基于工程整定法的三环直流调速系统调节器设计.doc

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1、目 录中文摘要- 1 -Abstract.- 1 -一、设计背景- 2 -1、直流调速系统的研究背景和意义- 2 -2、三环系统及其在纺织生产中的应用- 2 -二、控制器设计方法概述- 3 -1、控制器及控制系统- 3 -(1) PID调节器- 3 -(2) 现代控制理论- 6 -2、控制器的设计方法分类- 7 -(1）模拟化设计方法- 7 -(2）离散化设计方法- 7 -(3）两种方法的比较- 7 -三、调节器的设计- 8 -1、设计任务- 8 -2、工程设计方法的基本思路- 9 -3、典型系统- 9 -（1）典型型系统- 10 -（2）典型型系统- 10 -（3）控制系统的动态性能指标-

2、11 -4、按工程设计方法设计三环系统的调节器- 13 -（1）电流调节器的设计- 13 -（2）转速调节器的设计- 16 -（3）张力调节器的设计- 19 -四、三环控制系统的仿真- 22 -1、SIMULINK的仿真步骤- 22 -2、电流环的MATLAB仿真- 23 -3、转速环的MATLAB仿真- 25 -4、张力环的MATLAB仿真- 29 -总 结- 31 -参考文献- 32 -致 谢- 33 -中文摘要：直流电动机因其良好的调速性能在电力拖动中得到广泛应用，因此在今后相当长的一段时期内直流调速和交流调速并存，未来直流调速系统还将获得更大的发展并发挥重要的作用。本文在分析三环直流调

3、速系统原理基础上，再根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数，运用Matlabe 的Simulink工具箱构现了张力转速电流三环直流调速系统的建模与仿真；重点介绍了张力环、转速环和电流环等参数的设置及建模，给出了直流调速系统的仿真模型和结果，验证了仿真模型和参数设置是否正确。关键词：直流电动机,三环调速系统,参数设置,MATLAB,系统仿真Abstract： DC motor speed control because of its good performance in electric drive has beenwidely used, so in the future

4、for a long period of time, AC variable speed DC drive and coexistence, the future DC speed control system will achieve greater development and play an important role.This paper analyzes the tricyclic principles of the loop DC speed control system based on the system dynamic and static performance in

5、dicators engineering design methods using the control parameters, and the use of Matlabe Simulink Toolbox, system-oriented electrical schematic diagram of the simulation method to achieve a speed of current tricyclic DC speed control system modeling and simulation; focuses on the current rate of cha

6、nge tension loop, speed loop and current loop parameters such settings, gives the DC SR system simulation models and results the simulation results validate the simulation model and parameter settings are correct.Key Words：DC motor; Tricyclic speed control system; parameter settings; MATLAB; system

7、simulation第 - 2 - 页 (共 33 页) 一、设计背景能够长久地控制料带在设备上传送时张力的能力叫做张力控制。当进行轧钢、印染、化纤、造纸和纺织的生产时，由于它们的加工物都是带状既不堆叠又不拉断，卷绕紧密、整齐，并且全部都卷绕成了圆筒形，除了保证其加工质量，还要使加工物在不断的传送，卷绕过程中，建立适宜的张力并保持其恒定。通常我们需要能很好的完成这些要求的张力控制系统。它就是在双闭环系统基础上加上张力外环成为三环控制系统。1、直流调速系统的研究背景和意义直流电动机在需要很好性能，且能够控制的电力拖动领域中基本上都能得到应用。那是由于他有不错的起、制动性能，而且容易在广泛的范围内

8、平滑调速。由于各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中常要求电动机既能正反转又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。因此研究直流电机的速度控制有着非常重要的意义。计算机技术的发展正在影响着人类生活的各个方面，计算机的应用随着软件和硬件技术日益发展，出现了前所未有的繁荣。用计算机控制电力拖动控制系统是计算机应用的一个重要内容。从上世纪以来，计算机得到了不断的发展，技术也得到了很大提升。这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都使控制系统的性能有较大地提高和改进。技术的升级也随着新的控制

9、芯片的出现有了很大的希望。2、三环系统及其在纺织生产中的应用在实际的生产中，为了满足其工艺需求我们常常需要在双闭环系统的基础上把直流调速系统设计成三环调速系统，而这些系统主要用于冶金、机床等快速响应要求较高的场合。由于加工对象非常特别，所以要保证它的稳定性对快速性却没有特别需求。所以，大部分机台要求起制动的过程中要保持平稳，当它们进行工业生产时。三环系统的工作特点：第一，三环系统的整个机台是一个联合机，机台运行前织物呈松弛状态，只有当机台起动，织物拉紧后，建立起了张力，张力检测环节才会有输出反馈信号。当两个传动点之间的距离很大时，张力的建立有一个较大的滞后，那是由于织物的弹性作用造成的。所以在

10、系统起动后的一段时间内，张力调节器处在开环状态，容易造成张力冲击或系统不稳定。所以在联合机起动时，常常都是先加入转速给定，使各单元进入同步运行而不是先加入张力环。只有在保证织物拉紧，并建立了一定的张力后，才会加入张力闭环。因此这里要单独设立一个转速给定。转速控制环使系统有较宽的调速范围，并起到抗负载扰动、稳定转速的作用。第二，电流环的作用就是保证系统在最大恒定电流下加速，还能加快起动过程，并且限制最大起动电流，它在双闭环系统中的也是这样。另外可减少电网电压波动对张力的影响。第三，双闭环调速系统是先内环后外环依次调整，而张力三环调速系统也与其类似。对张力环，通常先静态调整，人为对张力传感器加压到

11、要求值，逐渐加大反馈量，不仅可以判别张力反馈极性，保证为负反馈，而且能够整定反馈量，使之与张力给定相匹配，使最大张力时的反馈量与最大给定张力相等。进行动态调整要在取最大张力反馈值之后，而此时张力反馈环节仍然应该不饱和。二、控制器设计方法概述工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。控制器是根据控制原理对整个控制系统进行偏差调节，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。1、控制器及控制系统(1) PID调节器按偏差的微分、积分和比例进行控制的调节器就是比例积分

12、微分调节器简称为PID调节器。结构简单是它的特点，其参数方便调整，丰富的经验在长期应用中得到了积累。它在连续系统中应用非常广泛，其技术也十分成熟。在进行工业生产时，很难对控制对象的建立精确数学模型，而参数又常常变化，并且运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，效果一般也不是很乐观。因而人们常采用成本较低的PID调节器，再根据经验进行在线整定。PID调节器是一种线性调节器，它是将设定值同实际输出值进行比较，这样能构成控制偏差图3.1 PID控制原理框图在应用中，根据对象控制要求及特性，能够灵活的变化结构，构成控制规律是它们中一部分环节。1比例调节器比例调节器是非常简单的调节器，它的其

13、控制规律是 (2-1) 式（2-1）中，比例系数；控制量的基准，也就是的控制作用。图2.2 比例调节器的阶跃响应曲线由上图可知，对于偏差，比例调节器是即时反应的。当偏差产生时，调节器立刻产生控制的作用让被控量朝减小偏差的方向变化，而控制作用的强弱就要取决于比例系数。根据误差进行调节，使系统沿着减小误差的方向运动。误差大则控制作用也大。比例调节器一般不能消除稳态误差。加大比例系数可以减小静差，但当过大时，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。2比例积分调节器比例积分调节器就是在比例调节的基础上加上积分调节。这样就能够消除在比例调节中残存的静差。其控制规律为 积分时间 (2-2)图2

14、.3 PI调节器的阶跃响应曲线从图2.3可以看出PI调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化的成分外，还带有累积的成分。只有偏差不为零，它将通过累积作用影响控制量，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳定。因此，积分环节的加入将有助于消除系统静差。积分作用输出变化的快慢与输入偏差的大小成正比，而与积分时间成反比。愈短，积分速度愈快，积分作用就愈强。显然，如果积分时间大，则积分作用弱；反之，积分作用强。增大将减慢消除静差的过程，但可以减小超调，提高稳定性。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。增加即减少积分作用，有利于增加

15、系统的稳定性，减少超调，但系统静态误差的消除也随之变慢。3比例积分微分调节器积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但花出的代价是降低了响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量做出即时反应（即比例调节作用），而且对偏差量的变化做出反应，或者说按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭于萌芽状态之中。为了达到这一目的，可以在上述PI调节器的基础上再加入微分调节以得到PID调节器的如下控制规律 (2-3)式（2-3）中，微分时间。理想的PID调节器对偏差阶跃变化的响应如图2.4所示。图2.4 理想PID调节器的阶跃响应曲线由于加入的微分环节可见，它对偏差的任何变化都产生一个控

16、制作用，以调整系统输出，阻止偏差的变化。偏差变化越快，越大，反馈校正量则越大。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。微分时间常数的增加即微分作用的增加，将有助于加速系统的动态响应，使系统超调减少，系统趋于稳定。但微分作用有可能放大系统的噪声，减低系统的抗干扰能力。理想的微分器是不能物理实现的，必须要采用适当的方式近似。(2) 现代控制理论模糊控制（fuzzy control），也称模糊逻辑控制

17、（fuzzy logic control），是一种以模糊集合，模糊逻辑和模糊运算为基础的计算机先进控制技术。随着数字技术的飞速发展，过程工业越来越多地使用计算机控制系统，如DCS、PLC等作为过程自动化的硬件平台。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。2、控制器的设计方法分类(1）模拟化设计方法第一步：用连续系统理论确定；第二步：用合适的离散化方法由求出；第三步：检查系统性能是否满足设计要求；第四步：将变为差分方程或状态空间方程，并编写计算机程序。需要时可运用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是否正确。(2）离散

18、化设计方法首先用适当的离散化方法将连续部分（如图所示的保持器和被控对象）离散化，使整个系统完全变成离散系统，然后用离散控制系统的设计方法来设计数字控制器，最后用计算机实现控制功能。(3）两种方法的比较 模拟化设计方法可引用成熟的经典设计理论和方法。但在“离散”处理时，系统的动态特性会因采样周期的增加而改变，甚至导致闭环系统的不稳定。三、调节器的设计大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。设计调节器的时候，都应该先求出该闭环的原始

19、系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数。图3.1 张力三环控制系统的动态结构图1、设计任务某卷取系统采用电流、转速、张力三环控制，整流装置为三相桥式电路，其它基本数据如下： 直流电动机：220V，130A，1500r/min，=0.13Vmin/r，允许过载倍数 =1.5；晶闸管装置放大系数：=45；电枢回路总电阻：=0.5；时间常数：电磁时间常数=0.03s，机电时间常数=0.18s，张力环惯性时间常数=0.01s，增益=0.003；电流反馈系数：=0.05V/A；转速反馈系数：=0.006Vmin/r；张力

20、反馈系数：=0.1V/N；Toi=0.002s Ton=0.01s Tot=0.002s设计要求：电流、转速跟随性能良好，张力无静差且具有较强的抗干扰能力。2、工程设计方法的基本思路 工程设计方法最开始就是要让问题简化，突出主要矛盾。下面为简化思路：第一：为了让系统典型化并能够满足稳定和稳态精度，选择合适的调节器结构。第二：为了能够满足动态性能指标的要求，设计合适的调节器参数。再细分一下可分为以下几个步骤：第一步，系统结构图的简化；第二步，调节器结构的选择；第三步，调节器的参数计算；第四步，调节器的实现。电流环是本三环直流调速系统的内环，而保持电枢电流在动态过程中不超过允许值是它的重要作用，当

21、突加控制作用时超调量越小越好。由于要求电流跟随性能良好，根据自动控制理论，由于电流环的控制对象是双惯性型的，所以常常按典型型系统来设计电流环。电流环控制对象是双惯性型的则电流调节器采用比例积分调节器。按照普通直流调速系统的要求来说，没有张力环的转速电流双环系统其转速环基本都设计成典型型系统。由于在本三环调速系统中，张力环在转速环之外，而又为了保证本直流调速系统的性能，转速环应设计成典型型系统。而转速调节器可以设计成比例调节器。张力三环控制系统的最外环是张力环，为了使张力无静差且具有较强的抗干扰能力，张力环应该校正为典型型系统。3、典型系统一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可用式（3-1）表

22、示 (3-1)上式中，分母中的项表示该系统在原点处有 r 重极点，也可以称，系统含有 r 个积分环节。根据 r=0，1，2，等不同数值，分别称作0型、I型、型、系统。 自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。（1）典型型系统作为典型I型系统，其开环传递函数选择为 (3-2)式（3-2）中，系统的惯性时间常数；系统的开环增益。a) b)图3.2 典型I型系统a) 闭环系统结构图 b）开环对数频率特性典型的I型系统有着简单的结构，其对数幅频特性的中频段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，系统要稳

23、定，就要选择合适的参数保证足够的中频带宽度，并且还要有足够的稳定裕量。显然，要做到这一点，应该在选择参数时保证或 于是，相角裕度。（2）典型型系统传递函数: (3-3)它的闭环系统结构图和开环对数频率特性如图3-2所示，典型的II型系统也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。a)b)图3.3 典型型系统a) 闭环系统结构图 b) 开环对数频率特性在分子添上一个比例微分环节可以把相频特性抬到 180线以上，而分母中项对应的相频特性是180，后面还有一个惯性环节以保证系统稳定。要实现图4-2b的特性，显然应保证 或 而相角稳定裕度为： (3-4)比大得越多，则系统的稳定裕度越大。（3）控制系

24、统的动态性能指标在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。上升时间表示动态响应的快速性；超调量反映系统的相对稳定性，超调量越小稳定性越好；调节时间衡量输出量整个调节过程的快慢。抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有动态降落和恢复时间。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。1典型型系统抗扰性能指标和参数的关系由图3.3a可知 (3-5)a）b）图3.3 扰动作用下典型I型系统的动态结构框图a）扰动F作用下的典型I型系统 b）等效结构框图分

25、析上图可知抗扰性能的优劣与跟随性能的优劣有关，因为虚框内环节的输出变化过程就是系统的跟随过程。扰动作用点前的传递函数对抗扰性能也有很大的影响，因为在虚框前面还有的作用。因此，抗扰性能指标也不定，随着扰动点的变化而变化。2典型型系统抗扰性能指标与参数的关系 图3.4为常用的调速系统，分析了它之后其他情况就可以仿造这处理。图3.4 典型型系统在一种扰动下的动态结构框图经过计算得： (3-6)由式(3-6)可以计算出对应于不同 h值的动态抗扰过程曲线DC(t)，从而求出各项动态抗扰性能指标。为了让设计，合理则取输出量基准值为 (3-7) 4、按工程设计方法设计三环系统的调节器（1）电流调节器的设计电

26、流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化，对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。1. 电流环结构框图的化简系统设计的一般原则：从内环开始设计，再一环一环向外。所以先设计电流调节器，把整个电流环当成转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。同样的，把转速环当成是张力调节系统中的一个环节，就可以设计张力调节器了。简化内容：1) 忽略反电动势的动态影响，如图3-5a所示；2) 等效成单位负反馈系统，如图3-5b所示；3) 小惯性环节近似处理，如图3-5c所示。 a）b）c）图3.5 电流环的动态结构图及其化简时间常数：

27、 (3-8)简化的近似条件为 (3-9)2. 电流调节器的选择 典型系统的选择：由于要求电流跟随性能良好，根据自动控制理论，由于电流环的控制对象是双惯性型的，所以常常按典型型系统来设计电流环。在动态跟随性能上，电枢电流在突加控制作用时不能有太大的超调，以保持电枢电流恒定。对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，抗扰动的恢复时间也较短。按照设计要求，电流环按照典型系统设计，电流环控制对象是双惯性型的则电流调节器采用比例积分调节器其传递函数为 (3-10)式（3-10）中，电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数 其中 (3-11) (3-12)3电流调节器的参数计算1）确定时间常数整流

28、装置滞后时间常数：电流环小时间常数。由设计要求可知。故按小时间常数近似处理：2）选择电流调节器结构由于要求转速跟随性能良好，电流环按照典型系统设计，电流环控制对象是双惯性型的则电流调节器采用比例积分调节器。传递函数：检查抗扰性能：。查对典型I型系统的动态抗扰性能，其各项指标都符合要求。3）计算电流调节器参数按照设计要求，可求电流调节器超前时间常数即 电流环的开环增益：因设计要求 5% ，取=0.5，则电流调节器的比例系数由于 则 4）校验近似条件电流环截止频率：校验晶闸管装置传递函数近似条件：满足近似条件。校验忽略反电动势对对电流环影响的条件：满足近似条件。 校验小时间常数近似处理条件： 满足

29、近似条件。终上所述，电流环能够达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%（见表3-1），可以达到设计要求。（2）转速调节器的设计转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。a）b） c）图3.7 转速环的动态结构图及其简化1. 转速环结构图的化简电流环闭环传递函数：电流环经化简后将其作为转速环中的一个环节。它的闭环传递函数为 (3-13) 近似条件： (3-14) 传递函数化简: (3-15) (3-16) (3-17)2. 转速调节器的选择按照普通直流调速系统的要求来说，没有张力环的普通双闭环调速系统,其转速环基

30、本都设计成典型型系统。由于在本三环调速系统中，张力环在转速环之外，而又为了保证本直流调速系统的性能，转速环应设计成典型型系统。此时，ASR采用比例调节器即可，其传递函数为 (3-18)转速调节器比例系数 转速调节器超前时间常数 调速系统的开环传递函数 (3-19)令转速环开环增益为 (3-20)则 (3-21)3转速调节器的参数计算 根据设计要求使转速超调量。参数计算：1）确定时间常数电流环等效时间常数1/：取，则转速滤波时间常数：。转速环小时间常数：2）转速调节器的选择按照设计要求，比例调节器。检查抗扰性能：。查对典型I型系统的动态抗扰性能，其各项指标都符合要求。3） 计算转速调节器参数按照

31、设计要求，可取转速调节器超前时间常数：转速环开环增益：因设计要求 5% ，取=0.5，则转速调节器的比例系数。校正后系统的开环传递函数为 令转速环开环增益为 则有 4检验近似条件转速环截止频率为： 1) 电流环传递函数简化条件为：满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为：满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容根据图4-9，取，则=13.74=549.6，取550；，取；，取。终上所述，转速环能够达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%（见表3-1），可以达到设计要求。（3）张力调节器的设计1. 张力环结构框图的化简a）b） c）图3.8张力环的动态结构图及其简化2. 张力调节器的选择该

32、系统得最外面的一环为张力环，而且转速环已经设计为典型型系统。为了使其有动态抗扰动性能、跟随性能同静态性能都比较合适，则张力环校正为典型型系统较为合适。则 (3-22) (3-23)其中 (3-24)由此可见，张力调节器也应该采用传递函数为 (3-25)式中，张力调节器的比例系数；张力调节器的超前时间常数。3. 张力调节器参数的选择：1）确定时间常数转速环等效时间常数1/：取，则张力滤波时间常数：取。张力环小时间常数：2）选择张力调节器结构按照设计要求，选择传递函数为的调节器。3） 计算张力调节器参数为了满足设计要求取h=5，则张力调节器超前时间常数是可以求得张力环开环增益又因为 则张力调节器比

33、例系数为 4) 检验近似条件张力环截止频率为： 1) 转速环传递函数简化条件为：满足简化条件。2）张力环小时间常数近似处理条件为：上述参数相差不大，所以满足近似条件。终上所述，张力环能够达到的动态跟随性能指标为=37.6%（见表3-2），可以达到设计要求。表3-1 典型I型系统跟随性能指标与参数的关系参数关系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.3T3.6T表3-2 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h345678910str / Ts / T

34、k52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201四、三环控制系统的仿真为了得到满意的结果，在仿真过程中,首先根据典型型或型系统的方法计算调节器的参数,然后利用MATLAB里SIMULINK工具进行仿真,还要灵活修改参数。由于设计要求是要让电流、转速跟随性能良好，张力无静差且具有较强的抗干扰能力。所以我们需要校验电流环和转速环的跟随性能并使张力无静差且具有较强的抗干扰能力。1、SIMULINK的仿真步骤第一步，在MA

35、TLAB的命令窗口运行SIMULINK命令，或单击工具栏中的图标，就可以打开SIMULINK模块库浏览器(Simulink Library Browser) 窗口第二步，单击工具栏上的图标或选择菜单“File”“New”“Model”，新建一个名为“untitled”的空白模型窗口。 第三步，在上图的右侧子模块窗口中，单击“Source”子模块库前的“+”(或双击Source)，或者直接在左侧模块和工具箱栏单击SIMULINK下的Source子模块库，便可看到各种输入源模块。第四步，用鼠标单击所需要的输入信号源模块“Sine Wave”(正弦信号)，将其拖放到的空白模型窗口“untitled”

36、，则“Sine Wave”模块就被添加到untitled窗口；也可以用鼠标选中“Sine Wave”模块，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“add to untitled”命令，就可以将“Sine Wave”模块添加到untitled窗口。第五步，用同样的方法打开接收模块库“Sinks”，选择其中的“Scope”模块(示波器)拖放到“untitled”窗口中。第六步，在“untitled”窗口中，用鼠标指向“Sine Wave”右侧的输出端，当光标变为十字符时，按住鼠标拖向“Scope”模块的输入端，松开鼠标按键，就完成了两个模块间的信号线连接，一个简单模型已经建成。第七步，开始仿真，单击“un

37、titled”模型窗口中“开始仿真”图标，或者选择菜单“Simulink”“Start”，则仿真开始。双击“Scope”模块出现示波器显示屏，可以看到黄色的正弦波形。 第八步,保存模型，单击工具栏的图标，将该模型保存为“Ex0701.mdl”文件。2、电流环的MATLAB仿真按照下图所示空载时的电流单环控制系统的动态结构图进行MATLAB仿真图4.1电流单环控制系统的动态结构图 图4.2 电流环仿真结果图上图为电流环空载启动时的响应曲线，该响应曲线略有超调，系统曲线迅速上升至峰值，峰值时间非常短，随后电流立即下降至恒定值，这样的响应是非常理想的。这正好验证了按照典型型系统设计电流环其超调量会很

38、小的事实。可以看出仿真结果比较满意。一般来说，按照给出的参数设计出来的调节器的仿真结果都不是非常完美。为了得到一个满意的结果，我们可以观察仿真结果，了解各个调节器在参数不同的情况下对系统的影响，这样能够找出更加合适的符合工程要求的参数。电流环与转速环都是按照典型型系统设计的。在设计调节器时按照典型型系统设计的调节器都是取的。所以我们可以改变设计时的超调量取不同KT值，再计算得到各个调节器的参数，并观察调节器在参数不同的情况下对系统的影响，最后确定满意的值。图4.3 超调较大时电流环的仿真结果图4.4 无超调时电流环的仿真结果图4.4为取时，的仿真结果。从多组仿真结果可以看出还是按照进行设计的调

39、节器的跟随性能最佳，所以选择这组参数作为电流调节器的最终参数。3、转速环的MATLAB仿真仿真的结果可以通过示波器模块输出，当给定信号的参数发生变化时，示波器的输出将发生变化。本仿真是模拟给定阶跃变化时转速和电流的启动动态过程，输出是速度和电流。按照下图所示空载时的转速双环控制系统的动态结构图进行MATLAB仿真图4.5 转速双环控制系统的动态结构图图4.6 转速环空载起动过程的阶跃响应曲线图4.7 转速环负载40的起动过程的阶跃响应曲线电动机起动时转速给定为最大转速，对负载电流为空载（）和带负载电流（）为起动时的动态过程进行仿真，转速、电流的仿真曲线如图4.6和图4.7所示。从仿真结果可以看

40、到速度与电流之间的关系基本上符合理想的波形。电动机起动时电流维持在最大值，电机转速以最大速度上升至最高转速，然后转速超调，转速调节器退饱和，电流下降至负载电流。由此可见，仿真结果与理论分析完全吻合。图4.8 转速环抗负载扰动仿真结果在仿真过程中， 把负载模块改为step 模块， 参数设置为：step 0.8 s，Initial Value 0，Finial Value 40。这表明在开始阶段，负载为0，当时间为0.8 s 时，负载变为40，得到仿真结果如图4.8所示。图4.9 无超调时转速环的仿真结果图4.10 超调较大时转速环的仿真结果图4.10为取时，的仿真结果。从多组仿真结果可以看出还是

41、按照设计的调节器的跟随性能最佳，所以选择这组参数作为转速调节器的最终参数。4、张力环的MATLAB仿真按照下图所示空载时的张力三环控制系统Simulink动态结构图进行MATLAB仿真图4.11 张力三环控制系统的动态结构图图4.12 张力环空载起动过程的阶跃响应曲线图4.13 当时张力环空载起动过程的阶跃响应曲线图4.13为取时，的仿真结果。从多组仿真结果可以看出还是按照原来设计的调节器的响应曲线最符合设计要求，此时张力环单位阶跃响应曲线超调为37.6%，选择这组参数作为转速调节器的最终参数。上图中横坐标表示时间，纵坐标表示幅值。而从仿真结果中也能够看出速度与电流及张力之间的波形关系，大体上能够符合理想的波形且张力无静差。图4.14 张力环负载40起动过程的阶跃响应曲线图4.15 张力环抗负载扰动仿真结果 在仿真过程中， 把负载模块改为step 模块， 参数设置为：step 0.6s，Initial Value 0，Finial Value 40。这表明在开始阶段，负载为0，当时间为0.6s 时，负载变为40，得到仿真结果如图4.15所示。张力环抗负载扰动的振荡几乎察觉不出来，抗扰动过程非常短暂，系统张力三环已经感觉到扰动，但经过很短暂的时间扰动响应的过程就已经