实验三 转速负反馈闭环调速系统的仿真
转速闭环转差频率控制的调速系统仿真
转速闭环转差频率控制的调速系 统仿真
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演讲人姓名
一、转差频 率控制的特 点
s
在ωs<<ωsm的范围内， 保持气隙磁通不变的前提 下，通过控制转差频率来 控制转矩。
在不同的定子电流值时，按下图所示关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。
⑵加载过程
假定系统处于稳定运行状 态，负载转矩突然增大， 负载转矩作用下，转速ω 开始下降，在内环的作用 下使定子频率ω1开始下降， 但在外环的作用下使转差 频率ωs上升，定子频率 ω1上升，电磁转矩Te增大， 转速回升。
4、仿真 结果
在仿真结果中，图 a - d反映了在起动和加载过程中，电动 机的转速、电流、电压和转矩的变化过程，在起动中逆变器 输出电压(线电压)逐步提高，转速上升，但是电流基本保持 不变 35A ，电动机以给定的最大电流起动。在 0.39s 时， 转速稍有超调后稳定在 1400r/min ，电流也下降为空载电 流，逆变器输出电压也减小了。电动机在加载后，电流和电 压迅速上升，电动机转矩也随之增加，转速在略经调整后恢 复不变。
转矩上升：在t=0时，突加给定，转速调节器ASR很快进入饱和，输出 为限幅值ωsmax,电流与转矩快速上升。
恒转矩升速：当t=t1时，电流达到最大值，启动Байду номын сангаас流等于最大允许电流， 理论分析
启动转矩等于最大允许转矩；接下来电动机在最大转矩下加速运行。
启动过程
转速调节：当t=t2时，转速ω达到给定值，转速略有超调后ASR退饱和， 转速达到稳定值。
202X
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转速反馈单闭环直流调速系统Matlab仿真
计算机仿真技术作业一——转速反馈单闭环直流调速系统仿真*名：***班级：电气1102学号： ********日期： 2014年5月4日指导老师：***北京交通大学计算机仿真技术作业一题目：转速反馈单闭环直流调速系统仿真直流电机模型框图如下图所示，仿真参数为R=0.6Ω，T l=0.00833，T m=0.045，Ce=0.2。
本次仿真采用算法为ode45，仿真时间5s。
图1 直流电机模型1、开环仿真：用simulink实现上述直流电机模型，直流电压U d0取220V，time n 转速times静差率仿真算法为ode230.511.522.533.544.55time n 转速times静差率选择仿真算法ode23时，在2.5s 之后转速发生小幅度震荡，后来趋于稳定,运算时间和精度相差不大 2、闭环仿真：在上述仿真基础上，添加转速闭环控制器，转速指令为1130rpm ，0~2.5s ，电机空载，即I d =0；比例环节：Kp=4 2.5s~5s ，电机满载，即I d =55A 。
比例环节：Kp=4(1)控制器为比例环节：试取不同k p 值，画出转速波形，求稳态时n 和s 并进行比较。
在Simulink 中建立系统模型如下图所示time times静差率Kp=1Kp=2时转速n 稳态值为5784rpm ，静差率s 稳态值为-4.0609time ntimes静差率Kp=2Kp=4时转速n 稳态值为5827rpm ，静差率s 稳态值为-4.0982time n转速Kp=4times静差率Kp=4Kp=5时转速n 稳态值为5835rpm ，静差率s 稳态值为-4.1054time ntimes静差率Kp=5记录数据如下表所示结论:由图像可得，Kp 越大，转速n 超调量越大(2)控制器为比例积分环节，设计恰当的k p 和k I 值，并与其它不同的k p 和k I 值比较，画出不同控制参数下的转速波形，比较静差率、超调量、响应时间和抗扰性。
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
即可得 ASR 的比例系数为K n =
= 2×3×0.01×0.18×0.02666 = 7.71
4×0.0236×0.196×0.12
二、电流环的仿真
电流环的仿真模型如图所示，其中晶闸管整流装置输出电流可逆。
3
在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（Saturation） ，它来自于 Discontinuities 组， 双击该模块， 把饱和的上 下界参数分别设置为本 例题的限幅值+10 和-10， 如图所示。 在 按 工 程 设 计 方法 设计电流环时， 暂不考虑 反电动势变化的动态影 响， 而在如图所示的电流 环的仿真模型中， 已经把 反电动势的影响考虑进 去， 它可以得到更真实的 仿真结果。 选中 Simulink 模型窗 口 的 Simulation→Configuratio n Parameters 菜单项， 把 Start time 和 Stop time 栏目分别填写为 0.0s 和 0.5s。 启动仿真过程， 启动 Scope 工具条中的自动刻度调整示波器模块所显示的曲线，得到如下图所示曲线。 如上图的 PI 蚕食是根据题中计算结果设定的，参数关系是 KT=0.5。在此基础上利用仿 真模型， 可以观察 PI 参数对跟随性能指标的影响趋势， 找到符合工程要求的更适合的参数。
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，设计者要选择 ASR 和 ACR 两个调节器的 PI 参数，有效的方法是使用调节器的工程设计方法。 工程设计是在一定的近似条件下得到的，再用 MATLAB 仿真软件进行仿真，可以根据仿 真结果对设计参数进行必要的修正和调整。
一、转速、电流反馈控制直流调速系统仿真框图及参数
带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真
黑龙江科技大学电气与控制工程学院M a tｌa b考试论文题目带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真专业自动化姓名班级学号２０13年12 月 03日带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真摘要:为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。
而在对调速指标要求不高的场合,采用单闭环即可。
闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端,与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号;能自动调节输入量，能提高系统稳定性。
在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机,但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。
MAＴＬＡB仿真在科学研究中的地位越来越高，本文就简单的带转速负反馈的有静差直流调速系统这个例子,通过对MＡTLＡB的仿真,改变Ｕn*、Kｐ得到不同的仿真结果。
通过对仿真结果的对比,从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。
关键词：直流调速单闭环稳态精度比例调节MATLAB仿真1引言直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。
在20世纪６0年代,随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。
晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。
尽管目前交流调速的迅速发展,交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。
但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场,并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。
现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点,但基本控制原理有其共性。
长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。
具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。
电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。
额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =7.2V 。
系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。
试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 以内)和转速反馈系数α。
（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。
（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。
给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。
（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。
并与仿真结果进行对比分析。
（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。
（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。
（一）实验参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。
转速反馈单闭环直流调速系统仿真
实验一、转速反馈单闭环直流调速系统仿真一、实验内容：直流电机模型框图如下图所示，仿真参数为R=0.6，T l=0.00833，T m=0.045，Ce=0.1925。
本次仿真采用算法为ode45，仿真时间5s。
1.开环仿真：用Simulink实现上述直流电机模型，直流电压U d0取220V，0~2.5s，电机空载，即I d=0；2.5s~5s，电机满载，即I d=55A。
画出转速n的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n以及静差率s。
改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等）。
实验步骤：（1）按照上图把电机模型建立好，其中u d0设置为常数，并把其幅值设置为220，把其它相应的环节也设置好。
把I d设置为“阶跃信号”，且在0~2.5s之间其幅值为0，而2.5~5s之间其幅值为55，在对系统中其它参数进行设置。
为了观察输出地波形，在输出处接上一个示波器。
（2）对仿真模式进行设置，系统默认的仿真算法为ode45,只需要把仿真时间设置为5s即可。
（3）对系统进行仿真。
仿真结果：（1）仿真算法为ode45:图1 上图即为电机转速的仿真结果图，同图上我们可以看出来分为了两个阶段，其中第一个阶段（0~2.5s）为空载转速，第二阶段（2.5~5s）为满载转速。
空载转速为1142n/min。
在2.5s时加入了负载，通过仿真结果我们可以看出来，负载转速为972n/min。
这可以看出来在加入负载之后，电机的转速开始下降。
根据电机转差率的公式s=（n0-n）/ n0=(1142-972)/1142=0.149。
转差率还是比较小的，说明该电机效率比较高。
通过观察该仿真的时间，其运算时间为T=9.134*10^-7s。
（2）仿真算法为ode23:仿真结果图如图2所示，由图我们可以看出来，结果基本上和计算方法为ode45的结果一样，但是运算时间却不一样，该算法的运算时间为T=3.636*10^-7s。
运算时间比ode45的时间短。
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真运动控制实验报告
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真 一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、闭环直流调速系统稳态参数的计算 1）额定负载时的稳态速降应为：m i n/12.6min /)02.01(1002.03000)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2）闭环系统应有的开环放大系数：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/071.0min/3000087.03.87220⋅=⋅⨯-=-=闭环系统额定速降为：min /97.106min /071.0087.03.87r r C R I n e N op =⨯==∆闭环系统的开环放大系数为：5.16112.697.1061=-≥-∆∆=clop n n K003.0/max max n ==n U α3）计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数K p 为:5.16/e p ≥=s K KC K α电枢回路的总电感为0.0032H电磁时间常数为037.0/l ==R L T 27/1l ==τK4)电流截止负反馈 四加电网扰动（第8s电压220→240）负载扰动给定值扰动五、将PI调节器参数改变1.电网扰动（第8s电压220→240）2.负载扰动3.给定值扰动转速、电流双闭环直流调速系统设计与仿真一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、电流调节器ACR 参数计算允许电流过载倍数λ=2；设调节器输入输出电压im nm **U U ==10V ，电力电子开关频率为f=l kHz ．首先计算电流反馈系数β和转速反馈系数α：06.0 I n im *==ββλU N U n nm *α= α=0.003s T 001.0s = ，电流环小时间常数为s T T T oi 002.0s i =+=∑电流调节器超前时间常数为s T K l i 015.0/1i ===τ 而对电流环开环增益局l K =250/5.0=∑i T ，于是ACR 的比例系数为：94.4/i l i ==s K R K K βτ 四、转速调节器ASR 参数计算 选中频段宽度h=5。
2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真
仿真的起 始时间
结束时间修 改为0.6秒
图2-54 SIMULINK仿真控制参数对话框
17
自动刻度
启动Scope工具条中的“自动刻度”按 钮。把当前窗中信号的最大最小值为 纵坐标的上下限，得到清晰的图形。
图2-55
修改控制参数后的仿真结果
18
2.6.4 调节器参数的调整
K p 0.25
1 3
2
2.6.1 转速负反馈闭环调速系统仿真框图及参数
直流电动机：额定电压 U N 220V ，
额定电流 I dN 55 A ,额定转速 nN 1000 r/ m，in
电动机电势系数 Ce 0.192V min/ r
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Ts 0.00167 s ，
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。
21
系统转速的响应是 无超调、但调节时 间很长；
图2-56 无超调的仿真结果
19
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
20
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。
单击某模块，选取Format→Rotate Block菜单项 可使模块旋转90°；选取Format→Flip Block菜 单项可使模块翻转。
把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标 的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至 分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分 支线的绘制。
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实验三转速负反馈闭环调速系统的仿真
一．实验目的
熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。
学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立比例积分控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
二．实验器材
PC机一台，MATLAB软件
三．实验参数
采用比例积分控制的转速负反馈直流调速系统，结构框图参考教材P51的图2-45，其各环节的参数如下：
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= 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。
转速反馈系数α= 0.01V·min/r。
对应额定转速时的给定电压Un*=10V。
电流负反馈采样电阻Rs = 0.1 Ω，临界截止电流Idcr=1.3IdN，比较电压Ucom = Idcr Rs。
四．实验内容
1、根据所提供的系统参数，参考教材P51中图2-45建立采用比例积分控制的转速闭环调速系统的仿真模型。
图1比例积分控制的直流调速系统仿真图
2、在理想空载下，改变比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i （如表1所示），观察调速系统输出转速n 的响应曲线，记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流I d 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。
表1 比例积分系数
表1不同比例系数K p 和积分系数K i 时的转速数据对比
t/s
n (r /m i n )
不同比例系数Kp 和积分系数Ki 的转速n 曲线
t/s
I d /A
不同比例系数Kp 和积分系数Ki 的电枢电流Id 曲线
表2不同比例系数K p和积分系数K i时的电枢电流数据对比
通过表1、2可得，当K p0.25，K i=3时，在响应阶段中转速变化比较慢且无超调，其稳态值999.55r/min，并且电枢电流比较小，波动范围也比较窄；
当K p=0.56，Ki=11.43时，在响应阶段中转速变化比较快，其稳态值达到1000r/min，并且电枢电流较大，波动范围稍大一点，响应时间较短，约为0.26s；
当Kp=0.8，Ki=15时，响应阶段中转速变化快，其稳态值达到1000r/min，响应时间短，约为0.2s，电枢电流大，波动范围大。
因此在理想空载下，不同的比例系数K p和积分系数K i会影响系统的电枢电流和转速。
超调量σ1=0；
σ2=∞∞-C C C max ×100%=10001000
-1038×100%=3.8%；
σ3=∞∞-C C C max ×100%=10001000-1032×100%=3.2%。
3、选择一组比较好的比例系数K p 和积分系数K i ，在系统中加入负载电流I dL ，观察调速系统输出转速n 的响应曲线，并记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流I d 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。
选择K p /K i =0.56/11.43，在系统中1s 时加入负载电流I dL =15、30A 。
表3带负载电流时的转速数据
200
400
600
800
1000
1200
t/s
n (r /m i n )
不同负载电流的转速n 曲线
-50
50
100
150
200
250
t/s
I d /A
不同负载电流时的电枢电流曲线
表4带都在电流时的电枢电流数据
通过表3、4可得，选择K p/K i=0.56/11.43，在系统中1s时分别加入负载电流I dL=15、30A，超调量还是σ=σ2=3.8%，响应时间大约为0.26s，稳态值为1000r/min 左右。
由此可知，加入负载电流对于系统的动态性能指标影响不大，在比例调节器的作用下系统可以在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。
4、保持控制器的比例系数Kp 和积分系数Ki ，以及负载电流IdL 不变，参照教材2.52节在调速系统中引入电流截止负反馈（提示：用MATLAB 中的switch 模块来实现电流负反馈的分段函数），建立带电流截止负反馈的调速系统仿真模型，计算出电流截止负反馈的相关参数，重新进行仿真，观察调速系统输出转速n 的响应曲线，并记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流
Id 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。
图2带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态仿真图
保持K p =0.56，K i=11.43，负载电流IdL=15不变，引入电流截止负反馈。
已知IdN = 55 A ，Rs = 0.1 Ω，所以I dcr =1.3I dN =1.3×55=71.5A ，U com = I dcr
R s =71.5×0.1=7.15V 。
200
400
600
800
1000
1200
t/s
n (r /m i n )
带电流截止负反馈的转速n 曲线
表5带电流截止负反馈的转速和电枢电流数据
由表5可得，系统达到稳态值为1000r/min ，响应时间约为0.4s ，超调量为
σ=
∞∞-C C C max ×100%=1000
1000
-1025×100%=2.5%。
当开始启动时，系统未加电流截止负反馈，电流最高可达241A ；加入电流截止负反馈后，电枢电流最高可达135.3A ，因此可以得出电枢电流在响应阶段会明显的下降，使系统得到较好的保护，降低对系统转速的影响。
5、对比引入电流截止负反馈前后，该直流调速系统的输出转速n 和电枢电流I d 的响应曲线和相关数据，分析原因，并给出相关结论。
①为引入电流截止负反馈；②为未引入电流截止负反馈
表6引入电流截止负反馈前后转速数据对比
-20
020406080
100120140带电流截止负反馈的电枢电流曲线
t/s
I d /A
表7引入电流截止负反馈前后电枢电流数据对比
通过表6、7可得，引入电流截止负反馈后，电枢电流会明显降低，从而减少了系统的损耗，而且引入电流截止负反馈后对转速的变化无明显的影响。
四、实验总结
在理想空载下，不同的比例系数K p和积分系数K i会影响系统的电枢电流和转速，加入电流负反馈后能有效的降低启动阶段时的电流幅值，防止应为过流而烧坏系统，且对于一些突发情况如电动机堵转而产生大电流也有清除扰动的效果，能有效的延长系统的使用年限。