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实验一
开环直流调速系统的仿真
一、实验目的1、熟悉并掌握利用MATLAB中Simulink建立直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。
2、掌握开环直流调速系统的原理及仿真方法。
二、实验内容
开环直流调速系统的仿真框图如图1所示，根据系统各环节的参数在Simulink中建立开环直流调速系统的仿真模型，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相应的结论。
图1
开环直流调速系统的仿真框图
开环直流调速系统中各环节的参数如下：
直流电动机：额定电压UN
=
220
V，额定电流IdN
=
A，额定转速nN
=
1000
r/min，电动机电势系数Ce=
0.192
V·min/r。
假定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
=
0.00167
s。
电枢回路总电阻R
=1.0
Ω，电枢回路电磁时间常数Tl
=
0.00167
s，电力拖动系统机电时间常数Tm
=
0.075
s。
对应额定转速时的给定电压Un*=4.364V。
三、实验步骤
1、根据开环直流调速系统的各环节参数建立空载时的Simulink仿真框图，如图2所示。
图2
空载时开环直流调速系统的仿真框图
2、设置合适的仿真时间，利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的Workspace中，并在MATLAB中利用plot（X,Y）函数绘制出空载时直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。
3、根据开环直流调速系统的各环节参数建立带负载时的Simulink仿真框图，如图3所示。
图3
带负载时开环直流调速系统的仿真框图
4、设置合适的仿真时间，在1s时分别加入负载电流为IdL=10、20、50A，利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的Workspace中，并在MATLAB中利用plot（X,Y）函数绘制出在1s时加入负载电流分别为IdL=10、20、50A时直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。
5、设置合适的仿真时间，在1s时分别加入负载电流为IdL=20A，修改给定电压Un*的值（取3组不同的值），利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的Workspace中，并在MATLAB中利用plot（X,Y）函数绘制出在1s时加入负载电流分别为IdL=20A时直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。（证明开环时转速降落只与负载电流有关，而与给定电压无关。）
四、数据分析
T/s
0
0.01
0.05
0.5
1.1
1.5
Id/A
0
174.95
102.06
0.37
0.05
0.11
0.05
n/r*min
0
102.95
481.2
999
1000.1
1000.1
1000.1
在0~1s里，电流快速减小，1s后，电流趋于平稳；而在0~1s里，电机转速快速上升，1s后达到稳定。
T/s
0
0.01
0.05
0.5
1.2
1.5
Id1/A
0
174.45
102.06
0.37
0.02
9.37
10.12
n1/r*min
0
102.95
481.2
998.92
1000.1
951.63
948.04
Id2/A
0
174.45
102.06
0.37
0.02
18.73
20.12
n2/r*min
0
102.95
481.2
998.92
1000.1
902.74
896.01
Id3/A
0
174.45
102.06
0.37
0.02
46.75
49.97
n3/r*min
0
102.95
481.2
998.92
1000.1
756.76
739.96
由上表可知，在0~1s内，随着id的减小，n逐渐增大；在1s时突加负载电流，id逐渐增大，n逐渐减小；且随着负载电流的增大，id增大越明显，n减小越明显。
T/s
0
0.01
0.05
0.5
1.2
1.5
Id1/A
0
395.69
229.82
0.59
0.02
19.138
20.5
n1/r*min
0
265.49
1122.5
2289.1
2291.7
2194
2187.6
Id2/A
0
598.33
346.85
1.18
0.17
18.75
20.16
n2/r*min
0
364.14
1675
3433.5
3437.5
3340.2
3333.4
Id3/A
0
801.62
474.26
1.84
-0.07
18.52
19.7
n3/r*min
0
452.76
2171.2
4577.9
4583.3
4486
4479.3
对上表分析，随着给定电压的升高，电枢电流在0~1s所达到的峰值也随着提高，在1s时加入20A固定负载电流后，电枢电流上升的幅度基本相同；电机转速跟电枢电流变化基本相似。
在Un*分别为10V、15V、20V时，转速降落分别为
Δn1=2289.1-2187=102.7(r/min)
Δn2=3437.5-3333.4=104.1(r/min)
Δn3=4583.3-4479.3=104(r/min)
可以看出Δn1≈Δn2≈Δn3，因此可证明转速降落于给定电压Un*无关。