实验一-单闭环直流调速系统仿真
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。
运动控制(1)大作业-单闭环直流调速系统仿真 直流电机Z4-132-1
本科生课程论文 ........................................................................... 错误!未定义书签。 一、仿真题目................................................................................................................ 2 单闭环直流调速系统仿真.................................................................................... 2 二、仿真过程................................................................................................................ 2 2.1 仿真总图......................................................................................................... 2 2.2 PWM 模块 ......................................ห้องสมุดไป่ตู้................................................................ 3 2.3 电机模块......................................................................................................... 3 2.4 仿真结果......................................................................................................... 4 三、心得体会.............................................................................................................. 10
单闭环直流调速系统PID控制器参数设计仿真
实验名称：单闭环直流调速系统PID 控制器参数设计仿真 1.实验原理1)单闭环直流调速系统典型单闭环直流调速系统框图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。
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
2)PID 控制在模拟系统中，PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID 调节器的微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()(式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(PID 调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。
2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。
3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
4）建立单闭环直流调速系统模型直流电动机：额定电流V Un 220=，额定电流A I dn 55=，额定转速min /1000r n N =，电动机电势系数r V C e m in/192.0•=，假设晶闸管整流装置输出电流可逆，装置放大系数44=s k ，滞后时间常数s T s 00167.0=，电枢回路总电阻Ω=1.0R ，电枢回路电磁时间常数s T l 00167.0=，电力拖动系统机电时间常数s Tm075.0=，转速反馈系数r V min/01.0⋅=α，对应额定是给定电压V U n 10=*。
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。
实验一 单闭环晶闸管直流调速系统实验
c．调节给定电压 ，使直流电机空载转速 转/分，再调节测功机加载旋钮，在直流电机空载至额定负载 范围内，测取6点，读取电机转速 ，电机电枢电流 ，即可测出系统的开环特性 。
1200
1257
1305
1358
1412
1472
1
0.84
0.68
4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？
答：测量反馈电压。调节FBS中的RP。
3．测取调速系统在带转速负反馈时的有静差闭环工作的静特性
4．测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性
三．实验线路及原理
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
1487
1493
1497
1500
1500150010.840.68
0.52
0.36
0.2
图1-2系统机械特性曲线
由此可见，有转速负反馈时，电机转速相比无转速负反馈的开环工作模式几乎没有下落，前者转速降落至1378转每分钟，后者为1200转每分钟；而带负反馈无静差的系统比负反馈有静差的系统有更佳的控制效果。
给定为零。
9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地
线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。
六．实验内容
1．移相触发电路的调试（主电路未通电）
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。
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=。
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。
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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，
或直接键入 SIMULINK命令，打 开SIMULINK模块浏 览器窗口，
图2-46 SIMULINK模块 浏览器窗口
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。
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
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
调节器参数的调整
K p 0.25
1 3
系统转速的响应是 无超调、但调节时 间很长；
图2-4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏 中新模型的图标或选择File→New→Model菜单项实 现。
(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打 开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编 辑窗口。
在本例中拖入模型编辑窗口的为：Source组中的 Step模块；Math Operations组中的Sum模块和Gain 模块；Continuous组中的Transfer Fcn模块和 Integrator模块；Sinks组中的Scope模块；
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。
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 ，
电枢回路总电阻 R 1.0 ，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 0.075 s ，
转速反馈系数 0.01V min /r ，
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。
实验一 ——单闭环直流调速系统MATLAB仿真
一、实验目的 1.掌握单闭环直流调速系统的原理及组 成； 2.掌握单闭环直流调速系统的仿真。
二、实验内容
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
转速负反馈闭环调速系统仿真框图参数
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
图2-47 模型编辑窗口
(3)修改模块参数： 双击模块图案，则出现关于该图案
的对话框，
通过修改对话框内容来设定模块的 参数。
图2-48 加法器模块对话框
描述加法器 三路输入的 符号，|表示 该路没有信 号，用|+-取 代原来的符 号。得到减 法器。
分子多项式 系数
分母多项式 系数
例如，0.002s+1是 用向量[0.002 1]来 表示的。
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。
仿真启动按钮 图2-53 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型