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一、仿真题目 (2)
单闭环直流调速系统仿真 (2)
二、仿真过程 (2)
2.1 仿真总图 (2)
2.2 PWM模块 (3)
2.3 电机模块 (3)
2.4 仿真结果 (4)
三、心得体会 (10)
一、仿真题目
单闭环直流调速系统仿真
直流电动机：型号为Z4-132-1，额定电压400N U =V ，额定电流52.2dN I =A ，额定转速为2610 r/min ，反电动势系数e C =0.1459 V ⋅min/r ，允许过载倍数λ=1.5；PWM 变换器开关频率：8KHz ，放大系数：s K =107.5；(538/5=107.5)，直流母线电压为538V 。

电枢回路总电阻： 0.368R =Ω；
时间常数：电枢回路电磁时间常数l T =0.0144s ，电力拖动系统机电时间常数
m T =0.18s ；转速反馈系数0.00383min/V s =⋅α(N n V /10≈)；
对应额定转速时的给定电压V U n 10*
=。

● 在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

其中PWM 变换器利用给
出的PWM 控制器模块和simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建，不能直接利用传递函数建模。

比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。

● 给出采用比例调节器（7p K =）、比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）空载起动
到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。

● 给出采用比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）的转速、电流、电枢电压波形，
分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。

● 在4s 突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输
出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。

二、仿真过程
2.1 仿真总图
图1 仿真总图
2.2 PWM模块
图2 PWM模块仿真图
PWM变换器利用给出的PWM控制器模块和simulink/Powersystem工具包中的功率封装模块搭建。

2.3 电机模块
图3 比例积分控制的直流调速系统的仿真图
根据上图和已知数据确定参数，搭建仿真图如下：
图4 电机模块仿真图
2.4 仿真结果
（1）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

利用给出的PWM 控制器模块和simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建PWM 变换器。

比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。

图5 输出限幅设置
（2）给出采用比例调节器（7p K =）、比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）空载起
动到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。

使用比例调节器时，只需将积分一路断开、负载置零即可。

下图展示了使用比例调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别是10s 时与0.5s时的波形。

图6 比例调节时空载启动转速波形
下图展示了使用比例积分调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别是10s时与0.5s时的波形。

图7比例积分调节时空载启动转速波形
将二者比较
表1 比例与比例积分空载启动时稳态静差和动态性能进行对比
稳态转速 （r/min ）
稳态静差 （r/min ） 峰值时间 （s ） 调整时间 （s ） 超调量 （%） 比例 2480 130 0.253 0.320 1.2 比例积分
2610
0.264
-
-
由图可知，稳定后转速 n=2610 r/min ，等于额定转速，为无静差系统。

这是由于比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，因此积分控制可以实现无静差调速。

由上表可知，相较于比例，比例积分的稳态性能好，动态性能稍差。

比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差但会在一定程度上影响动态性能。

（3）给出采用比例积分调节器时（7p K =，1107
=τ
）的转速、电流、电枢电压波形，
分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。

图8 比例积分调节时空载启动电流、转速波形
图9 比例积分调节时空载启动电枢电压波形
由上图可知，启动电流最大值超过1000A。

这是因为在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，由于惯性的作用，转速不能立即建立起来，反馈电压为零，相当于偏差电压∆Un=Un*，调节器的输出是Kp*Un*。

这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，所以会造成电动机过电流。

要解决过电流问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节，故可引入电流截止负反馈，当电流大到一定程度时出现电流负反馈，使其不超过允许值。

（4）在4s突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出），并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。

在step(2)处加入负载扰动，4s时作用，如下图：
图10 负载扰动参数设置
图11 转速、电流、转速调节器输出（启动时）
图12 转速、电流、转速调节器输出（扰动时）在4s时加负载后电流波形出现一个波动，调整后电流增大，并且逐渐进入一个新的稳态（有负载，不为零）；同时转速也有一个波动，减小后进入新的转速稳态；转速调节器输出波形的波动显示了转速调节器起作用。

由于机械特性较硬，加入负载扰动后，转速、电流、转速调节器的输出稍有变化，经过一个小的波动后进入新的稳态。

三、心得体会
本次仿真作业是初学Simulink工具箱，碰到了一些问题并且已经解决。

1.数据类型不正确
初次仿真时产生error：Input port 1 of 'untitled2/PWM/NOT' is not connected.
原因在于直接使用逻辑非门，输入前数据类型为double，输出后数据类型为boolean，无法仿真，因此转换数据类型即可，如下图：
或者再添加两个非门
2.搭建完成仿真电路后，产生许多错误，无法运行，查阅资料后得知没有添加powergui，powergui可用于对搭建的模块进行统一以及协调以及对相应量的初始化。

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3.搭建电路时不可想当然，在自控原理中我们比较熟悉负反馈，常用相减的节点来表示负反馈。

此电路中的比例积分调节器是采用比例与积分调节器相加，因此节点不应想当然使用减号。

这样的错误还不容易被发现，导致仿真时花了许多不必要的精力排查。

4.电路运行后，使用repeating sequence 未能得到既定波形，查阅资料、修改仿真步长都未能解决，最后使用一个三角波发生器和一个放大器代替。

我认为最让我有收获的是在设计过程中，加深了对转速闭环负反馈控制的理解，构建仿真图让我有了对系统框图有了更加深刻的理解。

在仿真中遇到的问题，在很大程度上也培养了我动手解决问题的能力，非常具有实践意义。