蘇州市職業大學實訓匯報名稱運動控制系統實訓項目轉速、電流雙閉環直流調速系統MATLAB仿真設計12月31日至1月4日共一周院系電子信息工程系班級姓名學號系主任張紅兵教研室主任鄧建平指導教師葉國平蘇州市職業大學實訓任務書 課程名稱：運動控制系統實訓起訖時間：.12.31－.1.4院系：電子信息工程系班級：指導教師：葉國平系主任：張紅兵

實訓課題轉速、電流雙閉環直流調速系統MATLAB仿真設計實訓要求了解MATLAB6.5;熟練掌握MATLAB6.5環境下Simulink工具箱和電力系統（SimPowersystem）工具箱應用；熟悉工具箱中各模塊功效及其仿真參數、屬性設置；掌握轉速、電流雙閉環直流調速系統中各個步驟傳遞函數形式；掌握轉速、電流雙閉環直流調速系統調速特征，學會分析轉速、電流雙閉環直流調速系統穩態性能及動態性能；設定調速系統相關參數，畫出雙閉環直流調速系統仿真模型并對得到仿真結果進行詳細分析；減小或者增大開環增益值，分析仿真結果對系統穩態性能和動態性能影響；增大給定轉速信號值，仿真結果對系統穩態性能和動態性能影響；把仿真模型和仿真圖形保留在一個WORD文檔中；完成實訓匯報，內容：對MATLAB和Simulink簡單介紹；轉速、電流雙閉環直流調速系統組成和工作原理、穩態參數關系、開環機械特征、靜特征；建立單環系統仿真模型、仿真模型中所用到模塊名稱及其功效、仿真結果分析；心得體會等。注意：匯報用A4紙，用設計模板提供封面；匯報格式嚴格按照學校相關文件要求。實訓工作量1、指導教師概括介紹轉速、電流雙閉環直流調速系統組成和工作原理、實訓匯報書寫規范，發放材料。——2課時2、指導老師概括介紹MATLAB/Simulink基本知識、指導學生掌握仿真工具箱中各模塊功效及其參數設置——6課時3、建立仿真模型并對仿真結果進行全方面分析——9課時4、完成實訓匯報——6課時5、提交轉速、電流雙閉環直流調速系統仿真模型、仿真圖形（MATLAB環境下）以及實訓匯報。——1課時四、實訓匯報內容緒論：概括介紹仿真控制技術發展過程及其優點、簡單介紹MATLAB和Simulink仿真工具箱；Simulink模塊基本操作：簡單介紹怎樣進入Simulink環境、怎樣建立一個新仿真文件（文件后綴名為.mdl）并進行保留、怎樣進行模塊選定、拷貝、移動、刪除、連接、模塊標題名稱和內部參數修改等；轉速、電流雙閉環直流調速系統：重點介紹系統組成和工作原理、各步驟傳遞函數、系統穩態結構圖、穩態關系、閉環靜特征等；轉速、電流雙閉環直流調速系統仿真模型及其分析：建立轉速、電流雙閉環直流調速系統仿真模型、設置不一樣開環增益和給定轉速信號，對仿真結果進行全方面分析。實訓總結（心得體會）。參考文件（格式和所使用教材中參考文件格式一致）目錄實訓任務書 1第一章緒論 51.1仿真控制技術 51.2MATLAB與控制系統仿真 6第二章轉速、電流雙閉環直流調速系統 72.1雙閉環直流調速系統介紹 72.2雙閉環直流調速系統組成 72.3雙閉環直流調速系統工作原理 82.4雙閉環直流調速系統穩態結構圖 8第三章Simulink環境下仿真 103.1雙閉環直流調速系統仿真模型圖 103.2仿真參數設置 103.3仿真結果及分析 11第四章實訓總結 14參考文件 15

第一章緒論1.1仿真控制技術系統仿真作為一個特殊試驗技術，在20世紀30年代到90年代半個多世紀中經歷了飛速發展，到今天已經發展成為一個真正、系統試驗科學。伴伴隨第一臺電子管電子計算機誕生和以相同理論為基礎模擬技術應用，仿真作為一個研究和發展新產品、新技術科學伎倆，在航空、航天、造船、兵器等與國防科研相關行業中首先發展起來，并顯示了巨大社會效益和經濟效益。伴隨計算機技術發展，仿真技術逐步發展，現已形成完整學科，滲透到各個領域，為應用系統研究提供了強大工具。仿真技術發展趨勢：硬件發面，基于多CPU并行處理技術全數字仿真將有效提升仿真系統速度，大大增強數字仿真時效性；應用軟件方面，直接面向用戶數字仿真軟件不停推陳出新，各種教授系統與智能化技術將更深入地應用于仿真軟件開發中，事之在人機界面、結果輸出、綜合評判等方面達成更理想境界。仿真應用：航空航天業，包含飛行器設計中三級仿真體系（即數字仿真）、半實物仿真、實物仿真或模擬飛行試驗，飛行員及宇航員訓練用于飛行仿真模擬器等；電力工業，包含電力系統動態模擬試驗，電力系統負荷分配、瞬態穩定性以及最優時尚控制，電站操作人員培訓模擬系統等；原子能工業，包含模擬核反應堆，核電站仿真器，用來訓練操作人員以及研究異常故障處理等；石油。化工以及冶金工業；非工程領域，如醫學、社會學、宏觀經濟和商業策略研究等。1.2MATLAB與控制系統仿真MATLAB是矩陣試驗室（MatrixLaboratory）簡稱，是美國MathWorks企業出品商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算高級技術計算語言和交互式環境，主要包含MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最主要組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要經過簡單直觀鼠標操作，就可結構出復雜系統。Simulink具備適應面廣、結構和流程清楚及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理復雜仿真和設計。同時有大量第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。Simulink是MATLAB中一個可視化仿真工具，是一個基于MATLAB框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理建模和仿真中。Simulink能夠用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中不一樣部分具備不一樣采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖圖形用戶接口(GUI)，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一個更加快捷、直接明了方式，而且用戶能夠立刻看到系統仿真結果。Simulink是用于動態系統和嵌入式系統多領域仿真和基于模型設計工具。對各種時變系統，包含通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。.構架在Simulink基礎之上其余產品擴展了Simulink多領域建模功效，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務對應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，能夠直接訪問MATLAB大量工具來進行算法研發、仿真分析和可視化、批處理腳本創建、建模環境定制以及信號參數和測試數據定義。

第二章轉速、電流雙閉環直流調速系統2.1雙閉環直流調速系統介紹雙閉環（轉速環、電流環）直流調速系統是一個當前應用廣泛，經濟，適用電力傳動系統。它具備動態響應快、抗干擾能力強優點。我們知道反饋閉環控制系統具備良好抗擾性能，它對于被反饋環前向通道上一切擾動作用都能有效加以抑制。采取轉速負反饋和PI調整器單閉環調速系統能夠在確保系統穩定條件下實現轉速無靜差。但假如對系統動態性能要求較高，比如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程電流或轉矩。2.2雙閉環直流調速系統組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調整器，分別調整轉速和電流，二者之間實施串級連接，如圖2-1所表示，即把轉速調整器輸出看成電流調整器輸入，再用電流調整器輸出去控制晶閘管整流器觸發裝置。從閉環結構上看，電流調整環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這么就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。圖2-1轉速、電流雙閉環直流調速系統圖中U*n、Un—轉速給定電壓和轉速反饋電壓；U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓；ASR—轉速調整器；ACR—電流調整器；TG—測速發電機；TA—電流互感器；UPE—電力電子變換器。該雙閉環調速系統兩個調整器ASR和ACR通常都采取PI調整器。因為PI調整器作為校正裝置既能夠確保系統穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提升系統穩定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面要求。通常調速系統要求以穩和準為主，采取PI調整器便能確保系統取得良好靜態和動態性能。2.3雙閉環直流調速系統工作原理ASR（速度調整器）依照速度指令Un*和速度反饋Un偏差進行調整，其輸出是電流指令給定信號Ui*（對于直流電動機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉矩，對應能夠調速）。ACR(電流調整器)依照Ui*和電流反饋Ui偏差進行調整，其輸出是UPE（功率變換器件）控制信號Uc。進而調整UPE輸出，即電機電樞電壓，因為轉速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發生改變，對應電磁轉矩也跟著改變，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉速會對應改變。整個過程到電樞電流產生轉矩與負載轉矩達成平衡，轉速不變后，達成穩定。2.4雙閉環直流調速系統穩態結構圖KKs1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE圖2-2雙閉環直流調速系統穩態結構圖雙閉環直流系統穩態結構圖如圖2-2所表示，分析雙閉環調速系統靜特征關鍵是掌握PI調整器穩態特征。通常存在兩種情況：飽和——輸出達成限幅值；不飽和——輸出未達成限幅值。當調整器飽和時，輸出為恒值，輸入量改變不再影響輸出，相當與使該調整環開環。當調整器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調整器是不會達成飽和狀態。所以，對靜特征來說，只有轉速調整器飽和與不飽和兩種情況。

第三章Simulink環境下仿真3.1雙閉環直流調速系統仿真模型圖圖3-1轉速、電流雙閉環直流調速系統仿真模型3.2仿真參數設置在MATLAB軟件中畫好如圖3-1所表示仿真模型后，控制電路中調整器參數設置以下：給定轉速信號Un*=20V，電流反饋系數為0.05；轉速反饋系數為0.07；電流濾波時間常數Toi=0.002s;轉速濾波時間常數Ton=0.01s。ASR和ACR這兩個PI調整器設置分別是ACR：Kpi=1.013,ti=0.03s,PI調整器中積分飽和值設為50，調整器輸出上下限幅值設為[-100,100]；ASR：Kn=11.7,tn=0.087s，PI調整器中積分器飽和值設為10，調整器輸出上下限幅值設為[-10,10]。其它沒有說明為系統默認值。經過對仿真算法比較實踐，本系統算法選擇ode23s；仿真開始時間為0，停頓時間為6s。3.3仿真結果及分析當建模和仿真參數設置完成后，即可進行仿真。圖3-1所表示模型仿真結果如圖所表示3-2所表示。圖3-2（a、b、c、d）別是電機轉速、電樞電流、電磁轉矩、勵磁電流仿真波形。圖3-2（a）轉速改變仿真波形圖3-2（b）電流改變仿真波形圖3-2（c）電磁轉矩改變仿真波形圖3-2（d）勵磁電流改變仿真波形結果分析：從圖3-2（a）、(b)所表示轉速、電流仿真波形圖能夠看出，雙閉環直流調速系統仿真開啟過程一樣經歷了電流上升、恒流調速、轉速調整三個階段。每一個階段轉速和電流改變都和轉速、電流栓閉環直流調速系統理論分析結果是一致。能夠看到，在圖3-1仿真模型中設定參數下，大約1.3s，雙閉環直流調速系統趨于穩定，穩定轉速達成額定轉速。另外值得注意是，在第二階段結束，第三階段開始時，轉速達成給定值是，因為在PI調整器積分器作用下，轉速會繼續上升以致出現轉速超調情況，這是電流調整器給定信號極性變負，使電樞電流下降。在電樞電流下降過程中，因為圖3-1仿真模型為不可逆直流調速系統，晶閘管整流裝置不能產生反向電流，所以電動機電樞電流不會出現負值