控制系统课程设计
设计内容：转速反馈控制直流调速系统的仿真
姓 名： 贾杰龙 院 专 班 级： 学 号：指导教师： 姚洪平
目录
一：仿真软件的选用.......................................... ...................................... 2 二：仿真框图及说明........................................ ........................................ 2 2.1仿真框图： .................................................................................... 2 2.2说明：............................................................................................. 3 三：仿真模型图及参数设置................................... ................................. 4 3.1参数设置 ........................................................................................ 4 3.2模型图............................................................................................. 5 四：仿真结果.................................... ........................................................ 5 五：总结.......................................... .......................................................... 7 六：参考文献............................................................................................. 7 七：致谢 . .................................................................................................... 8
一：仿真软件的选用
1.Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和
综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。 功能
2. Simulink是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
3. Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.
4.构架在Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与
MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.1仿真框图：
图1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
2.2说明：
进入MATLAB ，单击MATLAB 命令窗口工具栏中的SIMULINK 图标，或直接键SIMULINK 命令，打开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。 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。 图2 SIMULINK模块浏览器窗口
其中需要修改的有：Sum 模块作减法器使用时，改成+-；
Step 模块中的Final value 从默认的1改到10；Intergrator 模块中选择Limit output，在Upper saturation limit和Lower saturation limit栏目中填写10和-10。
（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。
其中PI 调节器的值暂定为，。最终得到图4所示的比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型。
图3 传递函数模块对话框
三、仿真模型图及参数设置
☉直流电动机:额定电压=220V，额定电流=55A，额定转速=1000r/min 电动机电势参数Ce=0.192V*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=0.017s,电力系统机电时间常数 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=10V
3.2模型图
四：仿真结果
所有参数输入之后有如下结果： 当=0.25 1/=3时，有如下结果
Scope1
系统转速的响应是无超调、但调节时间很长
当=0.8 1/=15时，有如下结果
Scope1
Scope
系统转速的响应的超调较大、但快速性较好
五：总结
SIMULINK 软件的仿真方法为系统设计提供了仿真平台，可以选择合适的PI
参数，满足系统的跟随性能指标。在《自动控制理论》课程中讨论了多种PI 调节器的设计方法，MATLAB 也为它们的实现提供了模块。
由于没有采用电流截至负反馈，在图5的仿真的结果中，电流的最大值达到240A ，明显地超过了直流电动机能够允许的最大电流。为了保证电流在安全范围内，可以再一个电流反馈环，这就构成了转速、电流双闭环反馈控制的直流调速系统，使系统静、动性能都满足要求。
在转速闭环调速系统中，比例积分调节器既能够提高快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。此外，PI 调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。
六：参考文献
[1]洪乃刚. 《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真》. 北京：机械工业出版社，2005 [2]阮毅. 《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》. 北京：机械工业出版社，2009 [3]杨庚辰. 《自动控制原理》. 西安：西安电子科技大学出版社，2005 [4] A. M. Hava, R. J. Kerkman and T. A. Lipo.
《A high-performance generalized discontinuous PWM algorithm》.Ind.Ap plicat.1998
七：致谢
本仿真的完成是在我的导师姚老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了姚老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢! 导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使我受益终生!
还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。
控制系统课程设计
设计内容：转速反馈控制直流调速系统的仿真
姓 名： 贾杰龙 院 专 班 级： 学 号：指导教师： 姚洪平
目录
一：仿真软件的选用.......................................... ...................................... 2 二：仿真框图及说明........................................ ........................................ 2 2.1仿真框图： .................................................................................... 2 2.2说明：............................................................................................. 3 三：仿真模型图及参数设置................................... ................................. 4 3.1参数设置 ........................................................................................ 4 3.2模型图............................................................................................. 5 四：仿真结果.................................... ........................................................ 5 五：总结.......................................... .......................................................... 7 六：参考文献............................................................................................. 7 七：致谢 . .................................................................................................... 8
一：仿真软件的选用
1.Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和
综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。 功能
2. Simulink是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
3. Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.
4.构架在Simulink 基础之上的其他产品扩展了Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与
MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.1仿真框图：
图1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
2.2说明：
进入MATLAB ，单击MATLAB 命令窗口工具栏中的SIMULINK 图标，或直接键SIMULINK 命令，打开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。 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。 图2 SIMULINK模块浏览器窗口
其中需要修改的有：Sum 模块作减法器使用时，改成+-；
Step 模块中的Final value 从默认的1改到10；Intergrator 模块中选择Limit output，在Upper saturation limit和Lower saturation limit栏目中填写10和-10。
（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。
其中PI 调节器的值暂定为，。最终得到图4所示的比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型。
图3 传递函数模块对话框
三、仿真模型图及参数设置
☉直流电动机:额定电压=220V，额定电流=55A，额定转速=1000r/min 电动机电势参数Ce=0.192V*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=0.017s,电力系统机电时间常数 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=10V
3.2模型图
四：仿真结果
所有参数输入之后有如下结果： 当=0.25 1/=3时，有如下结果
Scope1
系统转速的响应是无超调、但调节时间很长
当=0.8 1/=15时，有如下结果
Scope1
Scope
系统转速的响应的超调较大、但快速性较好
五：总结
SIMULINK 软件的仿真方法为系统设计提供了仿真平台，可以选择合适的PI
参数，满足系统的跟随性能指标。在《自动控制理论》课程中讨论了多种PI 调节器的设计方法，MATLAB 也为它们的实现提供了模块。
由于没有采用电流截至负反馈，在图5的仿真的结果中，电流的最大值达到240A ，明显地超过了直流电动机能够允许的最大电流。为了保证电流在安全范围内，可以再一个电流反馈环，这就构成了转速、电流双闭环反馈控制的直流调速系统，使系统静、动性能都满足要求。
在转速闭环调速系统中，比例积分调节器既能够提高快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。此外，PI 调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。
六：参考文献
[1]洪乃刚. 《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真》. 北京：机械工业出版社，2005 [2]阮毅. 《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》. 北京：机械工业出版社，2009 [3]杨庚辰. 《自动控制原理》. 西安：西安电子科技大学出版社，2005 [4] A. M. Hava, R. J. Kerkman and T. A. Lipo.
《A high-performance generalized discontinuous PWM algorithm》.Ind.Ap plicat.1998
七：致谢
本仿真的完成是在我的导师姚老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了姚老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢! 导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使我受益终生!
还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。