电力拖动Matlab仿真试验参考指导书.doc

实验一 转速反馈控制（单闭环）直流调速系统仿真
一．实验目
1．研究直流电动机调速系统在转速反馈控制下工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR工作及其对系统响应特性影响。
3. 观测转速反馈直流调速系统在给定阶跃输入下转速响应。
二、实验设备
1．计算机；
2．模仿实验装置系统；
3．A/D & D/A接口卡、扁平电缆（如下图所示）。

三、实验原理
l 直流电动机：额定电压 ， 额定电流 ,
额定转速 ，电动机电势系数
l 晶闸管整流装置输出电流可逆，装置放大系数 Ks=44，滞后时间常数 Ts=0.00167s 。
l 电枢回路总电阻 R=1.0Ω ，电枢回路电磁时间常数T1=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm =0.075s 。
l 转速反馈系数α=0.01 V·min/r 。
l 相应额定转速时给定电压

图1 比例积分控制直流调速系统仿真框图
四、实验内容
1. 仿真模型建立
n 进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中SIMULINK图标，

图2 SIMULINK模块浏览器窗口

(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型图标或选取File→New→Model菜单项实现。
(2)复制有关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需子模块，拖入模型编辑窗口。
在本例中拖入模型编辑窗口为：Source组中Step模块；Math Operations组中Sum模块和Gain模块；Continuous组中Transfer Fcn模块和Integrator模块；Sinks组中Scope模块；

图3 模型编辑窗口

(3)修改模块参数：
双击模块图案，则浮现关于该图案对话框，通过修改对话框内容来设定模块参数。
双击sum模块，Transfer Fen模块，Step模块，Gain模块，Integrator模块
描述加法器三路输入符号，|表达该路没有信号，用|+-取代本来符号。得到减法器。

图4 加法器sum模块对话框
分母多项式系数
分子多项式系数
例如，0.002s+1是用向量[0.002 1]来表达。

图5 传递函数Transfer Fen模块对话框
阶跃值，可改到10 。
阶跃时刻，可改到0 。

图6 阶跃输入step模块对话框
填写所需要放大系数

图7 增益模块对话框
积分饱和值,可改为10。
积分饱和值,可改为-10。

图8 Integrator模块对话框

(4)模块连接
n 以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端处，则在两模块间产生“→”线。
n 单击某模块，选用Format →Rotate Block菜单项可使模块旋转90°；选用Format→Flip Block菜单项可使模块翻转。
n 把鼠标移到盼望分支线起点处，按下鼠标右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线终点处，释放鼠标按钮，就完毕了分支线绘制。
2. 仿真模型运营 图9 比例积分控制无静差直流调速系统仿真模型

在控制系统中设立调节器是为了改进系统静、动态性能。在采用PI调节器后，构成是无静差调速系统，如图9所示仿真模型。
(1)仿真过程启动：单击启动仿真工具条按钮，或选取Simulation→Start菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真成果。
(2)仿真参数设立：为了清晰地观测仿真成果，需要对示波器显示格式作一种修改，对示波器默认值逐个改动。改动办法有各种，其中一种办法是选中SIMULINK模型窗口Simulation→Configuration Parameters菜单项，打开仿真控制参数对话框，对仿真控制参数进行设立。
结束时间修改为0.6秒
仿真起始时间

图10 SIMULINK仿真控制参数对话框
(3)启动Scope工具条中“自动刻度”按钮。把当前窗中信号最大最小值为纵坐标上下限，得到清晰图形。
自动刻度

图11 修改控制参数后仿真成果

3. 调节器参数调节
在图9所示PI控制无静差直流调速系统仿真模型中，变化比例系数和积分系数，可以轻而易举地得到振荡、有静差、无静差、超调大或启动快等不同转速曲线。仿真曲线反映了对给定信号跟随性能。
选取适当PI参数：
(1) ， (2) ， (3) ，

观测系统转速响应成果。

五、实验报告
1．依照给定系统各项参数（见“实验原理”某些），每个环节传递函数。
2．画出仿真系统三组PI参数下阶跃响应波形，并给出 ts 和σ % 。

实验二 转速、电流反馈控制（双闭环）直流调速系统仿真
一．实验目
1．研究直流电动机调速系统在转速、电流反馈控制下工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR、电流调节器ACR工作及其对系统响应特性影响。
3. 观测转速、电流反馈直流调速系统在给定阶跃输入下转速响应和电流响应。
二、实验设备
1．计算机；
2．模仿实验装置系统；
3．A/D & D/A接口卡、扁平电缆。
三、实验原理
晶闸管供电双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：
直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，容许过载倍数λ=1.5 ；
晶闸管装置放大系数：Ks=40 ；
电枢回路总电阻：R=0.5Ω ；
时间常数：Ti=0.03s， Tm=0.18s；
电流反馈系数：β=0.05V/A（≈10V/1.5IN）；
转速反馈系数α = 0.07Vmin/r（≈10V/nN）。

图1 双闭环直流调速系统仿真框图
其中，电流调节器ACR传递函数为；
转速调节器ASR传递函数为。
四、实验内容
1. 电流环仿真
（1） 建立如上图2所示系统模型。
（2） 在仿真模型中增长了一种饱和非线性模块（Saturation），它来自于Discontinuities组，双击该模块，把饱和上界（Upper limit）和下届（Lower limit）参数分别设立为本例题限幅值+10和-10。如图3所示。
（3） 选中Simulink模型窗口Simulation →Configuration Parameters菜单项，把Sart time 和 Stop time 栏目分别填写为0.0s和0.05s。
（4）启动仿真过程，用自动刻度(Autoscale)调节示波器模块所显示曲线。

图2 电流环仿真模型

图3 Saturation模块对话框
（4） 调节器参数调节：
令KT = 0.25，则PI调节器传递函数为，Ki = 0.5067，τi =0.03s；
令KT = 0.5，则PI调节器传递函数为，Ki = 1.013，τi =0.03s；
令KT = 1.0，则PI调节器传递函数为，Ki = 2.027，τi =0.03s。
观测各组参数下电流响应曲线。
2. 转速环仿真
（1）建立如图4所示系统模型。

图4 转速环仿真模型
（2）为了在示波器模块中反映出转速、电流关系，仿真模型从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几种输入聚合成一种向量输出给Scope。
输入量个数设立为2

图5 聚合模块对话框
（3）PI调节器采用传递函数为，Kn = 11.7，τn =0.087s
（4）双击阶跃输入模块把阶跃值设立为10，观测空载起动时转速和电流响应曲线。
（5）Step1模块是用来输入负载电流。把负载电流设立为136，满载起动，观测其转速与电流响应曲线。
五、实验报告
1．电流环仿真
（1）画出三组参数下（KT = 0.25，0.5，1.0）电流阶跃响应曲线，分析并给出 ts 和σ %。
（2）在直流电动机恒流升速阶段，电流值与否低于（或高于）λIN = 200A ？为什么？
2．转速环仿真
（1）画出仿真系统空载起动时转速和电流阶跃响应曲线，分析指出不饱和、饱和、退饱和三个时间阶段，并给出 ts 和σ % 。
（2）画出仿真系统满载起动时转速和电流阶跃响应曲线，并给出 ts 和σ % 。
实验三 异步电动机仿真
一．实验目
1．以αβ坐标系异步电动机仿真模型为核心，研究三相异步电动机动态仿真模型
2．观测三相异步电动机在额定电压和额定频率下，空载起动和加载过程转速和电流响应。
二、实验设备
1．计算机；
2．模仿实验装置系统；
3．A/D & D/A接口卡、扁平电缆。
三、实验原理
w —yr — is为状态变量异步电动机动态模型：

图1 αβ坐标系下异步电动机动态构造图

图2 αβ坐标系异步电动机仿真模型

异步电动机工作在额定电压和额定频率下，仿真电动机参数：Rs=1.85Ω，Rr =2.658Ω，Ls = 0.2941H，Lr= 0.2898H，Lm=0.2838H，J = 0.1284Nm.s2，np= 2，UN=380v，fN = 50Hz

三、实验内容

图3 三相异步电动机仿真模型

建立三相异步电动机仿真模型（如图3所示）。
将图2所示异步电动机仿真模型进行封装，如图3所示ACmotor，三相正弦对称电压uA，uB和uC通过3/2变换和2/3变换模块，得到两相电压usα和usβ，送入αβ坐标系中异步电动机仿真模型，输出两相电流isα和isβ经2/3变换模块，得到三相电流iA，iB和iC 。
[附]：3/2变换和2/3变换公式见P198（式6-92）和（式6-93）

四、实验报告
（1）画出仿真系统稳态电流仿真成果。
（2）画出仿真系统空载起动时转速响应曲线，并给出 ts 和σ % 。
（3）画出仿真系统加载过程转速响应曲线，并给出 ts 和σ %