《运动控制系统》实验报告
（实验名称 ：基于晶闸管直流调速系统动态结构图的MATLAB 仿真）
实验二 基于晶闸管直流调速系统动态结构图的MATLAB 仿真
一、实验目的：
1. 了解直流电机的动态数学模型 2. 了解直流调速系统的动态分析方法
3. 了解直流调速系统的工程设计方法，并通过对单闭环、双闭环调速系统
的具体设计，加深对工程设计方法的理解和应用。
二、实验内容：
1. 根据给定的直流电机参数，建立直流电机的动态数学模型。 直流电机参数为：
额定电压220 V ，额定电流136 A ，额定转速1460 r/min，
C e =0. 132V ∙r ，允许过载倍数λ=1. 5，晶闸管整流器放大倍数
K s =40，电枢回路总电阻R =0. 5Ω，时间常数T 1=0. 03s ，T m =0. 18s ，V ∙r 。 电流反馈系数β=0. 05V /A ，速度反馈系数α=0. 007
2. 根据给定直流电机调速系统的性能要求，利用工程设计的方法，要求设
计出转速电流双闭环调速系统的转速调节器ASR 和电流调节器ACR 。 设计要求：
整流装置采用三相桥式全控整流电路，整流装置的滞后时间常数
T s =0. 0017s ，电流滤波时间常数T oi =0. 002s ，转速滤波时间常数
T on =0. 01s 。
要求，①静态指标：无静差。②动态指标：电流超调量σi %≤5%，空载
起动到额定转速时的转速超调量σn %≤10%。
3. 对设计出的双闭环调速系统建立仿真模型，分析仿真结果（超调量，上
升时间和调节时间）。
4. 计算电流调节器ACR 的参数R i 、C oi 和转速调节器ASR 的参数R n 、C i 、
C n 、C on 。画出其调节器的电路图，调节器输入回路电阻R 0=40k Ω。
三、实验要求：
1. 按要求设计仿真参数；
2. 按计算所得的参数建立系统的SIMULINK 模型； 3. 设置各模块参数及仿真参数后进行仿真； 4. 分析仿真结果
5. 撰写实验报告。实验报告内容包括：
封面；任务书；实验原理；仿真的模型，对模型的分析及怎样设置参数；结果的分析；对用Matlab 来进行直流电机调速控制系统仿真的心得体会。
实验原理：
一、反馈控制规律：
比例控制的闭环直流调速系统是一种基本的反馈系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制基本规律。
（1） 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统
从静特性分析中可以看出，开环放大系数K 值对闭环系统稳态性能有很大影响。K 值越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。也就是说，K 值越大，稳态性能就越好。
因比例调节器的Kp=常数，所以稳态速降△nb 只能减小，而不能消除。事实上，只有当K=∞时，才有△nb=0，但这是不可能的。因此，速度闭环调速系统是有静差的控制系统。实际上，这种调速系统正是依靠转速与理想空载转速的偏差来保证系统的正常工作的。 （2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定
给定电压Un 是和反馈电压Un 。相比较的参考输入量。对于给定电压的微小变化，都 会直接引起相应的电动机转速的变化。在调速系统中，改变给定电压的大小就是在调节转速。 （3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度
反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的给定电压的电源波动。 反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。
现代调速系统的发展趋势是用数字给定和数字测速来提高调速系统的精度。
二、电流环
电流环动态结构图
电流调节器（ACR ）的作用：
电流调节器的结构图
（1）在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出
量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。
（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
三、转速环：
转速环动态结构图
转速调节器（ASR ）的作用：
转速调节器的结构图
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采
用PI 调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 四、起动过程分析
(1)电流I d 从零增长到I dm ，然后在一段时间内维持其值等于I dm 不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL 。
(2)转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n *。 (3)起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，
(4)转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。
本机模型：
本机仿真图
其中电压设为4.8可以求得转速近似1460转
仿真结果：
有滤波无限副：
有滤波无线副仿真图
由题可得：额定电压220 V ，额定电流136 A ，额定转速1460 r/min，
C e =0. 132V ∙r ，允许过载倍数λ=1. 5，晶闸管整流器放大倍数K s =40，
电枢回路总电阻R =0. 5Ω，时间常数T 1=0. 03s ，T m =0. 18s ，电流反馈系数
V ∙r 。 β=0. 05V /A ，速度反馈系数α=0. 007
整流装置采用三相桥式全控整流电路，整流装置的滞后时间常数电流滤波时间常数T oi =0. 002s ，转速滤波时间常数T on =0. 01s 。 T s =0. 0017s ，
1电流调节器的设计 （1）确定时间常数
整流装置滞后时间常数T s=0.0017s。 电流滤波时间常数T oi=2ms=0.002s。
电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取T Σi=T s+T oi=0.0037s。 （2）选择电流调节器结构
要求σi ≤5%，并保证稳态电流无差，按典型I 型系统设计电流调节器。用PI 型电流调
T l 0. 03==8. 11T ∑i 0. 0037
节器。
检查对电源电压的抗扰性能： ，
参看表3-2的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。 （3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：τi=T i=0.03s。 电流环开环增益：取K i T Σi=0.5，
0. 50. 5
K I ===135. 1
T ∑i 0. 0037ACR 的比例系数为 K τR 135. 1⨯0. 03⨯0. 5
K i =I i ==1. 013 K s β40⨯0. 05（4）校验近似条件
电流环截止频率ωci=K I=135.1s-1
①校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
11==196. 1 >ωci 3T s 3⨯0. 0017
②校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
11=3⨯=40. 82
T m T l 0. 18⨯0. 03
③校验电流环小时间常数近似处理条件
11=⨯=180. 8 >ωci
3T s T oi 30. 0017⨯0. 002
（5）计算调节器电阻和电容
取 R 0=40k Ω
取40k Ω R i =K i R 0=1. 013⨯40=40. 52k Ω
τ0. 03-6
C i =i ==0. 75⨯10F =0. 75μF 取0.75μF R i 40⨯10
4T 4⨯0. 002C oi =0i ==0. 2⨯10-6F =0. 2μF 取0.2μF 3
R 040⨯10
2转速调节器的设计 （1）确定时间常数
①电流环等效时间常数。 由例题3-1，已取K I T Σi=0.5，则
1
=2T ∑i =2⨯0. 0037=0. 0074s
K I
②转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取T on=0.01s 。 ③转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取
1
T ∑n =+T on =0. 0074+0. 01=0. 0174s K I
(2)选择转速调节器结构
K (τs +1)
选用PI 调节器， W ASR (s ) =n n
τn s （3）计算转速调节器参数
取h=5，则ASR 的超前时间常数为 τn =hT ∑n =5⨯0. 0174=0. 087s 转速环开环增益：
h +16
K N =22==396. 4s -2
22
2h T ∑n 2⨯5⨯0. 0174ASR 的比例系数为
(h +1) βC e T m 6⨯0. 05⨯0. 132⨯0. 18
K n ===11. 7 2h αRT ∑n 2⨯5⨯0. 007⨯0. 5⨯0. 0174
（4）检验近似条件
转速环截止频率为
K
ωcn =N =K N τn =396. 4⨯0. 087=34. 5s -1 ω1
①电流环传递函数简化条件
1I 1满足简化条件 ==63. 7>ωcn
30. 0037 3T ∑i
②转速环小时间常数近似处理条件
1I 1==38. 7>ωcn 满足近似条件
3T on 30. 01
（5）计算调节器电阻和电容
取 R 0=40k Ω
取470k Ω R n =K n R 0=11. 7⨯40=468k Ω
τ0. 087-6
C n =n ==0. 185⨯10F =0. 185μF 取0.2 μF R n 470⨯10
4T 4⨯0. 01 -6
C on =on ==1⨯10F =1μF 3
取1μF R 040⨯10（6）校核转速超调量
当h =5时，由表3-4查得，σn %=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。 仿真结果：
有滤波有限副：
有滤波有限副的仿真图 参数跟有滤波无限副一样
仿真结果：
结果分析
由仿真结果可以得到上升时间T=0.37s，调节时间T=0.57s 超调量 i %=7.4%
对用MATLAB 来进行拖动系统仿真的心得体会
通过这次实验我了解直流电机的动态数学模型，了解直流调速系统的动态分析方法，了解直流调速系统的工程设计方法，并通过对单闭环、双闭环调速系统的具体设计，加深对工程设计方法的理解和应用。这次实验从先前的一知半解，到后来的熟练，我通过查找资料，请教同学，自己一次次的尝试，最后完成了这次实验。
《运动控制系统》实验报告
（实验名称 ：基于晶闸管直流调速系统动态结构图的MATLAB 仿真）
实验二 基于晶闸管直流调速系统动态结构图的MATLAB 仿真
一、实验目的：
1. 了解直流电机的动态数学模型 2. 了解直流调速系统的动态分析方法
3. 了解直流调速系统的工程设计方法，并通过对单闭环、双闭环调速系统
的具体设计，加深对工程设计方法的理解和应用。
二、实验内容：
1. 根据给定的直流电机参数，建立直流电机的动态数学模型。 直流电机参数为：
额定电压220 V ，额定电流136 A ，额定转速1460 r/min，
C e =0. 132V ∙r ，允许过载倍数λ=1. 5，晶闸管整流器放大倍数
K s =40，电枢回路总电阻R =0. 5Ω，时间常数T 1=0. 03s ，T m =0. 18s ，V ∙r 。 电流反馈系数β=0. 05V /A ，速度反馈系数α=0. 007
2. 根据给定直流电机调速系统的性能要求，利用工程设计的方法，要求设
计出转速电流双闭环调速系统的转速调节器ASR 和电流调节器ACR 。 设计要求：
整流装置采用三相桥式全控整流电路，整流装置的滞后时间常数
T s =0. 0017s ，电流滤波时间常数T oi =0. 002s ，转速滤波时间常数
T on =0. 01s 。
要求，①静态指标：无静差。②动态指标：电流超调量σi %≤5%，空载
起动到额定转速时的转速超调量σn %≤10%。
3. 对设计出的双闭环调速系统建立仿真模型，分析仿真结果（超调量，上
升时间和调节时间）。
4. 计算电流调节器ACR 的参数R i 、C oi 和转速调节器ASR 的参数R n 、C i 、
C n 、C on 。画出其调节器的电路图，调节器输入回路电阻R 0=40k Ω。
三、实验要求：
1. 按要求设计仿真参数；
2. 按计算所得的参数建立系统的SIMULINK 模型； 3. 设置各模块参数及仿真参数后进行仿真； 4. 分析仿真结果
5. 撰写实验报告。实验报告内容包括：
封面；任务书；实验原理；仿真的模型，对模型的分析及怎样设置参数；结果的分析；对用Matlab 来进行直流电机调速控制系统仿真的心得体会。
实验原理：
一、反馈控制规律：
比例控制的闭环直流调速系统是一种基本的反馈系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制基本规律。
（1） 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统
从静特性分析中可以看出，开环放大系数K 值对闭环系统稳态性能有很大影响。K 值越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。也就是说，K 值越大，稳态性能就越好。
因比例调节器的Kp=常数，所以稳态速降△nb 只能减小，而不能消除。事实上，只有当K=∞时，才有△nb=0，但这是不可能的。因此，速度闭环调速系统是有静差的控制系统。实际上，这种调速系统正是依靠转速与理想空载转速的偏差来保证系统的正常工作的。 （2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定
给定电压Un 是和反馈电压Un 。相比较的参考输入量。对于给定电压的微小变化，都 会直接引起相应的电动机转速的变化。在调速系统中，改变给定电压的大小就是在调节转速。 （3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度
反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的给定电压的电源波动。 反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。
现代调速系统的发展趋势是用数字给定和数字测速来提高调速系统的精度。
二、电流环
电流环动态结构图
电流调节器（ACR ）的作用：
电流调节器的结构图
（1）在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出
量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。
（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
三、转速环：
转速环动态结构图
转速调节器（ASR ）的作用：
转速调节器的结构图
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采
用PI 调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 四、起动过程分析
(1)电流I d 从零增长到I dm ，然后在一段时间内维持其值等于I dm 不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL 。
(2)转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n *。 (3)起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，
(4)转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。
本机模型：
本机仿真图
其中电压设为4.8可以求得转速近似1460转
仿真结果：
有滤波无限副：
有滤波无线副仿真图
由题可得：额定电压220 V ，额定电流136 A ，额定转速1460 r/min，
C e =0. 132V ∙r ，允许过载倍数λ=1. 5，晶闸管整流器放大倍数K s =40，
电枢回路总电阻R =0. 5Ω，时间常数T 1=0. 03s ，T m =0. 18s ，电流反馈系数
V ∙r 。 β=0. 05V /A ，速度反馈系数α=0. 007
整流装置采用三相桥式全控整流电路，整流装置的滞后时间常数电流滤波时间常数T oi =0. 002s ，转速滤波时间常数T on =0. 01s 。 T s =0. 0017s ，
1电流调节器的设计 （1）确定时间常数
整流装置滞后时间常数T s=0.0017s。 电流滤波时间常数T oi=2ms=0.002s。
电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取T Σi=T s+T oi=0.0037s。 （2）选择电流调节器结构
要求σi ≤5%，并保证稳态电流无差，按典型I 型系统设计电流调节器。用PI 型电流调
T l 0. 03==8. 11T ∑i 0. 0037
节器。
检查对电源电压的抗扰性能： ，
参看表3-2的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。 （3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：τi=T i=0.03s。 电流环开环增益：取K i T Σi=0.5，
0. 50. 5
K I ===135. 1
T ∑i 0. 0037ACR 的比例系数为 K τR 135. 1⨯0. 03⨯0. 5
K i =I i ==1. 013 K s β40⨯0. 05（4）校验近似条件
电流环截止频率ωci=K I=135.1s-1
①校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
11==196. 1 >ωci 3T s 3⨯0. 0017
②校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
11=3⨯=40. 82
T m T l 0. 18⨯0. 03
③校验电流环小时间常数近似处理条件
11=⨯=180. 8 >ωci
3T s T oi 30. 0017⨯0. 002
（5）计算调节器电阻和电容
取 R 0=40k Ω
取40k Ω R i =K i R 0=1. 013⨯40=40. 52k Ω
τ0. 03-6
C i =i ==0. 75⨯10F =0. 75μF 取0.75μF R i 40⨯10
4T 4⨯0. 002C oi =0i ==0. 2⨯10-6F =0. 2μF 取0.2μF 3
R 040⨯10
2转速调节器的设计 （1）确定时间常数
①电流环等效时间常数。 由例题3-1，已取K I T Σi=0.5，则
1
=2T ∑i =2⨯0. 0037=0. 0074s
K I
②转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取T on=0.01s 。 ③转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取
1
T ∑n =+T on =0. 0074+0. 01=0. 0174s K I
(2)选择转速调节器结构
K (τs +1)
选用PI 调节器， W ASR (s ) =n n
τn s （3）计算转速调节器参数
取h=5，则ASR 的超前时间常数为 τn =hT ∑n =5⨯0. 0174=0. 087s 转速环开环增益：
h +16
K N =22==396. 4s -2
22
2h T ∑n 2⨯5⨯0. 0174ASR 的比例系数为
(h +1) βC e T m 6⨯0. 05⨯0. 132⨯0. 18
K n ===11. 7 2h αRT ∑n 2⨯5⨯0. 007⨯0. 5⨯0. 0174
（4）检验近似条件
转速环截止频率为
K
ωcn =N =K N τn =396. 4⨯0. 087=34. 5s -1 ω1
①电流环传递函数简化条件
1I 1满足简化条件 ==63. 7>ωcn
30. 0037 3T ∑i
②转速环小时间常数近似处理条件
1I 1==38. 7>ωcn 满足近似条件
3T on 30. 01
（5）计算调节器电阻和电容
取 R 0=40k Ω
取470k Ω R n =K n R 0=11. 7⨯40=468k Ω
τ0. 087-6
C n =n ==0. 185⨯10F =0. 185μF 取0.2 μF R n 470⨯10
4T 4⨯0. 01 -6
C on =on ==1⨯10F =1μF 3
取1μF R 040⨯10（6）校核转速超调量
当h =5时，由表3-4查得，σn %=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。 仿真结果：
有滤波有限副：
有滤波有限副的仿真图 参数跟有滤波无限副一样
仿真结果：
结果分析
由仿真结果可以得到上升时间T=0.37s，调节时间T=0.57s 超调量 i %=7.4%
对用MATLAB 来进行拖动系统仿真的心得体会
通过这次实验我了解直流电机的动态数学模型，了解直流调速系统的动态分析方法，了解直流调速系统的工程设计方法，并通过对单闭环、双闭环调速系统的具体设计，加深对工程设计方法的理解和应用。这次实验从先前的一知半解，到后来的熟练，我通过查找资料，请教同学，自己一次次的尝试，最后完成了这次实验。