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1、实验四 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用 MATLAB 下的 SIMULINK软件进行系统仿真。学会用 MATLAB 下的 SIMULINK 软件建立转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。二、实验器材PC 机一台， MATLAB 软件三、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统， 按照要求分别进行仿真实验， 输出直流电动机的电枢电流 I d 和转速 n 的响应数据，绘制出它们的响应曲线， 并对实验数据进行分析，给出相应的结论。转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下：直流电动机：额定电压 UN = 220 V，额定电流 IdN =
2、136 A，额定转速 nN = 1460r/min，电动机电势系数Ce= 0.132 V min/r ，允许过载倍数 =1.5 。晶闸管整流装置的放大系数Ks = 40。电枢回路总电阻 R =0.5，电枢回路电磁时间常数Tl = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数 Tm = 0.18 s，整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s,电流滤波时间常数Toi=0.002s。电流反馈系数 =0.05V/A （10V/1.5I N)。四、实验内容1、电流环的仿真。参考教材P90 中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。11-K-4020.50.002s+10.001
3、7s+10.03s+10.18sStepTransfer FcnGainSaturationTransfer Fcn1Transfer Fcn2Transfer Fcn31-K-sGain1Integrator0.050.002s+1Transfer Fcn4Scope图 1 电流环的仿真模型2、按照表 1 中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数Ki，观察电流环输出电枢电流I d 的响应曲线，记录电枢电流I d 的超调量、响应时间、稳态值等参数，是否存在静差？分析原因。表 1比例积分系数KTK pK i0.250.506716.890.51.01333.771.02
4、.02767.57不 同 比 例 系 数 Kp 和 积 分 系 数 Ki 时 的 电 枢 电 流 曲 线250Kp/Ki=0.5067/16.89Kp/Ki=1.013/33.77Kp/Ki=2.027/67.57200150A/dI10050000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1t/s2表 1 不同比例系数Kp 和积分系数 Ki 的电枢电流数据对比Kp/KiId/A0.010.020.040.060.080.1t/s0.5067/16.8995.28150.3187.73188.93187.12185.931.013/33.77128.58206.
5、84194.88193.59192.83192.452.027/67.57179.1215.92202.86198.74197.29196.66分析：由表 1 可知，不同的比例系数Kp 和积分系数 Ki 会影响系统的电枢电流且系统存在静差，原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，电动机反电动势是一个线性渐增的扰动量， 所以系统做不到无静差。 。当 Kp/Ki=0.5067/16.89 时，在响应阶段中电枢电流较小，无超调，其稳态值为186A，响应时间较长，大约为0.05s；当Kp/Ki=1.013/33.77 时，在响应阶段中电枢电流较大，其稳态值为193A，响应时间短，大约为 0.045
6、s；当 Kp/Ki =2.027/67.57时，响应阶段中电流大，其稳态值为198A，响应时间短，大约为 0.035s。所以超调量 1=0；2= C maxC100%= 207 -193100%=7.3%；C1933= C maxC100%= 240 - 198100%=21.2%。C1983、选择电流中一组比较好的比例系数 Kp 和积分系数 Ki，在系统中加入转速环， 建立转速、电流控制直流调速系统的仿真模型。 其中：转速环 PI 调节器的参数为 Kp=11.7，Ki=134.48，系统的负载电流 IdL=136A，观察调速系统输出转速 n 的响应曲线，并记录转速的超调量、响应时间、稳态值等
7、参数， 以及电枢电流 I d 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。选择 Kp/Ki =1.013/33.77。3-K-1-K-4020.5-K-0.002s+10.0017s+10.03s+10.18sStepGain3Saturation1Transfer Fcn4GainSaturationTransfer FcnTransfer Fcn1Transfer Fcn2Gain21-K-1Step1-K-ssGain1IntegratorGain4Integrator1Transfer Fcn30.050.002s+1ScopeTransfer Fcn50.006660.01s+1图 2 转
8、速、电流控制的直流调速系统的仿真模型转速、电流反馈控制直流调速系统的转速曲线1600140012001000)ni800m/r(n 6004002000-20000.511.5t/s4转速、电流反馈控制直流调速系统的电枢电流曲线250200150A/dI1005000.511.50t/s表 2 转速、反馈控制直流调速系统的转速和电枢电流数据t/s0.050.10.40.81.21.5n(r/min)38.83104.39492.291008.51524.11501.6Id/A198.31197.62197.49197.46194.68135.86分析：在转速、电流反馈控制的直流调速系统中，电流
9、快速达到稳态值然后保持稳定，转速在短时间内以最大加速度上升至稳态值，转速响应时间大约为1.2s，稳态值为1502r/min，其超调量 = C max C100%=1543- 1502 100%=2.7%。在转速达到稳态C1502值时电流开始下降，在此过程中，转速先上升后下降，当电流下降到负载电流大小时，转速达到稳态值，并保持稳定。4、对比带电流截止负反馈的直流调速系统，该双闭环控制直流调速系统的输出转速 n 和电枢电流 Id 的响应曲线和相关数据，分析原因，并给出相关结论。分析：由表 2 可知，与带电流截止负反馈的直流调速系统相比，该双闭环控制直流调速系统充分利用电机允许的过载能力，在转速上升阶段始终保持电机允许电流的最大值，使电机转速以最大加速度上升。在到达稳定转速后，电流又能在短时间内降下来，使转矩与负载相平衡，从而稳态运行。四、实验总结转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良的直流调速系统，对比电5流截止反馈的扰动时间长、 转速动态降落大、 不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应等缺点， 比较完美的解决了上述问题，能充分按照理想要求控制电流，有良好的起动性能。6
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