电力拖动Matlab仿真实验指导书

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）。

总线槽计算机A/D & D/A接口卡扁平电缆模拟实验装置系统

三、实验原理

 直流电动机：额定电压 U N  220 V ， 额定电流 I dN  55 A ,

额定转速 n N  1000 r / min ，电动机电势系数 C e  0.192 V  min/ r

 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 。  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 。

 转速反馈系数α=0.01 V·min/r 。

* 对应额定转速时的给定电压 U n  10 V

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

 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：通过单击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，通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

分子多项式系数

加法器sum模块对话框

分母多项式系数 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

阶跃时刻，可改到0 。

阶跃值，可改到10 。

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

 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。

 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。

 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善系统的静、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可以显示仿真结果。

(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，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) K  0.25 , 1 (2) K , 1 (3) K  0.8 ， 1315p0.56p11.43p 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WACR(s)Ki(is1)； isKn(ns1)。

ns转速调节器ASR的传递函数为WASR(s)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：

16., Ki = 0.5067, τi =0.03s； s33.77令KT = 0.5，则PI调节器的传递函数为1.013，Ki = 1.013, τi =0.03s；

s令KT = 0.25，则PI调节器的传递函数为0.5067令KT = 1.0，则PI调节器的传递函数为2.027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。

67.567, Ki = 2.027, τi =0.03s。 s

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

134.48（3）PI调节器采用传递函数为11.7，Kn = 11.7, τn =0.087s

s（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

 —r — is为状态变量的异步电动机动态模型：

2npdnpLm(isrisr)TLdtJLrJdrL1rrmisdtTrTrdrLm1rrisdtTrTr2disLmLmRsL2usrRrLmrrisdtLsLrTrLsLrLsL2Lsrdis2usLmLmRsL2rRrLmrrisdtLsLrTrLsLrLsL2Lsr

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= 0.28H, 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 %