电力拖动Matlab仿真实验指导书样本.doc

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实验一 转速反馈控制( 单闭环) 直流调速系统仿真
一．实验目的
1．研究直流电动机调速系统在转速反馈控制下的工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统响应特性的影响。
3. 观察转速反馈直流调速系统在给定阶跃输入下的转速响应。
二、 实验设备
1．计算机;
2．模拟实验装置系统;
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, 装置的放大系数 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 对应额定转速时的给定电压

图1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
四、 实验内容
1. 仿真模型的建立
n 进入MATLAB, 单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标,

图2 SIMULINK模块浏览器窗口

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

图3 模型编辑窗口

(3)修改模块参数:
双击模块图案, 则出现关于该图案的对话框, 经过修改对话框内容来设定模块的参数。
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的符号, |表示该路没有信号, 用|+-取代原来的符号。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]来表示的。

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
填写所需要的放大系数

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, 选取Format →Rotate Block菜单项可使模块旋转90°; 选取Format→Flip Block菜单项可使模块翻转。
n 把鼠标移到期望的分支线的起点处, 按下鼠标的右键, 看到光标变为十字后, 拖动鼠标直至分支线的终点处, 释放鼠标按钮, 就完成了分支线的绘制。
2. 仿真模型的运行 图9 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型

在控制系统中设置调节器是为了改进系统的静、 动态性能。在采用PI调节器后, 构成的是无静差调速系统, 如图9所示的仿真模型。
(1)仿真过程的启动: 单击启动仿真工具条的按钮, 或选择Simulation→Start菜单项, 则可启动仿真过程, 再双击示波器模块就能够显示仿真结果。
(2)仿真参数的设置: 为了清晰地观测仿真结果, 需要对示波器显示格式作一个修改, 对示波器的默认值逐一改动。改动的方法有多种, 其中一种方法是选中SIMULINK模型窗口的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置。
结束时间修改为0.6秒
仿真的起始时间

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

图11 修改控制参数后的仿真结果

3. 调节器参数的调整
在图9所示的PI控制无静差直流调速系统的仿真模型中, 改变比例系数和积分系数, 能够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的转速曲线。仿真曲线反映了对给定信号的跟随性能。
选择合适的PI参数:
(1) , (2) , (3) ,

观察系统转速的响应结果。

五、 实验报告
1．根据给定系统的各项参数( 见”实验原理”部分) , 每个环节的传递函数。
2．画出仿真系统三组PI参数下的阶跃响应波形, 并给出 ts 和σ % 。

实验二 转速、 电流反馈控制( 双闭环) 直流调速系统的仿真
一．实验目的
1．研究直流电动机调速系统在转速、 电流反馈控制下的工作。
2．研究直流调速系统中速度调节器ASR、 电流调节器ACR的工作及其对系统响应特性的影响。
3. 观察转速、 电流反馈直流调速系统在给定阶跃输入下的转速响应和电流响应。
二、 实验设备
1．计算机;
2．模拟实验装置系统;
3．A/D & D/A接口卡、 扁平电缆。
三、 实验原理
晶闸管供电的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, 允许过载倍数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的仿真框图
其中, 电流调节器ACR的传递函数为;
转速调节器ASR的传递函数为。
四、 实验内容
1. 电流环的仿真
（1） 建立如上图2所示的系统模型。
（2） 在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块( Saturation) , 它来自于Discontinuities组, 双击该模块, 把饱和上界( Upper limit) 和下届( Lower limit) 参数分别设置为本例题的限幅值+10和-10。如图3所示。
（3） 选中Simulink模型窗口的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)调整示波器模块所显示的曲线。

图2 电流环的仿真模型

图3 Saturation模块对话框
（4） 调节器参数的调整:
令KT = 0.25, 则PI调节器的传递函数为, Ki = 0.5067, τi =0.03s;
令KT = 0.5, 则PI调节器的传递函数为, Ki = 1.013, τi =0.03s;
令KT = 1.0, 则PI调节器的传递函数为, Ki = 2.027, τi =0.03s。
观察各组参数下的电流响应曲线。
2. 转速环的仿真
( 1) 建立如图4所示的系统模型。

图4 转速环的仿真模型
( 2) 为了在示波器模块中反映出转速、 电流的关系, 仿真模型从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope。
输入量的个数设置为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置为10, 观察空载起动时的转速和电流的响应曲线。
( 5) Step1模块是用来输入负载电流的。把负载电流设置为136, 满载起动, 观察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) 电流的阶跃响应曲线, 分析并给出 ts 和σ %。
( 2) 在直流电动机的恒流升速阶段, 电流值是否低于( 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的转速和电流的阶跃响应曲线, 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的转速和电流的阶跃响应曲线, 并给出 ts 和σ % 。
实验三 异步电动机的仿真
一．实验目的
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的动态仿真模型
2．观察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的转速和电流响应。
二、 实验设备
1．计算机;
2．模拟实验装置系统;
3．A/D & D/A接口卡、 扁平电缆。
三、 实验原理
w —yr — is为状态变量的异步电动机动态模型:

图1 αβ坐标系下的异步电动机动态结构图

图2 αβ坐标系异步电动机的仿真模型

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的仿真模型( 如图3所示) 。
将图2所示的异步电动机仿真模型进行封装, 如图3所示的ACmotor, 三相正弦对称电压uA, uB和uC经过3/2变换和2/3变换模块, 得到两相电压usα和usβ, 送入αβ坐标系中的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变换的公式见P198( 式6-92) 和( 式6-93)

四、 实验报告
( 1) 画出仿真系统的稳态电流的仿真结果。
( 2) 画出仿真系统空载起动时的转速的响应曲线, 并给出 ts 和σ % 。
( 3) 画出仿真系统加载过程的转速的响应曲线, 并给出 ts 和σ %