MATLAB 實驗報告

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1、揚州大學(xué) 專業(yè)軟件應(yīng)用綜合設(shè)計報告 水能 學(xué)院 11 級 電氣 專業(yè) 題目 異步電動機綜合仿真設(shè)計二 學(xué)生 王青東 學(xué)號 111704229 指導(dǎo)教師 張建華 2013年 12月 28日 直流電動機綜合仿真設(shè)計二 摘要：本文主要介紹了并勵直流電動機在恒定負載、風(fēng)機性負載、恒功率負載運行下的啟動調(diào)速仿真，調(diào)速中主要運用四級串阻調(diào)速的方式，通過對轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形的觀察，進一步分析并勵直流電機的運行規(guī)律；同時，還附帶的講解了一些有關(guān)MATLAB中SIMULINK模塊的使用與

2、連接，還有異步電機參數(shù)的設(shè)置、變壓器參數(shù)設(shè)定和理想開關(guān)開斷時間的設(shè)定，本文都將一一解釋。 關(guān)鍵字：并勵直流電機；串阻調(diào)速;負載；負載；MATLAB; 1 引言 直流電動機因其性能宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制具有及其重要的地位。直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在當(dāng)今社會，仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種系統(tǒng)尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，為了簡便工程設(shè)計和解決設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題，掌握SIMULINK仿真環(huán)境常用模塊庫和電力系統(tǒng)模塊庫，對直流電動機調(diào)速進行仿真設(shè)計就成為我們

3、今天急需探討的課題。 計算機仿真技術(shù)是應(yīng)用電子計算機對研究對象的數(shù)學(xué)模型進行計算和分析的方法。對于從事控制系統(tǒng)研究與設(shè)計的技術(shù)人員而言，MATLAB是目前控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計實用且有效的工具。這不僅是因為它能解決控制論中大量存在的矩陣運算問題，更因為它提供了強有力的工具箱支持。與控制系統(tǒng)直接相關(guān)的工具箱有控制系統(tǒng)、系統(tǒng)辨識、信息處理、優(yōu)化等。還有一些先進和流行的控制策略工具箱，如魯棒控制、u-分析與綜合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊預(yù)測控制、非線性控制設(shè)計、模糊邏輯等?？梢哉f目前理論界和工業(yè)界廣泛應(yīng)用和研究的控制算法，幾乎都可以在MATLAB中找到相應(yīng)的工具箱。 同時，MATLAB軟件中還提供了新的

4、控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工具SIMULINK,它具有構(gòu)造模型簡單、動態(tài)修改參數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、界面友好、功能強大等優(yōu)點，成為動態(tài)建模與仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。它可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真或分析，從而使得一個復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易且直觀。 將SIMULINK用于電機系統(tǒng)的仿真研究近幾年逐漸成為人們研究的熱點。本文以此為基礎(chǔ)，運用模糊邏輯控制，建立了電機控制系統(tǒng)的仿真模型，并通過了可靠的仿真實驗。 本實驗的目的是通過MATLAB的仿真實驗,對并勵直流電動機在恒定負載、風(fēng)機性負載、恒功率負載運行下的啟動

5、調(diào)速仿真，調(diào)速中主要運用四級串阻調(diào)速的方式，通過對轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形的觀察，進一步分析并勵直流電機的運行規(guī)律。 2 設(shè)計依據(jù)及框圖 2.1 設(shè)計平臺 1.仿真技術(shù)的背景 仿真技術(shù)作為一門綜合性的科學(xué)已有四十多年的發(fā)展歷史,其間經(jīng)歷了物理模型仿真,模擬計算機仿真和數(shù)字計算機仿真。早期,人們采用計算機高級程序語言對系統(tǒng)進行仿真,如BASIC、FORTRAN、PASCAL等。近些年,C語言用得最為普遍。用計算機高級程序語言編制的系統(tǒng)仿真程序,不但要詳盡描述各類事件的發(fā)生和處理情況,還要規(guī)定各類事件的處理順序。這樣,即便是一個很簡單

6、的系統(tǒng),程序也會很長,難于調(diào)試。同時,為了設(shè)計出優(yōu)良的人機界面,對數(shù)據(jù)輸入方式和仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)打印格式或圖形表達形式要大費心思。 2. Matlab和Simulink簡介 電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的巨大成就之一。它對科學(xué)計術(shù)的幾乎一切領(lǐng)域，特別對數(shù)值計算，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析，人工智能以及自動控制等方面產(chǎn)生了極其深遠的影響。熟練掌握利用計算機進行科學(xué)研究和工程應(yīng)用的技術(shù)，已經(jīng)成為廣大科研設(shè)技人員必須具備的基本能力之一。大部分從事科學(xué)研究和工程應(yīng)用的讀者朋友可能都已經(jīng)注意到并為之所困擾的是，當(dāng)我們的計算涉及矩陣運算或畫圖時，利用FORTRAN和C語言等計算機語言進行程序設(shè)計是一項很

7、麻煩的工作。Matlab正是為了免除無數(shù)類似上述的尷尬局面而產(chǎn)生的。在1980年前后，美國的Cleve博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實驗室），它是集命令翻譯，科學(xué)計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運算變得異常容易。 為了準(zhǔn)確的把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為Matlab提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為Si

8、mulnk，該工具很快在控制界得到了廣泛的應(yīng)用。但因其名字與著名的軟件Simula類似，所以在1992年正式改名為Simulink。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。Simulink的出現(xiàn)，更使得Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。 目前的Matlab已經(jīng)成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程外，還提供了豐富可的矩陣運算，圖形繪制，數(shù)據(jù)處理，圖像處理，方便的Windows編程等便利工具，由各個

9、領(lǐng)域的專家學(xué)者相繼推出了以Matlab為基礎(chǔ)的實用工具箱工具箱,其中主要有信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)化、μ分析與綜合、模糊邏輯、小波、樣條等工具箱,而且工具箱還在不斷增加。借助其強大的功能，Matlab廣泛應(yīng)用于自動控制、圖像信號處理，生物醫(yī)學(xué)工程，語音處理，雷達工程，信號分析，振動理論，時序分析與建模，化學(xué)統(tǒng)計學(xué)，優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。 3. Matlab建模與仿真 長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點在仿真模型建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后，要設(shè)計一種算法以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再將其編制成

10、程序在計算機上運行，因此，建模通常需要很長一段時間，同時仿真結(jié)果的分析必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)。Matlab 提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink 可有效解決上述仿真技術(shù)問題。 在 Simulink 中，建立系統(tǒng)模型，可以隨意改變仿真參數(shù)，即時得到修改后的仿真結(jié)果。 Matlab中的分析與可視化工具多種多樣且易于操作。利用 Simulink 對動態(tài)系統(tǒng)做適當(dāng)仿真和分析，可以在實際做出系統(tǒng)之前進行，以便對不符合要求的系統(tǒng)進行適時校正，增強系統(tǒng)性能，減少系統(tǒng)反復(fù)修改的時間，實現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。 動態(tài)仿真結(jié)果用圖形方式顯示在示波器的窗口或?qū)?shù)據(jù)以數(shù)字方式顯示出來。 常用的

11、3 種示波器為Scope，XY Graph和Display。 4. Simulink仿真工具 為了準(zhǔn)確地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計算機,然后對之進行進一步的分析與仿真,MathWorks公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具,并定名為Simulink。 MATLAB軟件的Toolbox工具箱與Simulink仿真工具，為控制系統(tǒng)的計算與仿真提供了一個強有力的工具，使控制系統(tǒng)的計算與仿真的傳統(tǒng)方式發(fā)生了革命性的變化。MATLAB已經(jīng)成為國際、國內(nèi)控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的計算與仿真軟件。 Simulink有兩個明顯的功能:仿真與連接,亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所

12、需的控制系統(tǒng)模型,然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯,這種做法使得一個很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。Simulink的出現(xiàn),更使得Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。 Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包,不僅界面友好且支持更靈活的模型描述手段。用戶既可直接用方塊圖來輸入仿真模型,也可用Matlab語言編寫M-文件來輸入。既可以純圖形方式輸入,也可以純文本方式來輸入。還可將上述兩種方法交叉混合使用。既可對連續(xù)系統(tǒng)也可對離散系統(tǒng)進行仿真,還適合于采樣保持系統(tǒng)。同時,它也具有能在仿真進行的過程中動態(tài)改變仿真參數(shù)的功能。因

13、此可以不難理解它自推出以后,就一直受到歐美和日本等國家或地區(qū)的控制界學(xué)者的青睞。 Simulink為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口,采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink包含有Sinks(輸出方式)、Source(輸入源)、Linear(線性環(huán)節(jié))、Nonlinear(非線性環(huán)節(jié))、Connections(連接與接口)和Extra (其它環(huán)節(jié))子模型庫,而且每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自已的模塊。 用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu),因此用戶可以

14、采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個模型的細節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。 在定義完一個模型以后,用戶可以通過Simulink的菜單或Matlab命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便,而命令行方式對于運行一類仿真非常有用。采用Scope模塊和其它的畫圖模塊,在仿真進行的同時,就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到Matlab的Workspace(工作空間)里做事后處理。

15、 由于Matlab和Simulink是集成在一起的,因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自已的模型進行仿真、分析和修改。 5.控制系統(tǒng)計算機仿真的過程 控制系統(tǒng)仿真，就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，主要用數(shù)學(xué)模型代替實際的控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對控制系統(tǒng)進行實驗和研究的一種方法。 通?？刂葡到y(tǒng)仿真的過程按以下步驟進行： 第一步，建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。描述系統(tǒng)諸變量間靜態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，稱為靜態(tài)模型；描述自控系統(tǒng)諸變量間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，稱為動態(tài)模型。常用最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程，根據(jù)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)與

16、系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學(xué)基本定律，例如牛頓定律、克?；舴蚨?、運動動力學(xué)定律、焦耳楞次定律等來列寫出變量間的數(shù)學(xué)模型。這是解析法建立數(shù)學(xué)模型。對于很多復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須通過實驗方法并利用系統(tǒng)辨識技術(shù)，考慮計算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動態(tài)本質(zhì)，又能簡化分析計算的工作。這是實驗法建立數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的主要依據(jù)。 第二步，建立自控系統(tǒng)的仿真模型。原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比如微分方程，并不能用來直接對系統(tǒng)進行仿真。還得將其轉(zhuǎn)換為能夠?qū)ο到y(tǒng)進行仿真的模型。對于連續(xù)控制系統(tǒng)而言，有像微分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換

17、，求得自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型。以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)，等效變換為狀態(tài)空間模型，或者將其圖形化為動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，這些模型都是自控系統(tǒng)的仿真模型。對于離散控制系統(tǒng)而言，有像差分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型以及類似連續(xù)系統(tǒng)的各種模型，這些模型都可以對離散系統(tǒng)直接進行仿真。 第三步，編制自控系統(tǒng)仿真程序。對于非實時系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級語言，例如Basic、Fortran或C等語言編制仿真程序。對于快速的實時系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當(dāng)然也可以直接利用仿真語言。如果應(yīng)用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是MATLAB仿真?？刂葡到y(tǒng)的MAT

18、LAB仿真是控制系統(tǒng)計算機仿真一個特殊軟件工具的子集。 第四步，進行仿真實驗并輸出仿真結(jié)果。進行仿真實驗，通過實驗對仿真模型與仿真程序進行檢驗和修改，而后按照系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結(jié)果。 2.2 設(shè)計思想 1、并勵直流電動機額定運行時，觀察轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩； 2、并勵直流電動機三級串阻起動調(diào)速，觀察轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律； 3、直流電機串阻調(diào)速時，伴隨著機械和電氣過渡過程，其理論分析十分復(fù)雜，常采用穩(wěn)定運行分析調(diào)速，通過仿真方法可以分析過渡過程和穩(wěn)定運行狀

19、態(tài)。 4、串調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，常用于恒轉(zhuǎn)矩負載，對于恒功率負載和風(fēng)機性常不采用。 5、并勵直流電動機額定運行時，觀察轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩。 6、在額定負載時，并勵直流電動機四級串阻起動調(diào)速，觀察轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律。 7、在恒功率負載時，并勵直流電動機四級串阻起動調(diào)速，觀察轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律。 8、在風(fēng)機性負載時，并勵直流電動機四級串阻起動調(diào)速，觀察轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律。 2.3 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖或流程圖 直流電動機綜合仿真

20、設(shè)計 并勵直流電動機額定運行 并勵直流電動機額定運行時四級串阻起動調(diào)速 并勵直流電動機恒功率負載運行時四級串阻起動調(diào)速 并勵直流電動機風(fēng)機性負載運行時四級串阻起 2.4各模塊功能簡介 （1）、在新建的simulink仿真窗口中，拖入直流電機、直流電壓源、常數(shù)、增益、分解、示波器等模塊，然后按照下圖進行連接，建立仿真模型如圖1所示。 圖1 （2）、串阻調(diào)速SIMULINK仿真模型如圖2所示 圖2 （3）、觀察對恒功率負載和風(fēng)機性負

21、載采用串阻調(diào)速時的轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩，恒功率負載SIMULINK模型如圖3所示，風(fēng)機性負載SIMULINK模型如圖4所示： 圖3 圖4 （4）、各器件功能簡介 DC Voltage Source 提供一個直流電壓源 Series RLC Branch 串聯(lián)RLC支路 Constant 常量模塊 Demux 分離器 DC Machine 直流電機 Gain 放大增益 Powergui 電力分析模塊 Scope 示波器 Step 輸出階躍信號 DC Voltage Source：直流電壓源在電力系統(tǒng)中可

22、以用來實現(xiàn)實現(xiàn)一個滯留的電壓源，如操作電源等。MATLAB軟件提供的直流電源為理想的直流電壓源。 雙擊Series RLC Branch（串聯(lián)RLC分支）元件，將得出對話框，在對話框中適當(dāng)?shù)剌斎腚娮琛㈦娙莺碗姼械膮?shù)即可。填寫參數(shù)時應(yīng)該注意其單位。 遺憾的是這里不包含單個的電阻、電容和電感元件，可以從串、并聯(lián)的分支來定義單獨的電路。具體情況見下表。 元件 串聯(lián)RLC分支 并聯(lián)RLC分支 類型 電阻數(shù)值 電感數(shù)值 電容數(shù)值 電阻數(shù)值 電感數(shù)值 電容數(shù)值 單個電阻 R 0 inf R inf 0 單個電感 0 L inf in

23、f L 0 單個電容 0 0 C inf inf C Demux 多路分配器模塊提取輸入信號的部件和組件作為單獨的信號輸出。責(zé)令從上到下輸出端口的輸出信號。各種塊方向的端口順序的描述，請參閱See How to Rotate a Block。為了避免加入雜亂模型，當(dāng)您復(fù)制從Simulink庫模型，Simulink中隱藏Demux塊的名稱。有關(guān)創(chuàng)建和分解矢量的信息，請參閱Mux Signals。 Number of outputs 參數(shù)允許你指定的數(shù)量，選擇性地，每個輸出端口的維數(shù)。如果你不指 定輸出的維數(shù)，模塊判斷為您的輸出的維數(shù)。 多路分配器模塊操

24、作，無論是矢量模式或總線選擇的模式，取決于你是否選擇了Bus selection mode參數(shù)。這兩種模式他們接受的信號類型不同。矢量模式接受只是一個矢量信號，那就是一個標(biāo)量（一個元素的數(shù)組），或載體（1-D數(shù)組），或一列或行向量（2-D數(shù)組一行或一列）?？偩€選擇模式只接受一個總線信號。Number of outputs 參數(shù)決定了模塊輸出的數(shù)量和維，這取決于在該模塊的工作模式。 DC Machine：六個端口分別為： F+，F(xiàn)-：這兩個端口是接電機的勵磁電源的，分別接正負極 A+，A-：這個就是通常意義上的電源了，同樣是正負極 TL：負載輸入端，給電機加負載就往這兒加 m：

25、測量端口，這里輸出了電機的各項參數(shù)，如電流，轉(zhuǎn)速等 示波器可以接受多個輸入信號，每個端口的輸入信號都將在一個坐標(biāo)軸中顯示出來，并以不同的顏色加以區(qū)分。若為離散信號，則顯示信號的階梯圖。 示波器工具欄介紹：依次為Print 打印Scope Parameters 示波器參數(shù)Zoom in x and y directions 區(qū)域放大Zoom in x directionx z軸放大 Zoom in y direction y軸放大autoscale自動尺寸（復(fù)原）save axes settings保存軸的設(shè)定 restore axes settings 恢復(fù)軸的設(shè)定floating

26、scope 浮動示波器Unlock axis selection解鎖Signal Selection信號選擇 坐標(biāo)軸的范圍調(diào)整：在坐標(biāo)框內(nèi)單擊鼠標(biāo)右鍵－Axes properties 示波器參數(shù)設(shè)置 點擊“示波器參數(shù)”按鍵，彈出示波器參數(shù)對話框，該對話框包含兩個標(biāo)簽頁，分別是“常規(guī)(General)”和“數(shù)據(jù)(Data history)”標(biāo)簽頁， 常規(guī)“General”標(biāo)簽頁 坐標(biāo)個數(shù)Number of axes文本框：用于設(shè)定示波器軸的個數(shù)，即示波器的輸入信號端口的個數(shù)，默認(rèn)值為1， 即該示波器用以觀察一路信號。若將其設(shè)為2，則可以同時 觀察兩路信號，示波器的圖標(biāo)也自動變?yōu)閮蓚€

27、輸入端口。 依此類推，一個示波器可設(shè)置為同時觀察多路信號。即示波器可以實現(xiàn)多個輸入信號的顯示 Time range：用于設(shè)定X軸（時間軸）的顯示范圍用于設(shè)定示波器時間 軸的最大值，一般可選“自動”(auto)，這樣x軸可以自動以系統(tǒng)的仿真起始和終止時間作為示波器的時間顯示范圍。 “采樣”(Sampling）下拉列表：用于選擇數(shù)據(jù)取樣方式， 包括“抽取”(decimation)和“采樣時間”(sample time)兩種方式。 “抽取”方式表示當(dāng)采樣下拉框右側(cè)文本框輸入數(shù)據(jù)N時，從 每N個輸入數(shù)據(jù)中抽取一個用來顯示?？梢?，設(shè)定的數(shù)字N 越大，顯示的波形就越粗糙，但數(shù)據(jù)存儲的空間可以減少，

28、 一般該文本框保持默認(rèn)值1，表示所有輸入數(shù)據(jù)均顯示。若 采用“采樣時間”方式，則需要在采樣下拉框右側(cè)文本框中輸 入采樣的時間間隔，并按采樣間隔提取數(shù)據(jù)顯示。 decimation－可設(shè)置顯示頻度，若設(shè)為n，則每隔n-1個數(shù)據(jù)點都給予顯示 sample time－若為0，顯示連續(xù)信號，-1顯示方式取決于輸入信號，任何大于0的數(shù)據(jù)表示顯示離散信號的時間間隔 Floating scope：游離示波器 “Data history”標(biāo)簽頁 “僅顯示最新的數(shù)據(jù)”(Limit data points to last)復(fù)選框： 用于數(shù)據(jù)點數(shù)設(shè)置。選中后，其后的文本框被激活，默認(rèn)值 為5000，表示示

29、波器顯示5000個數(shù)據(jù)，若超過5000個數(shù)據(jù)， 也僅顯示最后的5000個數(shù)據(jù)。若不選該項，所有數(shù)據(jù)都顯 示，但對計算機內(nèi)存要求較高。 “保存數(shù)據(jù)至工作間”(Save data to workspace)復(fù)選框：數(shù)據(jù)在顯示的同時被保存到MATLAB工作空間中。 若選中該項，將激活該復(fù)選框下的另兩個參數(shù)設(shè)置項： “變量名”文本框用于設(shè)置保存數(shù)據(jù)的名稱，以便在 MATLAB工作空間中識別和調(diào)用該數(shù)據(jù)；“格式” 文本框用于設(shè)置數(shù)據(jù)的保存格式。 數(shù)據(jù)的保存格式有三種：“數(shù)組”(Array)格式， 用于只有一個輸入變量的數(shù)據(jù)保存格式；“帶時間變量 的結(jié)構(gòu)”(Structure with time)格

30、式，用于同時保存波形數(shù)據(jù)和時間；“結(jié)構(gòu)”(Structure)格式，用于僅保存波形數(shù)據(jù)。 圖形縮放 工具欄提供了四個工具按鍵用以圖形縮放操作。 (1) 區(qū)域放大按鍵：首先在工具欄中點擊區(qū)域放大按鍵 然后在窗口中需要放大的區(qū)域上按住鼠標(biāo)左鍵并拖曳一個 矩形框，用矩形框框住需要放大的圖形區(qū)域，松開鼠標(biāo)左 鍵，該區(qū)域被放大顯示。(2) x軸放大按鍵：首先在工具欄中點擊x軸放大按鍵， 然后在窗口中需要放大的區(qū)域按住鼠標(biāo)左鍵，并沿x軸 方向拖拉即可。(3) y軸放大按鍵：首先在工具欄中點擊y軸放大按鍵， 然后在窗口中需要放大的區(qū)域上按住鼠標(biāo)左鍵，并沿y 軸方向拖拉即可。(4) 自動尺寸按鍵：使用

31、放大按鍵后復(fù)原。 坐標(biāo)軸范圍 示波器的x軸和y軸的最大取值范圍一般是自動設(shè)定的，利用圖形縮放中的放大鏡功能可以在x軸和y軸的范圍內(nèi) 選取其中一部分顯示。當(dāng)需要進一步放大y軸的范圍或更 精確地標(biāo)定y軸的坐標(biāo)范圍時，可以利用軸參數(shù)設(shè)置頁進 行設(shè)置。 在示波器窗口的圖形區(qū)域內(nèi)單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷 菜單中選擇“Axes parameters”選項，出現(xiàn)一個名為“scope properties:axis1”的軸屬性對話框，如圖下所示。其中的 Y-min與Y-max用來設(shè)置縱軸顯示數(shù)值范圍；Title項用來 給顯示信號命名。 Step：下面4行為參數(shù)設(shè)置行，分別為Step time

32、 階躍信號開始時間Initial value初始賦值大小 Final time 終止幅值大小Sample time采樣間隔時間。 3 軟件調(diào)試分析 3.1并勵直流電動機額定運行: 1.參數(shù)設(shè)置 電機參數(shù)及基本計算： 并勵直流電動機，PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.087Ω，電樞回路電感La=0.0032H，勵磁回路總電阻Rf=181.5Ω，磁場和電樞繞組互感Laf=0.56H，電動機轉(zhuǎn)動慣量J=0.76kgm2。 勵磁電流為If=Uf/Rf=220/181.5Ω,勵磁電感為Lf=0 電樞回路電壓平衡方程：U

33、N=EaN+RaIaN 額定電樞電動勢：EaN=CeΦNnN 額定電磁轉(zhuǎn)矩：TN=9.55CeΦNIaN，TN=60.1Nm 模型中DC Machine的參數(shù)設(shè)置如下圖所示 模型中Gain的參數(shù)設(shè)置如下圖所示 模型中DC Voltage Source的參數(shù)設(shè)置如下圖所示 2.實驗步驟 1.連接好仿真模型并設(shè)置好各模塊的參數(shù)，以及仿真時間； 2.點擊仿真開始按鈕，觀察仿真波形，調(diào)節(jié)時間獲取最好的波形； 3.仿真波形 4.圖形分析 1.起動一段時后轉(zhuǎn)速由0 rad/min達到額定3000 rad/m

34、in。 2.起動電流很大，隨著電動機的起動迅速降低，直至達到額定電流。 3.勵磁電流If為恒定值，If=Uf/Rf=220/181.5Ω。 3.轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比關(guān)系。 3.由仿真結(jié)果可看出直流電機直接起動時電流過大，必須采取措施降低起動電流,以保護電機及其相關(guān)設(shè)備。 3.2并勵直流電機串電阻調(diào)速 1.基本原理 電樞電路中串入可變電阻ra后，電樞電流經(jīng)ra后有電壓降，使電機電樞繞組的實際電壓降低，因而也可以達到降低轉(zhuǎn)速的目的從機械特性上看，電機端電壓和每極磁通不變，想空載轉(zhuǎn)速也不變，而電樞回路的電阻（ra+Ra），ra增加，則機械特性的斜率增加。若所帶負載是恒轉(zhuǎn)矩負載，電樞回路

35、中所串電阻越大，電機轉(zhuǎn)速越低。 2.串入電阻理論值計算 并勵直流電機的轉(zhuǎn)速公式： n= 繞組感應(yīng)電勢 Ea=U-Ia*Ra 電樞電流 勵磁電流 3.分析計算 額定運行時，轉(zhuǎn)速n=3000r/min 勵磁電流=220/181.5=1.212A 電樞電流=88.9+1.212=90.112A 繞組感應(yīng)電勢Ea=U-Ia*Ra=212.2V =0.0707 （1）要求n將至2500r/min時，帶入轉(zhuǎn)速公式n= (忽略電刷接觸電

36、壓降)。 Ra+ra=U-n1*Ce ==0.48Ω ra1=0.48-0.087=0.392Ω （2）要求n將至2000r/min時，帶入轉(zhuǎn)速公式，計算得Ra+ra2= U-n2*Ce =0.872Ω ra2=0.872-0.48=0.393Ω （3）要求n將至1500r/min時，帶入轉(zhuǎn)速公式，計算得Ra+ra3= U-n3*Ce =1.265Ω ra3=1.265-0872=0.393Ω （4）要求n將至1000r/min時帶入轉(zhuǎn)速公式，計算得Ra+ra4= U-n4*Ce =1.657Ω Ω 4.實驗結(jié)果 轉(zhuǎn)速波形

37、 電樞電流 勵磁電流 電磁轉(zhuǎn)矩 調(diào)速電阻 ra1 ra2 ra3 ra4 電阻值（Ω） 0.4 0.4 0.42 0.42 5.結(jié)果分析 （1）調(diào)速后穩(wěn)定運行時電樞電流保持不變 并勵電機的轉(zhuǎn)矩特性：端電壓保持不變時，Rf不變，勵磁電流If也就不變，當(dāng)負載電流很小時，電樞反應(yīng)去磁作用也很小，可認(rèn)為=常數(shù)，根據(jù)T=，故電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，T=是通過坐標(biāo)原點的直線，當(dāng)負載電流比較大時（本實驗電樞電流Ia=90.122A），由于電樞反應(yīng)的去磁作用增大（近似可看成與負載電流成正比）

38、，是每極磁通減少，這是電磁轉(zhuǎn)矩略有減小，這時電磁轉(zhuǎn)矩略有減小，如圖中實線所示。 機械特性 轉(zhuǎn)矩特性 串電阻調(diào)速時，因為負載為恒轉(zhuǎn)矩負載，電樞回路串電阻降低轉(zhuǎn)速后，電機電磁轉(zhuǎn)矩T=亦不變，流入電機的電流、電壓和輸入功率保持不變，則輸出功率隨之按正比例降低。 6.串電阻調(diào)速法優(yōu)缺點 （1） 由于電阻智能分段調(diào)節(jié)，因此調(diào)速的平滑性比較差。 （2） 低速時，調(diào)速電阻上有較大電流，損耗大，電機效率低。 （3） 輕載時調(diào)速范圍比較小。 （4） 串入電阻阻值越大，機械特性越軟，穩(wěn)定越差。 3.4、風(fēng)機性負載軟件

39、調(diào)試分析 1.仿真結(jié)果圖： 轉(zhuǎn)速波形： 電樞電流： 勵磁電流： 電磁轉(zhuǎn)矩： 10r1 20rl 30rl 40rl 0.6 1.6 5.5 16 K=0.0023 T=K/W 2.圖形分析： 1、 調(diào)速前，系統(tǒng)工作在固有特性和負載特性的交點上。串入電阻的瞬間，因機械慣性，轉(zhuǎn)速來不及改變，故轉(zhuǎn)速緩慢下降。 2、 電樞電路中串入可變電阻ra后，電樞電流經(jīng)ra后有電壓降，使電機電樞繞組的實際電壓降低，因而也可以達到降低轉(zhuǎn)速的目的從機械特性上看，電機端電壓和每極磁通不變，想空載轉(zhuǎn)速也不變，而電樞回路的電阻（r

40、a+Ra），ra增加，則機械特性的斜率增加。 3、 如果端電壓不變，If也不變，當(dāng)負載電流很小時，電樞反應(yīng)去磁作用也很小，電磁轉(zhuǎn)矩T和電樞電流Ia成正比，當(dāng)負載電流較大時，由于電樞反應(yīng)的去磁作用增大，使每極磁通減少，這時電磁轉(zhuǎn)矩略有減少。 3.4.2恒功率負載軟件調(diào)試分析 1.仿真結(jié)果： 轉(zhuǎn)速波形： 電樞電流： 勵磁電流： 電磁轉(zhuǎn)矩： R1 R2 R3 R4 0.28 0.18 0.0501 0.002688 K=0.000001 2.圖形分析： 恒功率負載是指負載轉(zhuǎn)矩TL的

41、大小與轉(zhuǎn)速n成反比，而其功率基本維持不變的負載。?負載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時，受機械強度的限制，TL?不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。所以轉(zhuǎn)速無法調(diào)到1000r/s. 4 結(jié)語 4.1 結(jié)論與討論 本文主要利用MATLAB對直流電動機調(diào)速進行仿真設(shè)計。本文主要研究了對直流電動機四級串阻起動調(diào)速基本方法，主要內(nèi)容有對額定負載，恒負載，風(fēng)機性負載運行時直流電動機四級串阻起動調(diào)速的基本原理，在此基礎(chǔ)上重點研究了直流電動機調(diào)速控制。? ? 最后，通過計算機仿真

42、軟件MATLAB對系統(tǒng)進行了仿真，通過對波形的分析驗證設(shè)計方案的可行性以及分析了直流電動機調(diào)速的特點 通過本次設(shè)計，加強了我對知識的掌握，使我對設(shè)計過程有了全面地了解。通過學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用仿真軟件進行仿真，我查閱了大量相關(guān)資料，學(xué)會了許多知識，培養(yǎng)了我獨立解決問題的能力。同時在對電路設(shè)計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，使自己受益匪淺。? 總之，通過本次設(shè)計不僅進一步強化了專業(yè)知識，還掌握了設(shè)計系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。 參考文獻 參考文獻 　　[1]?胡虔生，胡敏強.電機學(xué)（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2009 　　[2]?孫

43、亮。MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真[M].北京：工業(yè)大學(xué)出版社，200 [3]?曹陳志.電機拖動與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004 　　 [4]潘曉晨，郝世勇.MATLAB點擊仿真精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007 致謝 首先我要向張建華老師表示由衷的感謝，感謝老師在百忙之余抽出時間進行耐心細致的指導(dǎo)。張老師嚴(yán)謹(jǐn)細致，一絲不茍的作風(fēng)深深的感染了我。在設(shè)計過程中也同樣得到了其他同學(xué)的熱心幫助，在此向他們表示感謝。由于時間的倉促以及本人能力有限，因此在設(shè)計過程中難免會出現(xiàn)很多錯誤，對于這些不足與缺陷希望大家理解，并多加批評指正，在此一并表示感謝！