单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

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

~ + 𝑈 in_ + ∗ 𝑈n_ - + 𝑈n + 𝑈tg TG - + 𝑈d _ + _

M + _

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

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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=0.０1Ｖ • min／r。

∗

对应额定转速时的给定电压𝑈n=１０Ｖ。 稳态性能指标D=20，ｓ５% 。 5．2 𝐾𝑃和１/τ的参数的确定： ＰI调节器的传递函数为

𝑊𝑃𝐼(𝑠)=

𝐾𝑃𝜏𝑠+1𝜏1𝑠+1

=𝐾𝑃 𝜏𝑠𝜏1𝑠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𝑇∑n=𝑇on+2(𝑇s+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=ℎ𝑇∑n=0.087s，则1/τ≈11.5 由此可得开环增益：

𝐾𝑁=

于是放大器比例放大系数：

𝐾𝑃=

(ℎ+1)𝑇m𝐶e

≈0.5

2ℎ𝑅𝑇∑n

𝐾𝑃𝑅ℎ+1

=2≈396.4s−2 2𝜏𝑇m𝐶e2ℎ𝑇∑n

六、仿真模型的建立

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MAT

ＬAB下的SMULINK软件进行系统仿真,建立的仿真模型如图6－2所示。

𝐼𝑑𝐿(𝑠) _ 𝑅 𝑇𝑚𝑠∗𝑈𝑛(𝑠) + _ 𝐾P 1 𝐶𝑒+ + + 𝐾S 𝑇𝑠𝑠+1_ 1/𝑅 𝑇𝑙𝑠+1𝐼𝑑(𝑠) + 1 𝐶𝑒n(s) α 图6－1 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图

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图6-2 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型

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)

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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,使我对比例积分控制的无

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静差直流电机调速系统又有了更深层次的学习。

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