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运动控制仿真练习 课程名称 运动控制系统 院 机自学院专 业 电气工程及其自动化 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V，额定电流A，额定转速为2610 r/min，反电动势系数=0.1459 Vmin/r，允许过载倍数=1.5； PWM变换器开关频率：8KHz，放大系数：=107.5；(538/5=107.5)，直流母线电压为538V。 电枢回路总电阻： ； 时间常数：电枢回路电磁时间常数=0.0144s，电力拖动系统机电时间常数=0.18s；转速反馈系数()； 对应额定转速时的给定电压。 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（）、比例积分调节器时（，）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（，）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。 仿真实验图： 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： 当使用比例调节器时，我们使积分环节的放大倍数为0，可以得到转速波形如图 使用比例积分调节器时（ ， ） 稳态方面的对比分析： 当加入比例积分环节时，转速从2658.75降到了2610.9r/min，这说明当加入比例积分控制时，根据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的原理，理论上，静差应该为0。但此次仿真最终会有0.9的误差，也就是静差。最终比例积分环节没有完全消除稳态误差。相比于只有比例环节，比例积分环节使得输出转速2内更接近给定值。 而对于0.9的静差，经分析是由于积分作用需要较长的调节时间，到达2秒时还未完全到达稳定值，需要等到更长的时间静差才能完全消除，实现无静差调速。 动态方面的对比分析： 加入比例积分环节后的超调量： 调节时间： 结论： 由此可见比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。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。 转速仿真波形如下： 电流仿真波形如下图： 电枢电压仿真波形如下图（538V） 过流问题分析： 空载起动过程中，系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍然为0，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值得1+K倍，这时候，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就打到它的最大值，对调速系统来说，相当于全压启动，当然是不允许的。 解决方案有三种： 第一种是电枢串电阻启动； 第二种是引入电流截止负反馈； 第三种是加积分给定环节。 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。 转速仿真波形： 电流仿真波形： 转速调节器仿真波形输出： 在4S时的转速变化 经过放大后可以观察到，在四秒时，突加负载，转速会有较小的降落，但能够恢复到指令值，基本上实现转速无静差。电流也在四秒时也下降了，然后再逐渐回零。可以看出在四秒时控制的电压升高了，然后再逐渐减小。 当突加负载的瞬间，电磁转矩不变，阻力矩突然变大，导致转速突然减少。造成了反馈与给定有了差值，即导致转速偏差△Un增大，（△Un=Un*-Un），同时放大器输出Uc变大，并经过移相触发器使整流输出电压Ud增加，电枢电流Id增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速n也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。经过调速，输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值。 2