电力拖动Matlab仿真实验指导书.docx

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电力拖动Matlab仿真实验指导书

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

●

直流电动机：

额定电压，额定电流,

额定转速，电动机电势系数

●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=0.01V·min/r。

●

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

⏹进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，

图2SIMULINK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；MathOperations组中的Sum模块和Gain模块；Continuous组中的TransferFcn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，TransferFen模块，Step模块，Gain模块，Integrator模块

图4加法器sum模块对话框

图5传递函数TransferFen模块对话框

图6阶跃输入step模块对话框

图7增益模块对话框

图8Integrator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→RotateBlock菜单项可使模块旋转90°；选取Format→FlipBlock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→ConfigurationParameters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。

图10SIMULINK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。

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）,

（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（Upperlimit）和下届（Lowerlimit）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→ConfigurationParameters菜单项，把Sarttime和Stoptime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3Saturation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SignalRouting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。

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

—r—is为状态变量的异步电动机动态模型：

图1αβ坐标系下的异步电动机动态结构图

图2αβ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%