调速环节则用于控制直流电机的转速。
需要建立直流调压调速系统的数学模型。
以调压环节为例，可以根据直流调压系统的电路特性，建立其数学模型。
假设直流调压调速系统的输入电压为Vin，输出电压为Vout，输入电流为Iin，输出电流为Iout，则可以得到以下数学模型：Vout = K1 * Vin - K2 * IoutK1和K2分别为系统的增益参数。
接下来，需要设计调压环节的控制算法。
常见的控制算法包括比例控制、积分控制和PID控制。
假设调压环节的控制信号为U，设定电压为Vref，则可以得到以下控制算法：U = Kp * (Vref - Vout) + Ki * ∫(Vref - Vout)dt + Kd * d(Vref - Vout)/dtKp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分参数。
然后，可以使用MATLAB进行系统仿真。
需要在MATLAB中定义系统的参数和控制算法。
然后，可以使用SIMULINK工具箱来建立系统的模型，连接各个模块，并设置输入电压和负载。
可以运行模型，观察系统的输出结果，评估系统的性能。
在仿真过程中，可以根据不同的需求和控制策略，调整系统的参数和控制算法，进行参数优化和性能改进。
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真可以帮助工程师和研究人员进行系统设计和性能评估，提高系统的稳定性和可靠性。
通过仿真还可以节省成本和时间，快速验证和优化控制算法。
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真
基于MATLAB的直流调压调速控制系统的仿真一、直流调压调速控制系统的基本原理直流调压调速控制系统通常由电源模块、调速器、电流反馈回路、转速反馈回路以及电机等组成。
其基本工作原理是通过电源模块提供不同的电压和电流输入，调速器根据控制信号对电源模块进行控制，实现对电机的调速和调压。
电流反馈回路和转速反馈回路则可以实时监测电机的电流和转速，并将监测到的信号反馈给调速器，以实现闭环控制。
在实际应用中，一般会根据具体的需求，设计不同的调速、调压算法和控制策略，以实现系统的高性能和稳定性。
1. 模型建立我们需要建立直流调压调速控制系统的MATLAB仿真模型。
在Simulink中，我们可以按照实际系统的组成，分别建立电源模块、调速器、电流反馈回路、转速反馈回路和电机等部分的仿真模型。
在建立模型的过程中，我们需要考虑各个部分之间的耦合关系、传递函数以及控制算法和策略等因素，以建立一个真实可靠的仿真模型。
2. 参数设置在建立模型之后，我们需要对各个部分的参数进行设置。
这些参数包括电源模块的输出电压和电流、调速器的控制信号、电流反馈回路和转速反馈回路的传感器参数、电机的参数等。
在设置参数的过程中，我们需要根据实际系统的要求，进行合理的选择和调整，以保证仿真的准确性和有效性。
3. 仿真验证完成模型建立和参数设置之后，我们可以进行仿真验证。
在仿真过程中，我们可以输入不同的电压和电流信号，观察系统的输出电流和转速，并通过对比实际数据，验证仿真模型的准确性和有效性。
我们还可以对系统的性能和稳定性进行评估和优化，以提高系统的控制精度和响应速度。
4. 控制策略优化在仿真验证的基础上，我们还可以对系统的控制策略进行优化。
通过改变调速算法、调压策略和闭环控制方法等参数，在仿真环境中对系统的性能和稳定性进行评估和对比，以达到系统优化的目的。
结论通过MATLAB的Simulink工具，我们可以方便地建立直流调压调速控制系统的仿真模型，并对系统的性能和稳定性进行评估和优化。
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起动电阻的阻值要根据电动机的参数和起动具体要求进行选择，阻值过大 会延长起动时间，而阻值过小又起不到限流作用。
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4.2异步电机模型
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异步电动机模型:标幺制和国际单位制
其电气连接和功能分别为： • A、B、C：交流电机的定子电压输入/输出端子，可直接连接三相 电压； • Tm：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机械负载； Tm>0，为电动机；Tm<0，为发电机。 • a、b、c：绕线式转子输出电压端子，一般短接在一起或者连接到 其它附加电路中，而鼠笼式电机无此输出端子； • m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内 部信号，或引出反馈信号。
先将电机初始状态各值 设为0，或任意数值。
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（5）电机测量信号分配模块 SimPower Systems>>Mechines>>Machines Measurement Demux
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（6）阶跃模块： Simulink>>Sources>>Step
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4.MATLAB在电机学中应用
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4.1 直流电动机模型
4.2.1直流电动机介绍
直流电动机是一种将直流电能转换成机械能的装置。 优点：启动转矩大，调速范围宽，在轧钢机、电力机车的等方面有一定的应用。 缺点：由于其带有机械换向器，比交流电动机结构复杂，生产运行成本较高， 逐步被交流电动机所取缔。
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（3）三相电压、电流测量元件： SimPower Systems>>Measurements>>Three Phase V-I Measurement
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（4）异步电动机： SimPower Systems >>Machines >>Asynchronous Machine
1.使用模块 (1)直流电动机(DC-Motor) （2）直流电压源（E、Ef） 模块取自SimPowerSystems工具箱 中的Electrical Sources库里的DC voltage source模块。直流电压E为 直流电机的电枢回路电压，直流 电压Ef直流电机的励磁电压，二 者参数（Amplitude）设置为240。
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直流电动机模型
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F＋和F-：直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源 的正极与负极； A＋和A-：直流电动机电枢回路控制端，与电机电枢绕组相连； TL：直流电动机的负载转矩信号输入端； m：直流电动机测量信号的输出端，包括转速ω(rad/s)，电枢 电流Ia（A），励磁电流If（A），电磁转矩Te（N· m）。
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1.使用模块 （1）简化的同步发电机
•根据功率和线电压计算出阻抗基准值为99.225。 •电机的初始状态各值可以先默认为0，或其他任意数值。
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（2）可编程三相电源
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（3）三相电压、电流测量元件
•不加该元件，仿真时会报错。
（4）电机测试信号分配器
图 起动变阻箱的电路模型
图 创建的子系统
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1.使用模块 （1）断路器（Breaker）
断路器取自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的Breaker模块
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（2）调速电阻 调速电阻选自SimPowerSystems工具箱中的Elements库里的series RLC branch模块。 （3）断路器控制信号（Step） 断路器通断控制采用阶跃信号与模块的控制端连接实现。
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2.仿真结果
1400
40
1200
35
1000
30
800
25
600
20
400
15
200
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
图 电机转速波形
图 电机电枢电流波形
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80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
图 电磁转矩波形
（7）powergui模块
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2.仿真参数设置 •双击powergui模块，打开潮流和电机初始化窗口。
输入仿真起始时，电 机的机械功率
对电机的初始状态进 行初始化
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•初始化完毕之后的电机参数对话框
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•仿真时间、算法、步长设置
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标幺制简化同步电机的参数设置
三相额定视在功 率、额定线电压 有效值、额定频 率
惯性时间常数 H、阻尼系数 Kd、极对数p
内部阻抗，R可等 于0，但X应大于0
初始条件：初始角速度 偏移、转子初始角位移 、线电流幅值、相角
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国际单位制简化同步电机的参数设置
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简化同步电机模块：忽略电枢反应电感、励磁和阻尼绕组的漏感，仅由理想电 压源串连RL组成。
输入电机的机 械功率
电机内部电源 电压
标幺值形式 国际单位制形式
其电气连接和功能分别为： • A、B、C：电机的定子电压输出/输入端子，可直接连接三相电压； • Pm：施加在电机轴上的机械负载功率，Pm>0，发电机；Pm<0，电动机； • E：电机内部电压； • m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或 引出反馈信号。
800 700 600 500 400 300 200 100 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
图 电磁转矩波形
从仿真结果可以分析：转速能够在较短的时间内达到稳定，但起动电流冲 击很大，同时电磁转矩的冲击也很大。
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例2.直流电动机分级起动
由于直流电动机直接起动电流过大，为了限制起动电流，通常在电源和电动机之 间加上起动变阻箱。 起动变阻箱由三个电阻组成，在每个电阻两端并联一个理想开关，通过设置开关 不同的导通时间，来切除电阻。起动瞬间，三个开关全部断开，此时电阻全部接 入。一定时间后，第一个开关导通，相应地第一个电阻被切除。依此类推，达到 限制电流和保证电磁转矩的目的。
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2.仿真参数设置
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3.仿真结果
1400
450 400
1200
350
1000
300
800
250 200 150
600
400
100
200
50
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
图 电机转速波形
图 电机电枢电流波形
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3.仿真结果
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4.3同步电机模型
同步发电机原理： 定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组；转子上装有励磁绕组， 当原动机把同步发电机拖动到额定转速后，励磁绕组中通入直流励 磁电流，此时在电机的气隙中就会产生磁通。该磁通切割定子绕组， 若定子绕组开路，定子绕组中无电流，发电机端电压即为绕组中的 感应电动势，称为空载电动势 。 E0
电机测试信号分配器
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电机测试信号分配器参数设置
• ir_abc：转子电流ira,irb,irc； • ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流 ir_q和d轴下的转子电流ir_d； • phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通 phir_q和d轴下的转子磁通phir_d； • vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压 vr_q和d轴下的转子电压vr_d； • is_abc：定子电流isa,isb,isc； • is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流 is_q和d轴下的定子电流is_d； • phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通 phis_q和d轴下的定子磁通phis_d； • vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压 vs_q和d轴下的定子电压vs_d； • wm：电机的转速wm； • Te：电机的电磁转矩Te； • Thetam：电机转子角位移Thetam。 MATLAB应用技术
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例1.直流电动机直接起动
直流电动机直接起动时，起动电流很大，可达额定电流的10~20倍，由此产生很 大的冲击转矩，在实际运行中不允许直流电动机直接起动。 使用Simulink对直流电动机的起动过程建立仿真模型，通过仿真获得直接起动电 流的过程和电磁转矩的过程。
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直流电动机的参数设置 •Armature resistance and inductanceRa (ohms) 和 La(H)：电枢电阻和电感； •Field resistance and inductanceRf (ohms) 和Lf(H)： 励磁回路电阻和电感 •Field-armature mutual inductanceLaf (H)：电枢与 励磁回路互感； •Total inertia J (kg.m^2) ：电机转动惯量(kg.m^2) ； •Viscous friction coefficient Bm (N.m.s)：粘滞摩擦 系数(N.m.s)； •Coulomb friction torque Tf (N.m)： 静摩擦转矩 (N.m)； •Initial speed (rad/s)：初始速度。