1、本讲主要内容第五章 直流电机控制技术5.1 直流电机调速概述5.2 闭环调速系统与调速控制器 5.1 直流电机调速概述早期的调速系统（20世纪80年代之前），90%以上都是直流调速。随着微电子技术、信息技术、电力电子技术和控制理论的快速发展，交流电机调速日趋成熟，使得直流电机的使用变得日渐稀少。究其原因是直流电机的制造成本高和使用维护困难。但是，无刷直流电机的出现又使得其安全性大大提升，维护成本降低，故直流电机并没有退出历史舞台，依然是执行器中的主力军之一，我们很有必要对其进行认真的研究。5.1.1 直流电机调速的发展历程 1变流机组时代 图5-1所示的是早期直流电机的调速方案，称为直流变流机
2、组。系统主要由5大部件组成：原动机、直流发电机、直流电动机、励磁电源和生产机械。其基本工作原理是：一台三相交流电动机拖动一台直流发电机，直流发电机发出直流电，作为直流电动机的供电电源，然后直流电动机拖动生产机械。通过对励磁电路和放大装置的控制，就能改变直流发电机的输出电压，从而达到控制直流电动机转速的目的。5-1 2相控整流时代 20世纪50年代末期，随着电力电子技术的早期代表晶闸管（SCR）的出现，直流电机调压调速技术进入到一个新的时期。图5-2所示的是相控整流电路图。相控整流由5大部件组成：相控整流器、电抗器、直流电机、直流励磁控制电路和相控整流器触发电路。工作原理是：相控整流触发电路根据
3、设定对相控整流器进行控制，输出电压可调的直流电，经电抗器后供给直流电机。当需要改变直流电机转速时，只要改变触发电路的触发角，就可实现调速的目的。但是由于晶闸管属于半控型器件，其最大问题就是会对电网造成纹波干扰。因此，这项技术在20世纪80年代后期就逐渐被淘汰了。5-2 3PWM变频技术时代 随着电力电子技术的快速发展，自关断器件（MOSFET、IBGB、GTR、GTO）的开关频率大大提高。与相控整流器相比，PWM变换器直流调速系统具有较高的动态性能和较宽的调速范围，其综合性能明显优于相控方式，主要优点有：(1)主电路结构简单，所需功率器件少；(2)电枢电流连续性好，谐波少，电机的损耗和发热小；
4、(3)低速性能得到改善，稳速精度提高，因而调速范围增大；(4)系统的频带宽，快速性能好，动态抗干扰能力增强；(5)主电路元件工作在开关状态，导通损耗小；(6)直流电源采用三相可控整流，电网的功率因数提高。图5-3所示的就是一个典型的PWM电路。5-35.1.2 直流电机的调速方法(5-1)1改变电枢回路电阻调速法(5-2)改变电枢回路电阻调速法的特点是：(1)保持直流电机外加电枢电压与励磁磁通为额定值；(2)直流电机的理想空载转速不变；(3)转速降落n将随Radd的增加而增大；(4)外加电阻的阻值越大，机械特性的斜率就越大。图5-4所示的是改变电枢回路电阻调速的机械特性。图4-4 改变电枢回路
5、电阻调速的机械特性 5-42减弱磁通调速法 由式(5-1)可知，改变电机的磁通，电机转速也将随之改变，理想空载转速n0将随的减小而增大，其计算公式为:式中，为励磁磁通，单位为Wb；Km为由电机结构决定的转矩常数；Te为电动机的电磁转矩，单位为Nm。e02eemURnTnnKK K 减弱磁通调速法的特点是：(1)保持电枢电压为额定值；(2)电枢回路不加入附加电阻；(3)减小直流电动机的励磁电流，以减弱磁通；(4)电机带负载时的速降与成反比。图5-5所示的是减弱磁通调速的机械特性。图4-5 减弱磁通调速的机械特性 5-53调节电枢电压调速法调节电枢电压调速法 由式(5-1)可知，改变电机电枢的外加
6、电压U，可以改变电机转速n，从而实现直流电机的调速。利用式(5-4)，可以求出调节电压后的电机转速。dd0eeeUI RURnInnKKK 图4-6 调节电枢电压调速的机械特性5-6 调节电枢电压调速的特点是：(1)保持直流电机的磁通为额定值；(2)电枢回路不串入外加电阻；图5-6 调节电枢电压调速的机械特性(3)理想空载转速将随U的减小而成比例地降低；(4)转速降n与U的大小无关。从图5-6中可以看出其机械特性很好。4三种调速方法的比较三种调速方法的比较 1)调速稳定性(1)改变电枢回路电阻调速法只能对电机转速进行有级的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。(2)减弱磁通调速法能够实现平滑调
7、速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。2)机械特性对比(1)调节电枢电压调速法所得到的人为机械特性与电机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。(2)直流调速系统往往以调节电枢电压调速法为主，只有当转速达到基速以上时才辅以减弱磁通调速法。随着微电子技术的快速发展，基础元件成本大幅降低，使得采用电机控制器不再是经济问题，而是必要性问题。1.3 直流电机PWM基本电路 根据电机的运行功能状态，有不可逆运行和可逆运行之分。PWM调节器也有相对应的不可逆变换器和可逆变换器。1不可逆不可逆PWM变换器变换器 图5-7所示的是简单的不可逆PWM变换器的主电路原
8、理图。该电路采用全控式电子晶体管，开关频率可达20 kHz甚至更高，电源电压Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容器C滤波，二极管VD在晶体管VT关断时释放电感储能为电枢回路续流。下面分析其运行特点。图4-7 简单的不可逆PWM变换器的主电路Us直流电源电压；C滤波电容器；VT功率开关器件；VD续流二极管；M直流电机5-75-81)电压和电流波形 (1)在一个开关周期T内。(2)当0 t ton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电机电枢两端。(3)当ton t Ud，id始终为负。图5-9所示的电路是不可逆的，其原因如下：(1)平均电压Ud始终大于零；(2)电流能够反向
9、，而电压和转速不可反向。图5-11 机械特性 电枢两端的平均电压为正，电流为负，表明功率由电机流向电源，即电机运行在正向发电制动状态。需要强调的是，如果采用二极管整流，当电流反向时，不能回馈到电网，只能向滤波电容器C充电，从而造成电容器瞬间高压，称为泵升电压。如果回馈能量过大，泵升电压很高，则会对电力电子器件造成损害。图5-11 机械特性3H型可逆PWM变换器 H型可逆PWM变换电路是可逆PWM变换器主电路中最为普遍的一种电路拓扑结构。电路由四个电力电子开关管（如CMOS晶体管、IGBT）、四个整流二极管和一个直流电机构成。其中，电机电枢两端标记符号为A、B两点，用来表示电枢两端电压的极性。H
10、型可逆PWM变换电路可以实现电机四个象限运行。下面结合图5-12和图5-13对可逆调速进行说明。5-12 实际运行中可以分为三种情况：ton T/2。图5-13所示的是电枢两端UAB的波形。5-13 1)正向运行状态 当正向运行时，UAB的特点是正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度，如图5-13(a)所示（注意，负载电流不是轻载）。2)反向运行状态 当正向运行时，UAB的特点是正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度，如图5-13(b)所示（注意，负载电流不是轻载）。3)停止状态 当停止状态时，UAB的特点是正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度。(5-7)(5-8)(5-9)(5-10)四个开关器件在工作中都
11、处于开关状态，在切换时容易发生上、下桥臂直通的事故，因此在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。5.1.4 直流H型可逆PWM变换器-电机系统的能量回馈 如图5-14所示，直流H型可逆PWM变换器-电机系统由一个三相整流桥组件、一个蓄能平波电容器、一套H型可逆PWM变换电路组件和一台直流电机组成。直流电机采用他励式供电方式，其电路功能如下。(1)由6个二极管组成的整流器把电网提供的交流电整流成直流电。(2)直流电源采用大电容滤波。(3)PWM组件对电机电枢电压进行控制。5-14图5-14所示的电路存在如下问题。1电能回馈问题电能回馈问题(1)当电机工作在回馈制动状态时，将动能转变为电能并回
12、馈到直流侧。(2)由于二极管整流器的能量单向传递性，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容器充电。(3)由此产生了电能回馈问题。2泵升电压泵升电压 (1)对滤波电容器充电的结果会造成直流侧电压升高，称为“泵升电压”。(2)系统在制动时释放的动能将表现为电容器储能的增高，所以要适当地选择电容器的电容量或采取其他措施，以保护电力电子功率开关器件不被泵升电压击穿。储能的增量约等于电机系统在制动时释放的全部动能。5.1.5 直流PWM调速系统的数学模型及机械特性 1PWM控制与控制与PWM变换器的结构图变换器的结构图 图5-15所示的是PWM控制器与PWM变换器的结构图，输入是Udc，控制
13、是Ug，输出是Ud。图 5-152PWM控制器与PWM变换器的动态数学模型(5-11)3PWM调速系统数学模型的近似(5-12)4PWM调速的机械特性方程(5-13)(5-14)5.1.6 调速系统性能指标 1稳态性能指标稳态性能指标 在调速系统的稳态性能中，主要有两个要求：(1)调速 要求系统能够在指定的转速范围内可靠运行。(2)稳速 要求系统调速的重复性和精确度好，不允许有过大的转速波动。2调速范围调速范围(1)生产机械要求电机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D表示。(5-15)3静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电机转速的变化率
14、，称为静差率s。(5-16)(5-17)4机械特性与静差率机械特性与静差率 (1)调速系统在不同电压下的理想空载转速不一样。(2)理想空载转速越低，静差率越大。(3)同样硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大。(4)调速系统的静差率指标应以最低速时达到的数值为准。5D与s的相互约束关系 (5-18)5.1.7 开环调速系统的机械特性及性能指标 (5-19)(5-20)(5-21)5-165-175-15-25.2 闭环调速系统与调速控制器 为了解决直流调速控制器的调速范围、静差率等各种指标之间的矛盾，满足较高的调速指标要求，应采用闭环调速系统。5.2.1 闭环调速系统 按
15、照调节器的个数和功能，闭环调速系统可以分为单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统。1)单闭环调速系统 单闭环调速系统有速度、位置、电压、电流、电压变化率和电流变化率等类型，本书中除了特别说明，单闭环调速系统通常指的是速度调节器为主的系统。2)双闭环调速系统 双闭环调速系统通常有：位置、电流环双闭环调速系统；速度、电流环双闭环调速系统；电压、电流环双闭环调速系统；电压、电流变化率环双闭环调速系统。通常，若无特殊指明，双闭环调速系统指的是速度、电流环双闭环调速系统。3)三闭环调速系统 常见的三闭环调速系统有：位置、电压、电流环三闭环调速系统；速度、电压、电流环三闭环调速系统；速度、电流、电
16、流变化率环三闭环调速系统。若无特别指明，三闭环调速系统指的是速度、电压、电流环三闭环调速系统。1单闭环调速系统单闭环调速系统 1)单闭环调速系统的工作原理 图5-19所示的是一个典型的单闭环调速系统框图。系统由调节器、被控对象和检测装置等组成。其工作原理为：输入量和反馈量相减，得到的差值作为调节器的输入，调节器根据其自身的算法对差值进行解算，变换成控制信号，对被控制对象进行控制，检测装置对输出量进行跟踪测量，输出反馈量送给减法器。这样，就构成了一个单闭环调速系统。2)转速负反馈单闭环调速系统的组成及工作原理 图5-20所示的是一个典型的转速负反馈单闭环调速系统的原理图。其中，电压为速度设定部分
17、，电压Un为转速检测单元TG的分压输出部分，Un为差值部分，A为速度调节器，Uct为输出控制信号，GT为触发电路单元，Z为可控整流单元，L为电抗器，M为直流电机。图 5-18图 5-185-195-20 其工作原理是：速度设定是一个可变电位器，改变电位器的工作点就能改变其输出电压，由一个输入设定电位器设定速度值，送到调节器A，调节器按照其控制算法进行解算，输出控制信号Uct给触发电路单元GT，由GT控制可控整流单元Z，输出Ud经电抗器L给直流电机M，电机M带动机械负载工作，同时转速检测单元TG把实际速度反馈给调节器A，调节器本身采用减法器模式，这样得到的就是一个差值，然后这个差值就对后续的结果
18、产生作用。电机启动初期，差值最大；达到稳态时，差值就变到最小；当要改变转速时，只需改变电位器即可。分析转速负反馈单闭环系统的运行可以从以下四个方面入手：(1)启动运行过程；(2)稳定运行状态过程；(3)负载扰动的调节过程；(4)静特性。3)转速负反馈单闭环调速系统的静特性 通过分析转速负反馈单闭环调速系统的各个要素环节，求出每个环节的静态特征方程，建立转速负反馈单闭环调速系统框图，求出转速负反馈单闭环调速系统的稳态传递函数，静态特性分析就是根据奈氏稳态判据对稳态传递函数进行分析，然后判断系统是否稳定。(1)转速负反馈单闭环调速系统中各环节的稳态关系 分析的前提假设：忽略各种非线性因素；开环机械
19、特性全是连续的；忽略信号源的等效内阻；电机的磁场不变。电压比较环节：(5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)(5-27)(5-28)(2)静态结构图和静特性方程 图5-21图5-21图图5-22图图5-225-235-235-225-234)反馈控制系统 如果调速系统是一个由比例放大器构成的反馈控制系统，那么系统的被控制量就不会达到理想设定值，一定会有稳态误差。只有当K=时，才能使 ncl=0，而K=是不可能的，并且过大的K值也会导致系统的不稳定。反馈控制系统的作用是抵抗扰动，服从给定。这句话的含义是：一方面要能有效地抑制一切被包含在负反馈环内前向通道上的扰动；另一方面要能
20、紧紧地跟随着给定，对给定信号的任何变化都要唯命是从。5-295-24 图5-24所示的是给定与扰动关系图。其中，Un为给定，系统对要完全响应。单闭环系统的扰动有：Kp变化、电源波动变化、电枢电阻变化和励磁变化等。单闭环调速系统的反馈作用就是要对上述的扰动给予抵抗，尽可能消除扰动的影响。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给定信号的正常调节，还是外界的电压波动。反馈通道上有一个测速反馈单元，其输入输出数学模型是比例系数，它同样存在着因扰动而发生的波动。由于它不是在反馈环包围的前向通道上，因此也不能被抑制。5)速度单闭环的限流保护(1)限制电枢电流的必要性 限制电枢电流是因
21、为下述情况会引起电枢电流剧烈的变化：启动时的冲击电流直流电机全电压启动时，会产生很大的冲击电流；堵转电流电机堵转时，电流将远远超过允许值。(2)限流电路的形式 图5-25所示的是两款限流电路。图5-25(a)是利用外加独立直流电源产生比较电压；图5-25(b)是利用稳压二极管产生比较电压。Rs为采样电阻，令电流负反馈在电机启动和堵转时起作用，维持电流基本不变；当电机在正常运行时，取消此电流负反馈，不影响系统的调速性能。5-25(3)限流电路输入输出特性 图图5-265-305-31(5-30)(5-31)(4)下垂段静特性 如图5-27所示，第一段限流负反馈相当于在主电路中串联一个大电阻，因而
22、稳态速降极大，被称为系统静特性的下垂段。比较电压和给定电压同时起作用，使得理想空载转速达到n0。(5-32)5-265-27(5-33)(5-34)(5)参数选择原则 应小于电机允许的最大电流，一般可取。截止电流可略大于电机的额定电流。6)转速负反馈单闭环调速系统的动态分析 动态分析需要考虑以下问题：稳定性问题；突加给定时系统的响应（跟踪问题）；负载变化造成的转速变化（抗扰问题）；突加给定时冲击电流过大（保护问题）。(1)转速负反馈单闭环调速系统的动态数学模型(5-35)(5-36)(5-37)(5-38)图 5-28图 5-28(5-39)(5-40)(5-41)(5-42)(5-43)(5
23、-44)(5-45)转速负反馈单闭环调速系统的动态结构图和传递函数(5-46)图 5-29(2)转速负反馈单闭环调速系统的稳定性和动态校正(5-47)(5-48)2速度、电流双闭环调速系统 速度、电流双闭环调速系统具有如下特点：系统的被调节量是转速，所检测的误差是转速，要消除的也是扰动对转速的影响；速度单闭环调速系统不能控制电流（或转矩）的动态过程。一般来说，调速系统中有两类情况对电流的控制提出了要求：一是启制动的时间控制问题；二是负载扰动的电流控制问题。1)采用双闭环的必要性图5-30 理想的直流电机启动过程 对于经常正反转运行的调速系统，应尽量缩短启制动过程的时间，完成时间最优控制。在过渡
24、过程中，始终保持转矩为允许的最大值，使直流电机以最大的加速度加减速。当到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。采用双闭环调速可以实现以下功能。(1)最佳启动过程的要求：缩短启动时间；启动电流为Idm，若启动电流大，则启动转矩就大。由图5-30可以看到，Idm大于额定工作电流IdL。(2)单闭环调速系统存在的问题：启动过程电流不是最大；扰动造成的动态偏差大；所有的反馈都到一个调节器上，参数整定困难。5-302)速度、电流双闭环调速系统的原理 在启制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。一旦到达给定转速，系统自动进入速度控制方式，速度闭环起主导作
25、用，而电流环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值，以保持转速恒定。如图5-31所示，系统由速度设定电路、速度调节器ASR、电流调节器ACR、电力电子控制单元GT、PWM可调电压单元V、电感器L、直流电机M和速度检测单元TG组成。5-31 速度、电流双闭环调速系统工作原理是：速度设定信号和速度检测信号Un的差值作为速度调节器ASR的输入信号，经ASR按照PI控制规律进行解算，其输出信号是；输入信号与电源支路Ui的差值作为电流调节器ACR的输入，经过电流调节器ACR按照PI控制律进行控制，输出信号Uct，Uct是电力电子触发单元GT的控制换算信号，直接控制可调电压单元V输出电压Uod给直流电机M
26、，改变设定，就可以改变转速n。图5-32所示的是速度、电流双闭环调速系统的静态结构图。图 5-32 速度调节器ASR的特点是：ASR为PI调节器，系统无静差；启动时ASR饱和。电流调节器ACR的特点是：ACR为PI调节器，系统无静差；ACR起电流调节作用，保证恒流启动；对电流环内的扰动能及时调节；速度、电流双环调速系统调节器的设计步骤为：先内环、再外环。3)速度、电流双闭环调速系统的静特性(1)静态结构图 假定工况有两种：调节器不饱和；调节器饱和。图5-32所示的是速度、电流双闭环调速系统的静态结构图。从结构图可以看出，速度调节器ASR采用的是PI控制，电流调节器ACR也采用PI控制，电流反馈
27、系数额为，速度反馈系数为。有关传递函数的求解，可参见现代控制理论有关内容。图5-33 双闭环调速系统的静特性(2)静特性方程（稳态）双闭环调速系统所采用的速度、电流调节器均为带限幅的PI调节器。在稳态时，PI调节器的作用使得输入偏差电压U总为零。图 5-33 图5-33所示的是双闭环调速系统的静特性。图中有三个特征点A、B、C，IdN为电机额定电流，Idm为电机堵转电流。AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，Id Idm,n=n0；BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,n Idm，电机仍处于加速过程，从而使转速超过了给定值，这个现象称之为启动过程的转速超调。转速超调造成了Un 0，
28、ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。但是转速仍在上升，直到t=t3，Id=IdL，转速才到达峰值。在t3t4时间内，Id um时，便以限幅值um输出。(2)对输出的增量u(n)进行限制，在程序内设置输出增量的限幅值um。当u(n)um时，便以限幅值um输出。(3)位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅。对于位置式算法，如果不设积分限幅与输出限幅，那么在退出饱和时，积分项可能仍很大，将产生较大的退饱和超调。5)改进的数字PI算法 (1)把P和I分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减小偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。这就是
29、积分分离算法的基本思想。(2)积分分离算法表达式(5-72)5.2.3 工程方法典型系统问题 1使用工程方法的原因和目的使用工程方法的原因和目的 1)采用工程方法的原因 随着电力电子技术的飞速发展，除了电机之外，运动控制系统的部件都是由惯性很小的电力电子器件和运算放大器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统可以用低阶的系统近似，这样就有可能把各种各样的控制系统简化为低阶系统。2)使用工程方法的目的 把典型系统的开环对数幅频特性作为预期特性，弄清楚它们之间的参数和系统性能指标之间的关系，编制成简单易懂的图表和公式，在设计实际的系统时，只要把实际系统的数学模型校正成典型系统的形式，就可以利用现成的
30、公式和图表计算，设计过程大大简化。工程设计方法的基本思路是要使问题简化，突出主要矛盾，在设计调节器时分为以下两个步骤。(1)选择调节器结构，确保系统稳定，满足所需的稳态指标要求。在选择调节器结构时，要使系统变成低阶典型系统。(2)计算调节器的参数，以满足动态性质指标的要求。由于典型系统参数与性能指标的关系都写成了简单的公式和图表，使调节器的参数计算变得很简便。整个设计工作量大大减小，难度也降低。(5-73)(5-73)规定用r的数量定义系统的型。例如，若r=0，则系统就是0型系统；若r=1，则系统就是I型系统；若r=2，则系统就是型系统。2)典型I型系统分析(1)典型I型系统的定义 典型I型系
31、统开环传递函数可表示为 (5-74)式中，T为系统的惯性时间常数；K为系统的开环增益。图5-53所示的是一个典型I型系统。图5-53 典型型系统(2)典型I型系统性能特性 由图5-53(b)可见，幅值等于0的点是c，曲线转折点是1/T。(5-75)(5-76)(5-77)(5-78)(5-79)(5-80)(5-81)(5-82)(5-83)(5-84)(5-85)表5-1表5-1表5-1图5-54图5-54 由图5-54可见，采用PI调节器的情况下，在扰动作用点Ud前后各是一个一阶惯性环节。图5-55(a)所示的是电流环扰动传递函数的一般形式，图5-55(b)所示的是将输入给定为0，只研究扰
32、动影响简化之后的等效传递函数。对于图5-55，我们只讨论如下两点：一是抗扰性能时，令输入变量=0；二是将输出量写成C，很明显扰动的作用就显现出来。图5-55(5-86)(5-87)(5-88)表5-2(5-89)表表5-2表5-2表5-2图5-56(5-90)(5-91)(5-92)(5-93)(5-94)(5-95)(5-96)(5-88)(5-89)(5-81)(5-85)表5-3表表5-3图5-57图5-57(5-97)(5-98)表表5-3表表5-45.2.4 直流电机调速系统控制器的数字仿真 图5-58“Simulink Library Browser”对话框 1直流电机调速系统控制
33、器仿真直流电机调速系统控制器仿真 利用MATLAB中的Simulink软件进行系统仿真是十分简单和直观的。用户可以用图形化的方法直接建立系统的模型，并通过Simulink环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。图5-58所示的是Simulink Library Browser对话框，其主要功能模块有Continuous、Discrete、Functions&Tables、Math、Nonlinear和Signals。图5-58 2仿真模型的建立步骤仿真模型的建立步骤 首先，进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的Simulink图标，或直接输入Simuli
34、nk命令，打开Simulink模块浏览器窗口。1)模型编辑 (1)打开模型编辑窗口 通过单击Simulink工具栏中新模型的图标或选择FileNewModel菜单项来实现。(2)复制相关模块 双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口，如图5-58所示。在图5-59中，拖入模型编辑窗口的为Source组中的Step模块、Math组中的Sum模块、Continuous组中的Transfer Fcn模块、Sinks组中的Scope模块。2)修改模块参数(1)双击模块图案，出现关于该图案的对话框。(2)通过修改对话框内容来设定模块的参数。图5-60所示的是加法器编
35、辑界面。按照图框内的提示操作就能完成加法器的功能，此功能对于调节器设计是必需的。图5-59图5-60图5-615-61图5-62图5-62 5)模块连接 (1)用鼠标单击起点模块输出端，拖动鼠标到终点模块输入端，则在两模块间产生一条“”线。(2)单击模块后，选取FormatRotate Block菜单项，可使模块旋转90；选取FormatFlip Block菜单项可使模块翻转。(3)把鼠标移到期望的分支线的起点处，单击鼠标右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。图5-635-63 下面讲述仿真过程。(1)仿真过程的启动 单击启动仿真工具条的按钮或
36、选择SimulationStart菜单项，便可启动仿真过程。再双击示波器模块就可显示仿真结果。(2)仿真参数的设置 为了对阶跃给定响应的过渡过程有一个清晰的了解，需要对示波器显示格式进行修改，并逐一修改示波器的默认值。其中一种方法是选中Simulink模型窗口的SimulationSimulation Parameters菜单项，打开对话框，对仿真控制参数进行设置。(3)仿真控制参数对话框 主要参数为仿真开始时间和结束时间。图5-64所示的是“Simulink仿真控制参数”对话框。图5-64 请注意，结束时间是可以根据需要随意更改的，标注项的0.05 s仅仅是告诉读者，结束时间是可长可短的，完
37、全是根据需要而定的。(4)调整自动刻度 启动仿真过程。启动Scope工具条中的“自动刻度”按钮。得到清晰的图形。图5-65所示是修改参数后的仿真结果图。从图中曲线可看出，超调量很小。图5-65图5-675-66图5-66图5-67 7)转速环的仿真模型 图5-68所示的是利用Simulink构建的转速环仿真模型，其中速度调节器采用PI控制算法，积分增益由Math组的Gain模块（module）设定、积分环节选择Continuous组的Integrator模块，加上速度调节器选择的是Nonlinear组的Saturation模块以进行饱和输出限幅设定，仿真结果是Signals&Systems组的
38、Mux模块。图5-68(1)增益模块对话框 图5-69所示的是“增益模块”对话框，其作用是设定系统增益Kp值。(2)积分器模块对话框 图5-70所示的是“积分器模块”对话框，其作用是设定积分器的系数。图5-69图5-70(4)饱和非线性模块 双击Saturation模块，把饱和上界和下界参数分别设置为限幅值+10和-10。图5-71图5-71 8)速度环仿真模型的运行 (1)速度环的输入条件是阶跃输入 双击阶跃输入模块确定阶跃值的大小，得到了高速启动时的波形图。图5-72所示的是速度环仿真结果波形图。由图可以清晰地看出阶跃输入情况下的系统响应仿真波形。(2)速度环抗扰过程的仿真 在负载电流的输
39、入端IdL(s)加上负载电流，得到在空载、高速运行过程中受到了额定电流扰动时的波形图。图5-73所示是速度环抗干扰的仿真结果。图5-72 需要说明的是：(1)MATLAB中的Simulink软件具有强大的功能，而且在不断得到发展。随着它版本的更新，各个版本的模块浏览器的表示形式略有不同，但本书所采用的都是基本仿真模块，可以在有关的组中找到，在进一步学习和应用Simulink软件的其他模块后，会为工程设计带来便捷和精确。(2)在工程设计时，首先根据典型一阶系统或典型二阶系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB中的Simulink软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。也可用MATLAB仿真软件包中的设计工具箱来设计其他各种控制规律的调节器，鉴于篇幅不一一展开。图5-73
