基于matlab的直流电机调速系统性能仿真研究.pdf

摘要仿真对于控制系统的分析、设计和验证具有重要的意义，使用MATLAB编程语言及其 Si mul i nk工具箱可以进行控制系统的仿真。作者借助于MATLAB 7.0软件，对一些典型的直流 电机控制系统进行了仿真研究，实现了不同模型的动态仿真，对系统作了稳态和动态性能指标分 析。对同一种直流电机调速系统，可以采取纯由传递函数模块搭建系统模型仿真、基于电气原理 图结构搭建混合模块的系统模型仿真和编程仿真，并阐述了各种方法的特点。对数字PID控制算法进行了设计，包括简单的数字PID控制算法和不完全微分式、积分分离 式两种改进的数字PID控制算法。研究了利用仿真手段整定计算机控制直流电机系统的采样周期 和PID参数的方法，以获得优良的系统调速性能。关键词：MATLAB；仿真；直流电机；调速；PIDABSTRACTTh e si mul at i on i s of g re at si g ni f i cance t o anal yze,de si g n and val i dat e t h e cont rol syst e m.Th e si mul at i on of cont rol syst e m can be carri e d out t h roug h usi ng MATLAB prog rammi ng l ang uag e and MATLAB/Si mul i nk t ool box.Th e st udy on a coupl e of t ypi cal DC cont rol syst e ms wi t h MATLAB 7.0 h as be e n carri e d out by t h e aut h or,and t h e syst e m si mul at i on base d on di f f e re nt MATLAB mode l s h as be e n re al i ze d,i ncl udi ng t h e si mul at i on of t h e syst e m mode l wh i ch i s pure l y const ruct e d by t h e t ransf e r f unct i on bl ock s,t h e si mul at i on of t h e syst e m mode l wh i ch i s made up of h ybri d Si mul i nk bl ock s and t h e si mul at i on of t h e syst e m mode l comi ng f rom MATLAB prog rammi ng,and t h e f e at ure s of t h e above ways are i l l ust rat e d.Th e anal yze of dynami c and st abl e pe rf ormance and i nde x of t h e se DC mach i ne cont rol syst e ms i s al so done i n t h i s st udy.More ove r,t h e si mul at i on st udy on di g i t al PID cont rol l e d DC cont rol syst e ms i s al so done i n t h i s re se arch,i ncl udi ng t h e si mul at i on of si mpl e di g i t al PID cont rol al g ori t h m and t h e si mul at i on of part i al di f f e re nt i al and i nt e g ral se parat i on,t wo k i nds of i mprove d di g i t al PID cont rol al g ori t h ms.Th e me t h od of t uni ng by si mul at i on t h e sampl i ng t i me and t h e PID cont rol parame t e rs of di g i t al DC cont rol syst e m i s st udi e d t o obt ai n g ood spe e d re g ul at i on pe rf ormance.Key WbrdS：MATLAB;si mul at i on;DC mach i ne;spe e d re g ul at i on;PID中国农业大学硕卜学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 概述直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。在许 多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制 技术的角度来看，又是近年发展迅速的交流调速系统的基础.目前，直流调速系统仍然是自动调 速系统的主要形式。特别是基于数字采集和计算机控制的直流调速系统得到了越来越广泛的应 用，在这种系统中，控制算法直接影响到控制系统的性能。MATLAB软件由于其强大的功能，早已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对各种直流调速系统进行仿真分析和设计，可以大大 缩短控制系统的算法设计开发周期。直流调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。算法设计是仿真的一项重要应用。研究者们可以通过仿真实现各种算法的控制器设计,如采用PID 调节器控制的直流调速系统设计，将积分校正网络算法应用于直流电机控制器的设计和应用 于直流电机自动跟踪系统中的自校正积分分离P1D控制算法设计，等等。利用仿真还可以优化系统参数。如对于晶闸管直流电动机调速系统，可以通过仿真确定平波 电抗器的最佳值，以获得最好的电机电流响应特性。就直流调速系统的MATLAB建模方式而言，主要有三种类型，即主要基于系统传递函数建 模、面向电气原理图结构建模和编制MATLAB语言源程序建模。其中前两种是在 MATLAB/Si mul i nk集成环境下建模，这几种方式各有特点。研究者大多使用主要基于系统传递函数的建模方式。这种方式建模依据系统各部分的传递函 数直接建模，运行仿真的时间一般很短，往往在一两秒之间即出结果，非常快捷。近年周渊深博士网依据MATLAB/Si mul i nk工具箱中的各种仿真模块，首次提出一种叫做面 向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法，以此进行各种交直流调速系统的仿真。该方法由 于使用了 Si mul i nk/Powe rSyst e m工具箱中的电力模块，所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统 的电气原理图结构相似，很直观；但系统模型规模较大，仿真时间较长.性能分析是仿真工作的重要内容。利用MATLAB可以比较方便地实现各种系统的性能分析。(5.6,7.8,9通过MATLAB来研究采用无刷直流电动机的直流调速系统，是近年来的一个研究热点。由 于无刷直流电动机的特点和在计算机外围设备、仪器仪表和伺服系统等领域的应用，有关这方面 的仿真研究很多。在直流电动机模型的建模方面，除了以传递函数表示的数学模型进行建模和使用Si mul i nk 下的直流电动机模型以外，有研究者建立了一种新的模型，这种模型是考虑了直流电动机运行在 零速度附近时产生的非线形摩擦所带来的影响而建立的，由于这种直流电动机模型更精确，因而 更加有利于今后控制器的设计与调试。口 a中国农业大学硕卜学位论文 第一章绪论综上所述，由于MATLAB软件能够很好地对直流调速系统进行仿真，因此在本课题中，本 人将利用MATLAB特别是MATLAB/Si mul i nk工具箱，构建直流调速系统的仿真模型，对其仿真 实现、性能分析和算法设计等方面继续作深入而全面的研究。在研究方法上，考虑到上述提到的几种仿真方式的特点，进行多种方式的对调速系统的仿真 研究，是会使我们的研究工作富有灵活性从而为我们带来便利的。因此，在本课题中，采用了多 种仿真方式来研究各类直流调速系统。1.2 研究的目标与内容】.研究目标：通过仿真，深入研究直流调速系统的性能，开发新的控制算法。2.主要内容：(1)利用MATLAB软件进行直流调速系统仿真，深入研究单闭环与双闭环等控制系统的 动态特性；(2)利用仿真手段对直流调速系统进行动态和稳态性能分析；(3)构建含有扰动的交流电源模型子系统，以实现对系统的电源扰动性能分析；(4)基于MATLAB,设计数字PID控制算法。2中国农业大学硕匕学位论文第二章MATLAB软件及其在挣制系统中的仿真第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真2.1 计算机仿真技术概述计算机仿真在经历了半个多世纪的飞速发展后，迄今已发展成为一种真正的、系统的实验科 学，并且在航空、航天等众多领域显示了巨大的社会效益和经济效益。1.计算机仿真基本概念计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的技术与方 法。模型：模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统特征与变化规律 的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。模型可以分为物理模型、数学模型和仿真 模型。计算机仿真分类:的是现代计算机仿真,其数值计算功能强大,方法。计算机仿真应用:可分为模拟仿真、数字仿真、混合仿真和现代计算机仿真。目前主要采用 特征是采用先进的微型计算机，使用专用的仿真软件、仿真语言来实现，易学易用。它是在20世纪80年代发展起来的，是当前主流的仿真技术与 计算机仿真在目前有着广泛的应用。而且应用的深度和广度也越来越大,主要应用在航空与航天工业、电子与电力工业、原子能工业和非工程领域如医学、经济学等方面。计算机仿真技术的应用意义：计算机仿真技术具有重要的意义，主要体现在以下几个方面：经济。大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，而采用仿真实验成本很低，而且设备可 以重复使用。安全。采用仿真实验可以可以有效地降低对某些系统进行直接实验的危险程度，对系统的 研究起到保障作用。(3)快捷。提高设计效率，如电路设计、服装设计等.(4)具有优化设计和预测的特殊功能,对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困 难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能；而且通过仿真技术与方法的应用可以获得对系 统的某种超前认识。2.自动控制系统仿真自动控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理 论、计算数学和计算机技术的综合性新型学科。它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为 工具，对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究，而 计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型，可以通过计算机仿真来研究 被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案.随着计算机技术的发展，计算 机仿真越来越多地取代纯物理仿真，它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制 系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。3.自动控制系统计算机仿真基本过程3中国农业大学硕卜学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真自动控制系统仿真包括以下几个基本步骤：问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析，其 流程如图21所示。图2-1计算机仿真流程图随着计算机技术的发展与进步，计算机仿真技术今后也将得到进一步的发展，诸如系统仿真 速度的有效提高等等。计算机仿真技术在今后的发展将在硬件、应用软件、分布式数字仿真和虚 拟现实技术几个方面得到体现。11312.2 MATLAB 简介MATLAB是Mat h Work s公司于1984年推出的数学软件,是一种用于科学工程计算的高效率 的高级语言。MATLAB的含义是“矩阵实验室”(Mat ri x Laborat ory),主要向用户提供一套非常 完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统仿真、数字信号处理、科 学可视化的通用标准语言。由于MATLAB软件完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向一一科学计算、建模仿真及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。MATLAB具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简单、编程效率高、易学易懂等,因此MATLAB语言也被通俗地称为演算纸式的科学算法语言与Basi c,Fort ran,C/Ch等语言相 4中国农业大学硕上学位论文 第二用MATLAB软件及H在挣制系统中的仿真比，MATLAB的语法更简单，更贴近人的思维方式.MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本的数据结构是矩阵。2004年7月，Mat h Work公司推出了最新版的MATLAB R14版本，该版本集成了最新的 MATLAB 7编译器、Si mul i nk 6.0图形仿真器及很多工具箱，增加了很多新的功能和特性，内容 相当强大，针对编程环境、代码效率、数据可视化、文件VO等方面都进行了全面的升级。1刈2.3 MATLAB在控制系统中的仿真功能和意义在控制系统仿真初期，往往需要仿真技术人员自己用BASIC等语言去编写数值计算程序，即便想求得系统的阶跃响应数据并绘制阶跃响应曲线这样一个简单的问题也需要花费很多的时 间用于编写求解微分方程的子程序和绘图子程序；并且由于没有纳入规范，往往不能保证求解结 果的正确性.MATLAB的问世，特别是其包含的控制系统工具箱和Si mul i nk工具箱，给控制系统的分析 和设计带来了极大的方便，软件版本发展至今已经愈发完善。随着MATLAB软件的不断升级以及功能强大的TOOLBOX的出现,MATLAB将成为自动控 制系统计算与仿真的一个越来越强有力的工具，使控制系统的计算与仿真较传统方法发生革命性 的变化，MATLAB正成为国内外控制领域内最流行的计算与仿真软件。MATLAB在控制系统的分析和仿真方面，既功能强大又灵活多样.使用MATLAB既可以以 系统的传递函数为基础，使用MAFLAB的Si mul i nk工具箱搭建系统模型对其进行仿真研究；也 可以编制系统的MATLAB语言程序，通过执行程序而得到仿真结果；还可以在由Si mul i nk模块 搭建的系统模型中嵌入MATLAB函数进行仿真，非常灵活。2.4 控制系统仿真中常用的函数介绍下面我们择其主要介绍一些MATLAB函数，因为这些函数在使用编程的方式进行控制系统 的仿真时会经常用到。1.G=t f(num de n)建立传递函数模型。num是分子多项式系数行向量，de n是分母多项式系数行向量。2.num,de n=se ri e s(num 1,de n 1,num2,de n2)表示将串联连接的两个单输入单输出系统G|(s)和G2(s)的传递函数进行相乘.3.(num,de n=f e e dback(t i um 1,de nI,num2,de n2,si g n)表示将两个系统按反馈方式连接，一般而言，系统1为对象，系统2为反馈控制器。Si g n用 来指示系统2输出到系统1输入的连接符号，si g n默认为负值，即si g n=L4.numc,de ne=cl oop(num,de n,si g n)表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统si g n的意义与上述相同。注意这里的闭环连接 指的是通常意义下的单位反馈连接，因这种连接在实际中大量存在。5.sysd=c2d(sysc,Ts me t h od)5中国农业大学硕卜学位论文 第二章MATLAB软件及其rr捽制系统中的仿真连续时间m系统模型转换成离散时间系统模型，Ts是采样周期。6.sysc=d2c(sysd,me t h od)第5、6荫个函数中的me t h od表示转换是选用的变换方法，如其值为zoh,表示对输入 信号加零阶保持器；如为f bh、表示对输入信号加一阶保持器；如为t us t i n,表示采用双线 性变换方法；等等。2.5 Simul ink主要的仿真模块介绍1.DC mach i ne 模块模块符号如图22所示。DC Machine图2-2 DC mach i ne模块符号下面我们对DC mach i ne模块的结构作一个剖析，因为通过了解其结构，可以决定我们对 MMATLAB/Si mul i nk模型仿真的信赖程度.限于论文篇幅.本节所提到的所有Si mul i nk模块，我们有选择性地作一下较为的详细介绍。DC mach i ne模块组成结构为图23所示。Rf U图2-3 DC mach i ne模块的组成结构1其中名为“Me ch ani cs”的模块是一个子系统，是直流电动机的机械部分.内部结构为图2-4中国农业大学硕上学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真图24 DC mach i ne模块的组成结构2(机械部分)直流电动机的有关关系式如下。E=Ke3在此E是反电势，&是电势常数，而3是角速度。(2-1)KE=Laf i f(2-2)此处Laf是励磁绕组和电枢绕组之间的互感，If是励磁电流。Te=KT【a(23)在此Te是电磁转矩，Kt是电磁转矩常数，l a是电枢电流。Kt=Ke(2-4)Te n*时，该模块工作在电动机模式；Te l YH时，该模块工作在发电机模式。在机械部分里，实现以下关系=Te-sg n(co)Tc-Bmw-Tf(25)di式中，J是直流电动机的转动惯量，兀是负载转矩，Bm是粘滞摩擦系数，R是静摩擦转矩。倒1通过以上剖析可以看到,DC mach i ne模块的模型比较全面地描述和反映了直流电动机的结构 以及电学和机械特性，因此可以很好地仿真一台真实的直流电动机。而本论文中另外所使用的传 递函数模型，重在电机物理量的传输特性，在描述方面则显得简单一些。2.Uni ve rsal Bri dg e(万用桥路)模块 模块符号如图25所示。7中国农业大学硕I学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真Universal Biidge图 2-5 Uni ve rsal Bri dg e 模块符号该模块既可作晶闸管整流桥，又可作二极管整流桥，还可作为GTO、IGBT等整流桥路使用.故名为Uni ve rsal Bri dg e（万用桥路）。3.Synch roni ze d 6-Pul se Ge ne rat or（同步 6 脉冲产生器）模块 模块符号如图26所示。al加加）AB）BC|pul w）CA）BfodcSynchroniztd6-Pube Generator图 26 Synch roni ze d 6-Pul se Ge ne rat or（同步 6 脉冲产生器）模块该模块可用来产生触发三相全控整流桥路中的晶闸管所需要的6个触发电压脉冲，可设置为 产生6个双脉冲的形式。al ph a_de g端为晶闸管的控制角输入端；AB、BC和CA端为三相交流电 源的线电压输入端；Bl ock端为触发器开关端，此端输入信号为“0”时，开放触发器；为 T 时，封锁触发器；右端是触发脉冲输出端.4.PI Cont rol l e r（PI 控制器）模块符号如图27所示。回图 27 PI Cont rol l e r 模块模块的内部结构模型如图28所示.图28 PI Cont rol l e r模块的内部结构模型不难看出，该模块可以实现对输入信号的比例放大和积分作用，名为“Sat u rat i on”的模块 8中国农业大学硕卜学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真是限幅器，可对PI控制器的输出进行限幅。其他有关重要模块我们在构建直流调速系统的仿真模型时顺便介绍。2.6 Si mu I ink的仿真设置问题在编辑好系统的仿真模型后运行仿真模型前，需要设置仿真操作参数，以便进行仿真。这通 过单击Si mul at i on菜单下的Conf i g urat i on Parame t e rs项，在随后弹出的Conf i g urat i on对话框中进 行。设置内容包括仿真器参数（Sol ve r）设置、工作空间数据导入导出（Dat a Import/Export）设 置、优化（Opt i mi zat i on）设置等，以下结合自己所作系统仿真实验的内容，介绍一下仿真器的参 数设置方法。S2-9仿真器参数设置窗口曜二丁；二-丁,二：然啕评/和期*件震学叫严辱浮即咚笔善梦g唠驾整旗轲理坤飞哼哆筋笨例忡足唠厘睁啷鳏；SUH|o 01.俗斗，乙Stop time:卜:那冷今火-产，+“*，”9 35 3一 彳3*boivcr options.*.j1 Tzpe:幺Variabl e-step jjJ Sol ver;|ode45(DormndPrinee)|jiMax step size:auto BeUtive tol erance:|l e-3Nin step size:auto Absol ute tol erance:|&uto?Initial step sixe:Zero cxossinc control:auto rVse IocilI settings 11.仿真器的参数设置仿真器的参数设置可用于选择仿真开始时间、仿真结束时间、解法器及输出项等。（1）仿真时间：这里所指的时间概念与真实的时间不同，只是计算机仿真中对时间的一种表 示。比如本人所作的一些系统仿真实验，其中含有Si mPowe rSyst e ms（电力系统仿真）工 具箱中的电力模块模型，由于这些模型构成复杂，设置为2.5秒仿真时间的系统，在实际 运行仿真时费时达10分钟左右.仿真实际耗费的时间取决于很多因素，包括模型的复杂 程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等.仿真步长模式：有Vari abl e-st e p（变步长）和Fi xe d-st e p（固定步长）两种模式。选择变 步长模式可以在仿真过程中改变步长，提供误差控制和过零检测选择，而固定步长模式则相 反。本论文所涉及的仿真实验全部采用变步长模式.（3）Sol ve r（解法器）选择：Sol ve r（解法器）选项用于选择变步长模式解法器。常用的解法 器及其含义介绍如下。Ode 45：该算法适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（st i f f）系统。所谓刚性系 统，是指对于一个用常微分方程组描述模型的系统，如果方程组的Jacobi an矩阵的特征值 相差特别悬殊，则将此系统称为刚性系统。Ode 23t b：属于TR-BDF2算法，适合于求解刚性问题，对于求解允许误差比较宽的问题效 果好。9中国农业大学硕卜学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真Ode 23s：该算法专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果优于ode 15s.Ode l 13：属于Adams算法，表示一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下 通常比ode 45有效。Ode l 5s；属于NDFs算法，用于解决刚性问题。当ode 45、od e l l 3无法解决问题时，可以 尝试采用ode l 5s去求解，但此法运算精度较低。Di scre t e：用于处理非连续状态的系统模型。步长参数：该参数是指在变步长模式下，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数。默认情况下，步长自动确定，用aut o值表示。1,312.仿真模块的参数设置问题在对系统运行仿真前，必须对系统的各个Si mul i nk模块进行参数设置。由于调速系统所采用 的模块众多，下面我们仅对其中的三个重要的模块作个介绍，其他模块的设置原理与此相同。(1)直流电动机(DC mach i ne)模块。其参数设置对话框如图210所示。图2-10 DC mach i ne模块的参数设对话框在此对话框中，我们可以对直流电动机的电枢电阻和电感、励磁电阻和电感、电枢绕组和励 磁绕组之间的互感、转动惯量、粘滞摩擦系数、静摩擦转矩和初始速度的设置。晶闸管整流桥的参数设置问题。其参数设置对话框如图211所示。中国农业大学硕士学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真图2-11 SCR整流桥的参数设彳对话框在其中可以对晶闸管整流桥的桥臂数目、内阻等参数进行设置。同步六脉冲触发器(Synch roni ze d 6-PuIse Ge ne rat or),其参数设置对话框如图212所示。Syi k cl i roni ze d B-pul st ce ne rat or(ask)(l i rJc)-；，?Use this bl ock to fire the 6 thyristors of a 6-pul x converter.The output is a vector of 6 pul ses(0*1)individual l y srnchromzed on;the 6 commutation vol tages.Pnl ses are generated al pha dExes after I the increasing zero-crossinES of the coiwftutation vol taces.r-faramet ers-；Freouencr of STMtixomstion vol tages(Hx):图2-12同步六脉冲触发器(Synch roni ze d 6-Pul se Ge ne rat or)的参数设置对话框中国农业大学硕上学位论文 第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真在此对话框中，可以对同步六脉冲触发器所使用的同步电压频率、脉冲宽度和是否使用双脉 冲进行设置。2.7使用MATLAB进行控制系统仿真的方法本人在使用MATLAB进行直流调速系统的仿真时使用了三种方式，即主要基于传递函数构 建系统仿真模型、采用电气原理图结构构建系统仿真模型和编程进行仿真的方法.这是由于各种 方法特点不同而然的。下面对这三种方法作个说明。1.主要基于传递函数构建系统模型进行仿真的方法该方法依据以传递函数为主的直流调速系统的数学模型，搭建系统的仿真模型。特点是运行 仿真的速度很快，一般规模的系统仿真模型，往往仅需1到2秒的时间就完成了仿真。而同时又 能抓住所研究的系统的主要矛盾，有利于迅速地分析和解决问题。2,采用电气原理图结构构建系统模型进行仿真的方法该方法主要采用Si mul i nk和Powe r Syst e m模块库中所包含的模块，搭建系统的仿真模型，由于Powe r Syst e m中包含的是一些电力系统的模块，如电动机、整流器等器件，所以搭建出的系 统看起来非常像电气原理图，因此非常直观。但相对于主要基于传递函数构建系统模型进行仿真 的方法，其运行仿真的速度要慢得多，运行一次仿真的时间往往达10多分钟,这在需要反复调 试参数的时候往往耗时很多.3.编制语言源程序进行仿真的方法该方法也是依赖于系统的传递函数和有关的MATLAB函数,按照MATLAB语言的编程规则 编制出控制系统的程序，然后执行程序进行仿真。在编程时如果使用循环语句，给系统的P、L D控制参数一个初值和步长值，则运行程序后软件就会给出在不同的控制参数下的系统的特性曲 线，这可以使我们较快地确定待定的P、I、D控制参数的取值范围，从而以最快的速度确定系统 的参数.1、2两种方法我们在第三章专门进行研究，在此我们介绍一下第3种方法。假如单位负反馈的系统的开环传递函数G。(s)为Go(s)=1/(s+1)(2s+l)(5s+l)采用比例积分控制，比例系数Kp=2,积分时间常数分别取3=3,6,14,21,28(程序中用t i 代表下)，研究各比例积分系数下系统的单位阶跃响应。为此我们可以使用如下的MATLAB程序网：G=t f(l,conv(conv(1,1,2,1),(5,1);KP=2t i=3,6,14,21,28f or i=l:5Gl=t nKIKP/t i(i),l,ODsys=f e e dback(Gl 1);st e p(sys)中国农业大学硕士学位论文第二章MATLAB软件及其在控制系统中的仿真h ol d on e nd g t e xt f t i=39 g t e xt f t i W*)g t e xt Ct i=14)g t e xt f t i Wl)g t e xt(*t i=281)运行程序后，得到响应曲线如图213所示.图213编制MATLAB程序研究系统PI控制的效果从图2-13可以看出，随着积分时间的减小，积分控制作用增强，闭环系统的稔定性变差.于是我们可以根据需要，选择一个合适的积分时间常数范围后，修改程序当中期取值，使之落在 一个小的范围内，再次运行仿真，分析响应曲线，直到获得合适的H数值为止。中国农业大学硕卜学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析第三章直流调速系统性能的仿真分析本章介绍系统仿真模型的构建和仿真设置、步骤，重在介绍直流调速系统的 MATLAB/Si mul i nk仿真模型的调试方法和过程，特别是以转速、电流双闭环直流调速系统为代表 的多环系统，因其调速性能优良而调试困难，因而就显得更有意义。在本章中，我们以一种仿真 调试的办法来确定调速系统的控制参数和其它参数，如平波电抗器的电感数值等，达到我们所期 望的系统控制效果。这样做的好处在于设计带有PID控制的调速系统时可以避免计算，运行仿真 后可以直接看到结果波形，这种设计调速系统的方法，不妨称之为仿真设计，也可称之为仿真整 定或者仿真调试。3.1 自动控制系统基本知识所谓自动控制系统就是在无人直接操作或干预的条件下，通过控制器使控制对象自动地按照 给定的规律进行，使被控量能够按照给定的规律变化。系统是指为完成一定要求和任务的部件或 功能的组合，它们相互影响，协调地完成给定的要求和任务。能够实现自动控制的系统称为自动 控制系统。自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。如果控制系统的输出量对系统没有控制作用，则这种系统称为开环控制系统.闭环控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端与给定量进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，经过控制器或调节器对控制对象进行控制，抑制内部或外 部扰动对输出量的影响，从而减小输出量的误差.闭环控制系统一般是由给定环节、比较环节、中间环节（校正环节）；执行机构、控制对象 或调节对象以及检测装置或传感器五个基本环节组成，在控制系统中，通常把比较环节、校正环 节和放大环节合在一起称为控制装置。反馈控制系统的品质要求可以归结为稳定性、快速性和准确性（精度）自动控制系统按不同系统的特征方程式，可以分为线性系统和非线性系统。连续系统：从数学模型角度而言，连续系统各部分信号均以模拟的连续函数形式表示。以前 的大部分闭环系统都属于连续系统。离散系统；从数学模型角度而言，离散系统的某一处或几处信号是以脉冲序列或数字形式表 示的.目前的计算机控制系统都属于离散系统。3.2 直流调速系统的性能指标直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统.按供电方式的不同，它可分为交流拖动的直流发电机组供电、水银整流器供电和晶闸管供电和直流脉宽调速几种方 14中国农业大学硕士学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析式.调速系统的稳态和动态性能指标1.稳态性能指标所谓稳态性能指标是指系统稳定运行时的性能指标，如调速系统稳定运行时的调速范围和静 差率等。2.动态性能指标交直流调速系统在动态过程中的指标称为动态性能指标。由于实际系统存在着电磁和机械惯 性，因此当转速调节时总有一个动态过程。衡量交直流调速系统动态性能的指标可分为跟随 性能指标和抗扰性能指标两类。跟随性能指标调速系统的跟随性能指标一般用零初始条件下，系统对阶跃给定输入信号的输出响应过程来 表示。主要跟随性能指标有上升时间%、超调量。和调节时间k 抗扰性能指标控制系统在稳定运行中受到电动机负载变化，电网电压波动等干扰因素的影响时，会引起输 出量的变化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的稳态。这一恢复过程就是系统的抗扰过程。抗扰性能指标有动态速降稳态速降n2-nl、恢复时间t v，3.3直流电动机参数的实验确定方法在此介绍一下直流调速系统参数的实验确定方法0句，因为这是我们进行仿真时需要输入这些 参数，因而是我们作仿真的前提.1.注意事项由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。为防止电枢过大电流冲击，每次增加Ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回 零位，以防过流.电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。2.实验方法(1)电枢回路电阻R的测定电枢回路的总电阻包括电机的电枢电阻Ra,平波电抗器的直流电阻也和整流装置的内阻Rn,即R=Ra+RL+Rn(3-1)如采用V-M系统，为测出晶闸管装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验 线路如图3一1所示。中国农业大学硕卜学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析晶闸管装置图3-1伏安比较法来测定电阻的实验线路将变阻器RP(可采用两只900欧姆电阻并联)接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至 最大.测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。调节Ug使整流装置输出电压Ud=(3070)%Ue d(可为H0V),然后调整RP使电枢电 流为(8090)%Ie d,读取电流表A和电压表V的数值为H,U1,则此时整流装置的理想空载 电压为Udo=HR+Ul(3-2)调节RP,使电流表A的读数为40%Ie d在Ud不变的条件下读取A,V表数值，则Udo=I2+U2(3-3)求解两式，可得电枢回路总电阻R=(U2-U1)/-12)(3-4)如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得Rl+Rj i=()/(-/；)(35)则电机的电枢电阻为Ra=R-(Rt+Rn)(36)同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻母。电枢回路电感L的测定电枢电路总电感包括电机的电枢电感La,平波电抗器电感Ll和整流变压器漏感Lb，由于 Lb数值很小，可忽略，故电枢回路的等效总电感为L=La+U(37)电感的数值可用交流伏安法测定。电动机应加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图32 所示。16中国农业大学硕十学位论文第三章直流调速系统性能的仿真分析图3-2交流伏安法测定电感的实险线路，合上主电路电源开关，用电压表和电流表分别测出通入交流电压后电枢两端和电抗器上的电 压值Ua和Ul及电流I(可取0.5A),从而可得到交流阻抗Za和Zl，计算出电感值La和Ll。直流电动机一发电机一测速发电机组飞轮惯量GD2的测定电力拖动系统的运动方程式为Te-TL=(GD2/375)X dn/dt(38)空载时负载转矩为Tk。电机空载自由停车时，运动方程式为Tk=258从表31中可见，在给定值为120(rad/s),空载转速为1035(r/mi n)的情况下，突加 Tl=50(N.m)的负载时，转速降落和静差率均较小，而调速范围很大。动态性能指标分析跟随性能指标分析3-2单环有睁差转速负反馈调速系统跟随性能指标跟随性指参数上升时间t r(s)超调量。%调节时间t s(s)数值0.2814.5%*0.43从表32中可见，此单环有静差转速负反馈调速系统的上升时间和调节时间均较短，但超 调量较大，超过10%.21中国农业大学硕士学位论文第三章亶流调速系统性能的仿真分析抗扰性能指标分析负载扰动对调速系统性能产生的影响。为了研究由于负载转矩Tl的变化对系统性能的影响，需要将代表Tl的模块由原来的“Const ant（常数）模块换为“St e p”（阶跃信号）模块。系统模型如图36所示.图中的“St e p”模块已将名字由原先的“St e p”更改为“TL f rom 50 t o 100”。D