单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

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1、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KP以及积分时间常数τ的值来研究KP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+_+Ud_+Utg-AUPETGMUn*∆UnUcUn~+_-++_+_Uin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

2、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Uin时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到Uext=KPUin，实现了快速响应；随后Uext按积分规律增长，Uext=KPUin+(t/τ)Uin。在t=t1时，输入突降为0，Uin=0，Uext=(

3、t1/τ)Uin，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KP和1/τ的参数的确定5.1各环节的参数：4直流电动机：额定电压UN=220V，额定电流IdN=55A,额定转速nN=1000r/min,电动机电动势系数Ce=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=0.00167s。电枢回路总电阻R=1.0Ω，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

4、.01V•min/r。对应额定转速时的给定电压Un*=10V。稳态性能指标D=20，s5%。5.2KP和1/τ的参数的确定：PI调节器的传递函数为WPIs=KPτs+1τs=KPτ1s+1τ1s其中，τ1=KPτ。（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数Ts=0.00167s；2）转速滤波时间常数Ton=0.001s；3）转速环小时间常数Tn=Ton+2Ts+0.002s=0.0174s；（2）计算参数按跟随和抗扰性都较好的原则，取h=5，则调节器超前时间常数，即积分时间常数：τ=hTn=0.087s，则1/τ≈11.

5、5由此可得开环增益：KN=KPRτTmCe=h+12h2Tn2≈396.4s-2于是放大器比例放大系数：KP=(h+1)TmCe2hRTn≈0.5六、仿真模型的建立KPKSTss+11/RTls+1α1CeUn*(s)IdL(s)n(s)Id(s)++__1Ce++RTms+_如图6-1为比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图，根据仿真框图，利用MATLAB下的SMULINK软件进行系统仿真，建立的仿真模型如图6-2所示。图6-1比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图4图6-2比例积分控制的无静差直流调速系统的仿

6、真模型七、仿真模型的运行利用5.2中所求的KP和1/τ代入PI调节器中，此处取KP=0.56，1/τ=11.43。图7-1无静差调速系统输出（Scope图像）4图7-2输出波形比例部分（Scope1图像）对比图7-1和图7-2可以发现，只应用比例控制的话，系统响应速度快，但是静差率大，而添加积分环节后，系统既保留了比例环节的快速响应性，又具有了积分环节的无静差调速特性，使调速系统稳定性相对更高，动态响应速度也快。八、仿真结果分析（修改KP和1/τ的参数，观察Scope曲线变化）当取KP=0.25，1/τ=3时，系统转的响

7、应无超调，但调节时间很长。如图8-1所示：图8-1无超调的仿真结果当KP=0.8，1/τ=15时，系统转速的响应的超调较大，但快速性较好。如图8-2所示。图8-2超调较大的仿真结果控制系统的各项动态跟随性能指标与参数KT有关。当系统的时间常数T一定时,随着开环增益K的增大，系统的快速性提高，而稳定性变差。若要求动态响应快，则把K取得大一点；若要求超调小，则把K取得小一点。九、心得体会通过此次试验，使我对MATLAB中的SIMULINK仿真软件也有了进一步的了解，通过SIMULINK仿真软件的仿真功能，可以用图像化的方法直

8、接建立系统模型，使我可以很直观方便地了解一些系统特性。同时通过自己动手做实验，计算数据，使我对4比例积分控制的无静差直流电机调速系统又有了更深层次的学习。4