SIEMENS直流调速系统6RA70的课程设计报告

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1、摘 要本文介绍了,基于SIEMENS直流控制系统装置,进行的相关的直流调速系统的分析和设计。直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大围平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速系统是一种通过对直流发电机输出电压的改变,从而达到调节直流电动机转速的目的的系统。直流调速系统中,虽然开环调速系统也能在一定的转速围实现无极调速,但却难以满足生产工艺对静差率与调速围的综合要求。只有按反馈控制原理构成的转速闭环系统,才是减小或消除静差速降的有效途径。闭环控制系统又包括单闭环控制系统和多闭环控制系统。在控制过程中,系统既要控制电动机转速,实现无静差调

2、节；又要控制电动机电枢电流,使系统在充分利用电动机过载能力的条件下或得最快的动态响应,转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。基于西门子6RA70直流调速系统装置,从九个实验题目来对自动控制系统进行分析和研究,通过实际操作,数据分析以及图像的截取,来实现直流调速系统的分析、设计,并通过matlab的建模与仿真探究最优化参数,且在电动机上实现。关键词：直流调速系统,西门子6RA70,开环,单闭环,双闭环,matlab目 录摘 要11 概述42 课程设计任务及要求52.1 设计任务52.2 设计要求53 理论设计63.1方案论证63.2系统设计63.2.1 结构框图63.2.2 系统原理

3、图及工作原理73.3 单元电路设计73.3.1 单元电路工作原理84 设计实验题目114.1 熟悉6RA70直流调速系统的外部接线,掌握直流调速系统的结构114.2 学习DriveMonitor软件的使用方法114.3 系统基本参数输入124.4 速度、电流双闭环调速系统的参数优化,系统的控制参数监视及分析154.4.1 参数优化154.4.2 参数监视与分析154.5 速度、电流双闭环调速系统的运行164.5.1 双闭环调速系统的动态特性164.5.2 双闭环调速系统的跟随性能19图4-12双闭环调速系统的跟随性能20图4-13双闭环调速系统的跟随性能20图4-14双闭环调速系统的跟随性能2

4、14.5.3 双闭环调速系统的抗扰性能214.6 斜坡函数发生器的参数设定及波形调整,改变斜率观察系统特性234.6.1 参数设定与波形调整234.6.2 系统特性分析274.7 利用模拟量输出通道D/A转换器实现系统电流及速度动态响应曲线的测试274.8 电机给定运行轨迹控制系统的分析与设计284.8.1给定波形不同时的系统运行轨迹284.8.2 速度和电流环P、I不同时的系统运行轨迹304.9 电机模型的辨识与参数优化394.9.1 控制系统计算机仿真的过程394.9.2 Matlab建模与仿真414.9.3 转速环与电流环断开操作414.9.4 线性系统离散化414.9.5 离散系统的模

5、型辨识424.9.6 离散系统连续化454.9.7 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析484.9.8 对比仿真图像与实际图像525 结论556 使用仪器设备清单567 收获和体会578 参考文献581 概述SIMOREG DC-MASTER以其高度运行可靠性和使用性在世界围的各个工业领域著称,其操作非常简单,并且不需要专门的编程知识,所有设置均可通过参数设定设备进行。参数设定也可通过PC 的菜单提示进行,以实现快速地投入运行。西门子6RA28/24/70直流调速器为全数字式,其中,6RA70又具有如下特点：电枢电流：15-2000A电枢电压：420-485VDC励磁可调：SIMO

6、REG DC-MASTER是全数字调速装置,它接到三相交流电网上,并能调节直流调速系统的电枢和励磁。优化的通讯技术：SIMOREG DC-MASTER 使用开放的和标准的 PROFIBUS-DP 现场总线系统,通过RS 232 接口可直接连接到 PC 和实现装置对装置通讯。装置与装置间通讯：使用新颖的BICO技术使SIMOREG DC-MASTER 在软件功能性方面达到一个新水平。只需简单的参数设定,就可实现功能块的不同组合,满足实际的应用。BICO 新颖的软件解决方案使用RS485：接口实现装置与装置间的连接,因而实现一个高速全数字设定值级链。 DriveMonitor是实现对西门子传动设备

7、现场调试的一个工具软件。可以进行参数设定, 故障分析和跟踪记录等功能。 主要功能包括： 参数设定、 装置诊断、 参数备份和刷新、 数据记录跟踪、参数比较等。通过西门子6RA70直流调速系统装置,探究直流调速系统。2 课程设计任务及要求2.1 设计任务1 学会使用SIMENS 直流控制系统装置。2确定控制系统方案,画出系统的原理图和方框图,并使用SIMENS 直流控制系统装置完成自动控制系统的设计任务。3 撰写课程设计报告2.2 设计要求1熟悉SIEMENS直流调速系统6RA70的外部接线；2熟悉并学会使用SIEMENS直流控制系统装置；3按照要求确定自动控制系统方案；4画出系统的原理电路图和方

8、框图；5学习Drive Monitor软件的使用方法6掌握SIEMENS直流控制系统装置的各种参数设定方法；7设计出相应的系统配置并完成调试；8撰写课程设计报告。3 理论设计3.1方案论证为了满足工业自动化对电气传动系统越来越高的性能要求,西门子公司1999年隆重推出了新型的直流驱动产品6RA70,它广泛适用于各个工业领域,诸如印刷机械、起重机械的行走机构和提升机械、电梯及有轨缆车传动,橡胶、造纸和钢铁工业中的传动,剪切机,校直机和卷取机、轧机的主传动,横向剪切或薄膜机传动以及其他特殊应用场合。与西门子公司的前代直流驱动装置相比,6RA70的特性从机械结构到软件特点都有重大突破。它采用了与西门

9、子交流驱动产品一致的电子箱,机械结构更加紧凑,模板可以自由配置,安装方便简单,6RA70系列单机电流可达2000 A,装置与装置可以直接并联,扩展电流可达12000 A。全部的6RA70直流驱动装置可以实现单象限或四象限运行,供电电压等级为400 V、575V、690V和830V,电枢电流围152000 A,励磁电流围340 A,过载能力可达150%,也可以提供成柜装置,即接即用。3.2系统设计3.2.1 结构框图图3-1单闭环控制系统框图 图3-2双闭环控制系统框图3.2.2 系统原理图及工作原理 图3-3系统原理图3.3 单元电路设计3.3.1 单元电路工作原理1速度调节器电路图3-4速度

10、调节器电路图 速度调节器电路图如图所示,其工作原理为：通过设定P621,P622,P623,P624的值来控制速度调节器的给定值与反馈值,从而得到偏差值,进而实现速度的开环控制或者闭环控制。同时可以通过设定Kp和Tn的参数使调机器工作在最佳状态。2电流调节器电路图3-5电流调节器电路图 电流调节器电路图如图所示,电流调节器通过得到给定值与反馈值的偏差来实现电流的调节。通过改变P值来控制电流调节器的给定与反馈,如果是单闭环调速系统,则可以通过设定P602的值来改变是否与反馈。3振荡、方波发生器电路图3-6振荡、方波发生器电路图振荡、方波发生器原理图如图所示,通过设定P480,P481,P482,

11、P483的参数值来改变方波的波形。通过设定P485的值为1是方波发生器作为输入。4斜坡函数发生器电路图3-7斜坡函数发生器电路图斜坡函数发生器电路图如图所示,通过设定P633,P634,P635,P636,P637,P638,P639,P640,P641,P646的参数改变斜坡函数发生器的功能。5电流限幅电路图3-8电流限幅电路图6转矩限幅,速度限幅调节器电路图3-9转矩限幅,速度限幅调节器电路图4 设计实验题目实验题目：1熟悉6RA70直流调速系统的外部接线,掌握直流调速系统的结构；2学习DriveMonitor软件的使用方法；3系统基本参数输入；4速度、电流双闭环调速系统的参数优化,系统的

12、控制参数监视及分析；5速度、电流双闭环调速系统的运行；6斜坡函数发生器的参数设定及波形调整,改变斜率观察系统特性；7利用模拟量输出通道D/A转换器实现系统电流及速度动态响应曲线的测试；8电机给定运行轨迹控制系统的分析与设计；9确定被控对象的传递函数模型,并利用Simulink设计合适的速度调节器的PI参数,通过仿真得到理想的阶跃响应曲线,并在6RA70系统上实现；4.1 熟悉6RA70直流调速系统的外部接线,掌握直流调速系统的结构4.2 学习DriveMonitor软件的使用方法DriveMonitor是实现对西门子传动设备现场调试的一个工具软件。可以进行参数设定, 故障分析和跟踪记录等功能。

13、 主要功能包括： 参数设定、 装置诊断、 参数备份和刷新、 数据记录跟踪、参数比较等。与SIMOREG装置连接步骤：（1） 双击Drivemonitor快捷图标打开画面（2） 通过file / new / base on factory setting or empty parameter set新建一个项目（3） 项目设置（4） 在线设置Drivemonitor常用功能应用：（1） 在线参数设置 （2） 参数备份和参数下载 （3） 参数文件的导出导入 （4） 参数比较功能 （5） 参数表转化成EXCEL表形式 （6） 参数类型选择 （7） 故障诊断 （8） 装置连接量K和B的应用查询 （9）

14、 TRACE功能应用 通过Drive Monitor对速度、电流双闭环调速系统的参数进行优化,掌握系统的控制参数监视及分析。4.3 系统基本参数输入P051置21恢复出厂设置,等待6RA70控制箱的显示屏出现o7.0后进行基本参数设置。1额定电枢电流设置： P076.1 置10%图4-1额定电枢电流设置2额定励磁电流设置:P076.2置10%图4-2额定励磁电流设置3电枢线电压设置：P078.1置220V图4-3电枢线电压设置4反馈量设置：P083置3 EMF actual value图4-4反馈量设置5电枢电流设置：P100置1.2A图4-5电枢电流设置6电枢电压设置：P101置220V图4

15、-6电枢电压设置7励磁电流设置：P102置0.13A图4-7励磁电流设置8额定转速设置：P104置1500r/m图4-8额定转速设置4.4 速度、电流双闭环调速系统的参数优化,系统的控制参数监视及分析4.4.1 参数优化1电流环参数自动优化:P051置25,在30s顺序闭合转速环和电流环的开关,并且人为堵转直至显示o7.2结束。2速度环参数自动优化:P051置26,在30s顺序闭合转速环和电流环的开关,直至显示o7.2结束。4.4.2 参数监视与分析1优化结果：电流环自动优化最佳参数：P=0.10 I=0.014图4-9电流环自动优化速度环自动优化最佳参数：P=1.56 I=0.106图4-1

16、0速度环自动优化（2） 结论分析： 6RA70系统可由负载参数自动优化出速度环比例系数为Pn=1.56 ,积分时间常数为In=0.106；电流环比例系数为Pi=0.10,积分时间常数为Ii=0.014。由此参数得出的动态响应曲线最好。4.5 速度、电流双闭环调速系统的运行4.5.1 双闭环调速系统的动态特性研究双闭环调速系统的运行离不开对系统动态特性的分析,动态性能主要是指系统对给定输入阶跃给定的跟随性和系统对扰动输入阶跃扰动的抗扰性能。双闭环调速系统在突加给定电压后,ASR和ACR两个调节器锁零同时解除,系统便进入启动过程,其动态响应波形可分为三个阶段,在图中以、和表示。图4-11双闭环调速

17、系统的动态特性1第阶段：0t1为强迫建流阶段,即电流由零上升到最大值。当突加给定电压后,由于电机惯性较大,转速与电流反馈没有建立起来,转速调节器输入偏差很大,是ASR输出立即达到限幅值。由于主回路中电感的作用,电枢电流不可能立即建立起来,使ACR输入偏差较大,迫使ACR的输出迅速上升,产生一个强迫电压使迅速上升。当电枢电流上升到大于负载电流后,电动机开始启动。但ASR仍然处于饱和限幅状态,输出仍然为,继续迫使电流上升,直到时,完成电流上升阶段。在这一阶段中,转速调节器ASR处于饱和限幅状态,电流调节器ACR输出不达到限幅值,以保证其调节作用。2第阶段：恒流升速阶段。这段时间是从电流达到最大电流

18、开始到转速上升到给定转速为止。这段时间是启动过程中时间最长的阶段。在这个阶段中,由于电动机转速小于给定转速,转速调节器一直处于饱和限幅状态,ASR始终输出限幅值。电动机在最大电流作用下升速,增加。虽然ASR的输入偏差在减小,但是仍然不会使ASR的输出退出限幅状态。此时,转速环相当于开环,ASR只负责给出一个最大电流给定值。由于ASR的输出保持不变,在电流环的调节作用下,电枢电流维持最大值不变,系统加速度恒定,转速呈线性增长。由于转速的线性增长,使反电动势E成为一个线性渐增的扰动量,它要迫使电流减小。的减小迫使增大,经电流环的调节又使电流上升接近到原来的值。总之,在恒流升速阶段,转速调节器ASR

19、处于饱和的限幅状态,转速环相当于开环。电流调节器ACR起调节作用,维持接近最大电流不变。3第阶段：转速超调和电流调节阶段。当转速上升到给定值是,即ASR入口偏差电压为零,但由于几分作用,ASR的输出还维持在限幅值上,所以电动机仍在最大电流的作用下继续加速,使转速出现超调。当时,使ASR退出饱和状态,其输出电压即ACR的给定电压迅速下降,也迅速下降。但由于,在一段时间,转速仍继续增加。当时,n达到最大值t3时刻。此后电动机开始在负载阻力作用下减速,电流出现一段小于的过程之后,逐渐接近稳态。在这一阶段中,ASR和ACR同时发挥作用,速度环的调节作用是主导的,它使转速通过电流环趋近于给定速度,最后使

20、系统稳定；而电流环的作用是使电流及其反馈跟随变化,即电流环是随外环而动的随动环。由此看来,转速电流双闭环调速系统在突加阶跃给定的启动过程中,利用转速调节器ASR的饱和非线性,使系统首先变成一个恒流调节系统；又以ASR退出饱和为转机,使系统在达到稳态运行之后成为无静差的调速系统。4.5.2 双闭环调速系统的跟随性能图4-12双闭环调速系统的跟随性能上升时间：图4-13双闭环调速系统的跟随性能峰值时间：图4-14双闭环调速系统的跟随性能调节时间：超调量：4.5.3 双闭环调速系统的抗扰性能在系统稳定运行的时通过接通磁粉制动器来突加负载,观察双闭环系统的抗扰性能,响应曲线如图所示。曲线1是斜坡输入给

21、定信号K190曲线2是实际速度反馈信号K167曲线3是电枢电流反馈信号K117图4-15双闭环调速系统的抗扰性能电枢电流：图4-16双闭环调速系统的抗扰性能实际速度：图4-17双闭环调速系统的抗扰性能最大动态降落：恢复时间：4.6 斜坡函数发生器的参数设定及波形调整,改变斜率观察系统特性P485置0；P637置0；P638置0。调节有效上升时间P303、有效初始圆弧P305、有效终止圆弧P306的参数,观察斜坡给定信号K190与输出反馈信号K167的波形并分析。4.6.1 参数设定与波形调整1P303置5s；P305、P306置0：图4-18有效上升时间为5s时的波形2P303置10s；P30

22、5、P306置0：图4-19有效上升时间为10s时的波形3P303置5s；P305、P306置10：图4-20有效初始、终止圆弧为10时的波形4P303置5s；P305、P306置20：图4-21有效初始、终止圆弧为20时的波形5P303置5s；P305、P306置50：图4-22有效初始、终止圆弧为50时的波形6P303置5s；P305、P306置100：图4-23有效初始、终止圆弧为100时的波形4.6.2 系统特性分析比较1、2两组曲线可知,保持有效初始圆弧、有效终止圆弧不变,给定有效上升时间越长,斜坡斜率越小,达到稳态所用时间越长,即上升越慢。比较1、3、4、5、6五组曲线可知,保持上

23、升时间不变,给定有效初始圆弧、有效终止圆弧越大,波形过渡越平滑,调节时间也越长。4.7 利用模拟量输出通道D/A转换器实现系统电流及速度动态响应曲线的测试图4-24电流及速度动态响应曲线的测试4.8 电机给定运行轨迹控制系统的分析与设计4.8.1给定波形不同时的系统运行轨迹（1） 阶跃给定：图4-25阶跃给定时的运行轨迹2方波给定：图4-26方波给定时的运行轨迹3梯形波给定：图4-27梯形波给定时的运行轨迹4.8.2 速度和电流环P、I不同时的系统运行轨迹（1） 速度环比例系数P的比较：P=2.06图4-28 Pn=2.06时系统运行轨迹调节时间：稳态误差：P=10图4-29 Pn=10时系统

24、运行轨迹调节时间：稳态误差：结论分析：比较两组系统运行轨迹并计算调节时间与稳态误差可知,增大比例系数P,系统调节时间变短,稳态误差明显减小,但由图片看出,曲线振荡加剧。2速度环积分时间常数I的比较：I=0.106图4-30 =0.106时系统运行轨迹图4-31 =0.106时系统运行轨迹图4-32=0.106时系统运行轨迹I=0.05图4-33=0.05时系统运行轨迹图4-34=0.05时系统运行轨迹图4-35=0.05时系统运行轨迹结论分析比较组和组运行轨迹可得,曲线上升时间减小,但超调量变大,振荡次数增加。结合理论知识可知,减小积分时间常数,使系统的稳定性下降,但能消除误差,提高系统的控制

25、精度。3电流环比例系数P的比较：P=0.10图4-36 Pi=0.10时系统运行轨迹P=10图4-37 Pi=10时系统运行轨迹结论分析比较组和组运行轨迹可知,增大电流环比例系数,系统调节时间减小,即系统达到稳态值时间减小,且系统静差减小；但比例系数大,系统振荡次数增加,趋于不稳定。4电流环积分时间常数I的比较：I=0.002图4-38 Ii=0.002时系统运行轨迹I=0.014图4-39 Ii=0.014时系统运行轨迹I=5图4-40 Ii=5时系统运行轨迹结论分析比较组运行轨迹可知,积分时间常数越大,调节时间越长,积分作用越弱,且由图可看出,电流环积分环节并不能消除静差。4.9 电机模型

26、的辨识与参数优化用matlab建立离散系统的模型辨识,求出相关参数,在Simulink环境中对直流调速系统进行仿真设计,具体仿真容有：建立电机开、闭环模型；对电流环和转速环进行时域和频域分析；对调节器参数进行校正设计；对调速系统进行跟随性分析。4.9.1 控制系统计算机仿真的过程控制系统仿真,就是以控制系统的模型为基础,主要用数学模型代替实际的控制系统,以计算机为工具,对控制系统进行实验和研究的一种方法。通常控制系统仿真的过程按以下步骤进行：第一步,建立自控系统的数学模型系统的数学模型,是描述系统输入、输出变量以及部各变量之间关系的数学表达式。常用最基本的数学模型是微分方程与差分方程,根据系统

27、的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学基本定律。这是解析法建立数学模型。对于很多复杂的系统,则必须通过实验方法并利用系统辨识技术,考虑计算所要求的精度,略去一些次要因素,使模型既能准确地反映系统的动态本质,又能简化分析计算的工作。这是实验法建立数学模型。控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。第二步,建立自控系统的仿真模型原始的自控系统的数学模型比如微分方程,并不能用来直接对系统进行仿真。还得将其转换为能够对系统进行仿真的模型。对于连续控制系统而言,有像微分方程这样的原始数学模型,在零初始条件下进行拉普拉斯变换,求得自控系统传递函数数学模型。以传递函数模型为基础,等效变换为状态空间模型,

28、或者将其图形化为动态结构图模型,这些模型都是自控系统的仿真模型。对于离散控制系统而言,有像差分方程这样的原始数学模型以及类似连续系统的各种模型,这些模型都可以对离散系统直接进行仿真。第三步,编制自控系统仿真程序对于非实时系统的仿真,可以用一般的高级语言,例如Basic、Fortran或C等语言编制仿真程序。对于快速的实时系统的仿真,往往用汇编语言编制仿真程序。当然也可以直接利用仿真语言。如果应用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成环境作仿真工具,这就是MATLAB仿真。控制系统的MATLAB仿真是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集。第四步,进行仿真实验并输出仿真

29、结果进行仿真实验,通过实验对仿真模型与仿真程序进行检验和修改,而后按照系统仿真的要求输出仿真结果。4.9.2 Matlab建模与仿真长期以来,仿真领域的研究重点在仿真模型建立这一环节上,即在系统模型建立以后,要设计一种算法以使系统模型等为计算机所接受,然后再将其编制成程序在计算机上运行。Matlab 提供的动态系统仿真工具 Simulink 可有效解决上述仿真技术问题。 在 Simulink 中,建立系统模型,可以随意改变仿真参数,即时得到修改后的仿真结果。 Matlab中的分析与可视化工具多种多样且易于操作。利用 Simulink 对动态系统做适当仿真和分析,可以在实际做出系统之前进行,以便

30、对不符合要求的系统进行适时校正,增强系统性能,减少系统反复修改的时间,实现高效开发系统的目标。4.9.3 转速环与电流环断开操作将电流环直接短接,断开速度环。断开速度环步骤如下：（1） 将速度反馈环断掉：P623置为0 （2） 将速度调节器变为一个纯P调节器：P224置为0（3） 将速度调节器变为K=1的比例环节：P225改为1（4） 将电流调节器短路,避免超速报错F038：P600置为K0120注：可选设置：P388改为适当数值,可避免显示速度监控器报警信息A0314.9.4 线性系统离散化1Z变换的定义Z变换的思想来源于连续系统。线性连续系统的动态性能及稳定性,可以用拉氏变换的方法来进行分

31、析,与此类似,线性离散系统的性能,可以采用Z变换的方法来获得。Z变换是从拉氏变换直接引申出来的一种变换方法,它实际上是采样函数拉氏变换的变形。因此,Z变换又称为采样拉氏变换,是研究线性离散系统的重要数学工具。2Z变换求法设连续时间函数为,对应的离散时间函数为,将展开如下然后逐项进行拉氏变换,得到或者 7-16上式就是离散时间函数进行Z变换的一种级数表达形式。由这种表达形式可知,如果知道连续时间函数在各采样时刻nTn=0,1,2,上的采样值,便可根据式7-16求得其Z变换的级数展开式,它是一个无穷项的数。4.9.5 离散系统的模型辨识离散系统的传递函数可以表示为它对应的差分方程为可以用表示输出信

32、号在前一个采样周期处的函数值,这种模型又称为ARX模型。Matlab的系统辨识工具箱中提出了各种各样的系统辨识函数,其中ARX模型的辨识可以有arx 函数加以实现。如果已知输入信号的列向量,输出信号的列向量,并选定了系统的分子多项式阶次,分母多项式阶次及系统的纯滞后,则可以通过下面命令辨识出系统的数学模型。该函数将直接显示辨识的结果,且所得的为一个结构体,其和分别表示辨识得出的分子和分母多项式模型。Matlab的系统辨识工具箱中提供了一个函数,可以直接用了辨识差分方程的数学模型,将实验所取的400组离散点输入到matlab的工作空间,直接调用函数辨识出系统的参数。由于篇幅限制只列举400组数据

33、中的前50组,如下表所示：Pos,Actualspeed,Iaactvalue,RFGoutput0,1,0,21,1,0,12,2,0,43,1,0,14,1,0,15,0,0,06,2,0,27,0,0,18,2,0,49,1,0,110,0,0,111,6,0,412,1,0,213,0,0,114,8,0,815,2,0,416,0,0,117,2,0,418,101,0,12419,153,0,13520,99,0,8721,41,0,7922,54,0,3123,28,0,2724,24,0,5125,49,0,2226,27,0,2927,21,0,4828,48,0,1729,

34、31,0,2930,27,0,5131,54,0,2432,32,0,3233,27,0,5634,55,0,2135,29,0,3336,21,0,4837,55,0,2738,33,0,3339,28,0,5940,45,0,1841,28,0,737442,956,8181,737443,3329,11797,736744,6317,8998,737445,8599,6550,737146,10086,5346,737447,11404,3982,737148,12277,3729,736749,13178,3616,737150,13948,3186,7374表4-1系统的输入输出数据

35、t1=arxDiscrete-time IDPOLY model: Ay = Bu + e A = 1 - 1.606 q-1 + 0.789 q-2 - 0.1253 q-3 B = 0.1432 Estimated using ARXLoss function 12631.5 and FPE 12886.7Sampling interval: 1由显示的参数可知系统模型为亦即 。再用函数提取系统的传递函数模型 g=tfTransfer function: 0.1432 z3-z3 - 1.606 z2 + 0.789 z - 0.1253Sampling time: 0.0033可得出系统

36、的传递函数模型为直接用函数转换出来的传递函数模型是双输入传递函数矩阵,其第一个传递函数是所需要的传递函数,第2个是从误差信号到输出信号的传递函数,这里可以忽略。4.9.6 离散系统连续化 在离散系统中应用Z变换,是为了把s的超越方程或者描述离散系统的差分方程转换为z的代数方程,然后写出离散系统的脉冲传递函数,再用Z反变换法求出离散系统的时间响应。 所谓Z反变换,是已知Z变换表达式,求相应离散序列的过记为进行Z反变换时,信号序列仍是单边的,即当n h=d2cTransfer function:0.1432 s3 + 150.3 s2 + 6.232e004 s + 1.045e007- s3 +

37、 629.4 s2 + 1.157e005 s + 4.211e006即为方便simulink中的模型建立,求出传递函数零极点,命令如下： z,p,k=tf2zpz = 1.0e+002 * -4.3454 -3.0752 + 2.7086i -3.0752 - 2.7086ip = 1.0e+002 * -2.9072 + 0.5743i -2.9072 - 0.5743i -0.4795 k =0.1432则传递函数即化为如下形式：4.9.7 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析1 Simulink仿真工具MATLAB软件的Toolbox工具箱与Simulink仿真工具,为控制

38、系统的计算与仿真提供了一个强有力的工具,使控制系统的计算与仿真的传统方式发生了革命性的变化。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,不仅界面友好且支持更灵活的模型描述手段。用户既可直接用方块图来输入仿真模型,也可用Matlab语言编写M-文件来输入。既可以纯图形方式输入,也可以纯文本方式来输入。还可将上述两种方法交叉混合使用。既可对连续系统也可对离散系统进行仿真,还适合于采样保持系统。同时,它也具有能在仿真进行的过程中动态改变仿真参数的功能。因此可以不难理解它自推出以后,就一直受到欧美和日本等国家或地区的控制界学者的青睐。Simulink为用户提供了方框图进行建模的图

39、形接口,采用这种结构画模型就像你用笔和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包用微分和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink包含有Sinks、Source、Linear、Nonlinear、Connections和Extra 子模型库,而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自已的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构,因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的容,以此类推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定

40、义完一个模型以后,用户可以通过Simulink的菜单或Matlab命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便,而命令行方式对于运行一类仿真非常有用。采用Scope模块和其它的画图模块,在仿真进行的同时,就可观看到仿真结果。除此之外,用户还可以在改变参数后能迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到Matlab的Workspace里做事后处理。由于Matlab和Simulink是集成在一起的,因此用户可以在这两种环境下对自已的模型进行仿真、分析和修改。2 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析simulink电机模型仿真开环：图4-51电机模型仿真电机输入图

41、形:图4-52电机输入开环时输出图像：图4-53开环输出电机模型仿真闭环：图4-54电机模型仿真闭环时输出图像P=2.06 T=0.106s：图4-55闭环输出P=2.06 T=0.106s闭环时输出图像P=4 T=0.106s：图4-56闭环时输出图像P=4 T=0.106s闭环时输出图像P=2.06 T=0.05s：图4-57闭环时输出图像P=2.06 T=0.05s4.9.8 对比仿真图像与实际图像图4-58 P=2.06 T=0.106s时运行轨迹图4-59 P=4 T=0.106s时运行轨迹图4-60 P=2.06 T=0.05s时运行轨迹结论分析：对比simulink仿真曲线与电机

42、实际运行曲线可知,两组曲线有一定误差,主要可归结为一下三方面。（1） 仿真过程中反馈为单位反馈,而实际电机由于受设备等影响,反馈不是标准单位反馈。（2） 用matlab建立传递函数模型时,只选取了一组数据,建立了一个模型,由于选取离散点时可能受设备及环境因素影响,数据不一定十分准确。应该多选取几组数据,并多建立几个模型,经分析得到最佳模型。3电子元器件的输入输出曲线不可能像理论那样的线性,再加上元器件都有温度特性曲线,器件参数都有误差。5 结论当今,自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展,直流调速控制因其具有良好的起动,制动性能,适合在广泛的围平滑调速,在现代化生产中起着重要作用,

43、在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。因此,研究直流调速系统的控制就显得非常重要。目前使用的双闭环直流调速系统,是按典型系统采用PI 控制器串联校正来设计转速环和电流环的。PI控制器原理简单、技术成熟,在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数,经过经验进行调节器参数在线整定,即可取得满意的结果。因此具有很大的适应性和灵活性。在实验中,速度、电流双闭环调速系统的参数可由6RA70系统自行优化,通过斜坡函数发生器的参数设定及波形调整,改变斜率观察系统特性,可分析出比例环节与积分环节对控制系统的作用及影响：P

44、I控制中的比例环节主要作用是产生和偏差成比例变化的控制作用来减少偏差。积分环节的作用是主要用于消除静差,但另一方面积分作用容易导致积分饱和,使系统超调量增大。通过更改比例系数与积分时间常数可得到较为理想的运行轨迹,但实际中有些情况如大型设备等不易直接更改参数。因此,用matlab建立系统的传递函数模型,并用simulink仿真,从而探究出最佳参数的方法在实际的直流调速系统设计中很有意义。6 使用仪器设备清单SIMENS 6RA70系列直流控制系统主电机磁粉制动器计算机DriveMotor软件、matlab软件7 收获和体会经过此次课程设计,我收获颇丰,主要可归结为以下几点：（1） 了解了SIE

45、MENS直流调速系统6RA70的功能,掌握了外部接线方法,并研读了一部分功能图。学习了DriveMonitor软件的使用方法,学会了通过DriveMonitor对速度、电流双闭环调速系统的参数进行优化,掌握系统的控制参数监视及分析。（2） 将在自动控制系统中所学到的理论知识与实际相结合。对单闭环系统、双闭环系统、反馈系统等,有了更为直观的了解。通过探究速度、电流双闭环调速系统的运行,并研究斜坡函数发生器的参数设定及波形调整,改变斜率观察系统特性等操作,更深入的理解了闭环控制系统中比例环节和积分环节的作用。通过分别更改P及I的参数,我直观的看出：增大比例系数,使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差

46、减小,但振荡次数加多,调节时间加长；积分作用使系统的稳定性下降,积分时间常数小积分作用强会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。这些实验中直观得到的结论与课本中的理论相符,让我加深了对课本的理解。（3） 通过对电机模型的仿真,我掌握了一种工程设计上的基本思想,即先建立电动机模型,探究优化参数,再实际应用参数,观察效果,并与理论比较,反复多次,可得到较为理想的参数。实际生产生活中很多设备并不能直接更改参数,这影响了理论研究,但通过对实际模型的仿真,很好的解决了此类问题,在工程上有很大意义。比如在实验中,通过Matlab建模与仿真及simulink的运用,建立了电动机模型,经过多组参

47、数的更改比较,选出较为优化的参数,再通过6RA70系统实际运行检验参数,并与理论值比较,从而得出了较为满意的结果。（4） 通过此次课程设计,我深刻体会到团队的重要性。在课程设计过程中,通过分工合作,我们在较短的时间完成了规定的任务；通过集思广益,集体讨论,我们解决了好多个人难以解决的问题。课程设计不仅是一次对所学知识的应用,更是一个培养团结合作精神的平台,它让我收获了知识,让我领会了协作精神,更让我燃起了对学术的热情。8 参考文献1 东北大学.综合控制课程设计实验指导书M.：东北大学出版,20072 建昌.自动化控制系统第2版M.：冶金工业出版,20013 薛定宇,晓华.控制系统计算机辅助设计第二版M.：清华大学,20064 王建辉.自动控制原理第4版M.：冶金工业出版,20045 薛定宇,.高等应用数学问题的MATLAB求解第2版M.：清华大学,20086 易磊,影,安立宇.直流调速系统的模糊PID控制器设计实现J.技术交流,2007,23：207-2107 SIEMENS.SIMOREG DC Master使用说明书版本09M.56 / 56