单闭环直流调速系统仿真实验

1 实验要求

2 仿真过程

2.1 仿真对象

2.2 仿真总图

图1 系统总体框图

3实验问题回答

3.1 问题(2)

3.1.1 比例调节器与比例积分调节器的对比分析

图2 P调节器的转速输出（上）PI调节器的转速输出（下）

稳态静差： 由已知，我们知道该直流电动机的额定转速为2610r/min。可以看到使用比例调节器最终稳定转速约为2483r/min，而使用比例积分调节器最终稳定转速约为2610r/min。
原因： 比例调节器的控制是有静差的，属于有静差系统。而对于比例积分控制器，属于无静差系统，由于引入了积分，积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，因此积分控制可以实现无静差调速。

动态性能： 从上图可以看到，比例调节器在约0.2s就达到了稳定的转速，而比例积分控制器在约0.2s才达到峰值，并且转速有超调。在约2s后，转速稳定在2610r/min。
原因： 比例积分的调节是依赖于转速偏转电压，只要转速有偏差，就可以得到及时的控制，系统响应速度较快。而积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，存在控制滞后的特点，因而导致系统有超调，并且稳定时间较长。
总结：相较于比例控制器，比例积分控制器的稳态性能好，动态性能较差。比例部分能够迅速响应控制作业，积分部分则最终消除稳定误差但会在一定程度上影响动态性能。

3.2 问题(3)

3.2.1 转速、电流、电枢电压波形

图3 PI调节器转速波形

图4 PI调节器电流波形

图5 PI调节器电枢电压波形

3.2.2 过流原因及解决方法

过流原因： 在转速反馈控制直流调速系统中突加给定电压时，由于惯性的作用，转速不可能立即建 立起来，反馈电压为零，相当于偏差电压△U。=U，调节器的输出是K。U。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，会造成电动机过电流，当然是不允许的。
解决办法： 引入带电流截止负反馈环节，使电枢电流不超过允许值。

3.3 问题(4)

对突增负载用分别采用比例调节器和比例积分调节器进行仿真。在上述基础上在4s时突增40%的负载，也即在step2处加一个发生在四秒时刻大小为20.88的阶跃。

图6 突加负载的电流输出

图7 突加负载的转速输出

图8 突加负载的转速调节器的输出

加载前后稳态转速： 突加负载前后的转速几乎未发生变化，体现了PI控制器抵抗扰动的能力。同时，电枢电压由3.5369V上升到3.6133V，电枢电压由0上升到19.8139A，以克服负载电流增加的压降。
原因： 在稳态运行时，转速偏差电压必为零。如果偏差电压不为零，则进行反馈调节达到新的稳态。在突加负载引起动态速降时产生，通过调节控制电压、电枢电压和电枢电压，达到新的稳态。
总结： 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偏差。

4 实验总结

在有静差转速负反馈单闭环直流调速系统中，由于采用P调节器，稳态时转速只能接近给定转速值，而不可能完全等于给定的转速值。提高开环增益只能减小转速降落而不能完全消除转速降落。为了完全消除转速降落，实现转速无静差调节，采用PI调节器代替P调节器，就构成无静差转速负反馈直流调速系统。用Matlab/Simulink仿真技术实现了上述有静差和无静差转速单闭环直流调速系统的仿真建模，并给出了转速调节器参数改变时调速系统的仿真分析结果。实验结果表明，单闭环直流调速系统的调速性能仿真结果和理论上推导的调速性能相一致。

5 仿真文件分享

单闭环直流调速系统仿真实验