直流电机双闭环控制系统的研究

1、摘 要双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用matlab6.5/simulink进行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。对于双闭环直流调速系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统

2、调试困难。本文对双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验，根据给出和计算出的相应参数，建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的matlab/simulink仿真模型，分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。仿真结果证明了该方法的可行性和合理性。关键词：直流电机，双闭环，pid控制，matlab/simulink abstractthe double closed loop direct current velocity modulation system is a complex automatic control system,

3、 is in the present direct current velocity modulation system mainstream equipment, has the velocity modulation scope width, the stability is good, the steady fast precision higher merit, in the theory and the practice aspect all is the quite mature system, in drives in the domain to play the extreme

4、ly vital role.because the direct current machine double closed loop velocity modulation is each kind of electrical machinery velocity modulation system foundation, this article has conducted more systematic research on the direct current machine velocity modulation, from the direct current machine b

5、asic characteristic to the single closed loop velocity modulation system, then conducts the double closed loop direct current machine design method research, finally uses the actual system to carry on the engineering design, and uses matlab6.5/simulink to carry on the simulation, has analyzed in the

6、 double closed loop velocity modulation system engineering design method because neglects the error which creates with the simplification.regarding the double closed loop direct current velocity modulation system, has the massive parameters in the design and the debugging process to need to calculat

7、e and to adjust, the utilization tradition design method work load is big, system debugging difficulty. this article carries on the assistance design to the double closed loop direct current velocity modulation system, chooses the regulator structure, carries on the parameter computation and the app

8、roximate verification, according to produces the corresponding parameter which and calculates, establishes applies the brake, the anti- electrical network voltage perturbation and the anti-load perturbation matlab/simulink simulation model, the analysis rotational speed and the electric current simu

9、lation profile, and carries on the debugging, enable the double closed loop direct current velocity modulation system to tend to the consummation, is reasonable. the simulation result has proven this method feasibility and the rationality.keywords: direct current machine, double closed loop , pid co

10、ntrol, matlab/simulink目 录第1章 绪论11.1 毕业论文选题的背景及研究目标11.2 课题的研究意义11.3 本人的主要工作2第2章 直流电机工作原理及其控制理论简介42.1 电机的分类42.2 直流电机主要结构42.3 直流电机工作原理72.4 直流电机的控制方式10第3章 直流电机双闭环控制系统123.1 直流电机双闭环控制系统的组成123.2 双闭环调速系统静态特性133.3 双闭环系统起动过程分析153.4 双闭环调速系统的动态抗扰动性能173.5 双闭环调速系统中两个调节器的作用18第4章 直流电机双闭环控制系统设计194.1 双闭环直流调速系统总体设计方案1

11、94.2 主电路设计与参数计算204.2.1 主电路结构图20 4.2.2 整流变压器的设计21 4.2.3 晶闸管元件的选择23 4.2.4 电抗器参数计算234.2.5 励磁电路254.2.6 三相桥式全控整流电流25 4.2.7 晶闸管触发电路274.3 直流调速系统的保护304.3.1 过电压保护30 4.3.2 电流保护334.4 控制电路设计344.4.1 电流调节器的设计34 4.4.2 转速调节器的设计37第5章 matlab简介405.1 matlab的安装405.2 matlab的启动运行415.3 matlab的帮助文件415.4 matlab所定义的特殊变量及其意义41

12、5.5 matlab模块简介42第6章 系统建模与仿真436.1 调速系统仿真模型的建立436.2 仿真结果446.3 仿真结果分析46结论48参考文献49致谢50附录151iv第1章 绪 论1.1 毕业论文选题的背景及研究目标直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化1。直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的

13、自动控制系统中1。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电2，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路2等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将simulink用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点3。同时，matla

14、b软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具simulink，它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用simulink提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的matlab6.5/simulink仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于

15、完善、合理。1.2 课题的研究意义直流电动机具有良好的起、制动性能，调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位1。直流电动机在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流电机在家用电器、电子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中也都有广泛的应用。在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机，所以直流电机的控制是一门很实用的技术。近年来

16、，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用2。虽然随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电机仍然被广泛应用。直流调速控制系统中最典型的一种调速系统就是转速、直流调速系统。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观

17、察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。如在设计过程中使用matlab中的simulink使用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。matlab中的动态建模、仿真工具simulink具有模块组态方便，性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教学提供了虚拟的实验平台3。因此研究该课题具有实际意义。1.3 本人的主要工作课题的主要工作：(1) 根据毕业设计任务设计书中的给定条件及要求，确定总体方案：采用转速、电流双闭环直流调速；(2) 直流电机主电路的

18、设计，包括选择合适的晶闸管元件，计算电抗器参数，设计晶闸管保护电路、触发电路, 并且画出双闭环直流调速控制系统的原理框图、动态结构图；(3) 控制电路的设计，包括转速、电流调节器的设计，并算出系统参数和传递函数；(4) 根据计算出的参数及传递函数在matlab建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析；1.4 本章小结针对对系统的动态性能要求较高的的场合，本文研究设计了转速、电流双闭环直流调速系统，该系统设置了两个调节器：转速调节器和电流调节器。分别控制转速和电流，并将两个调节器串级连接，实现了转速、电流在不同的阶段起作用。较好地解决了单闭环系统不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩的种种问

19、题。本文对双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算，根据给出和计算出的相应参数，建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的matlab/simulink仿真模型，分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。仿真结果证明了该方法的可行性。论文的章节安排如下：本文的第一章简要介绍了直流电机双闭环控制系统的研究背景及研究目标，并说明了课题的研究意义。第二章介绍了直流电机的种类和主要结构，然后介绍了其工作原理及其控制方式。第三章介绍了双闭环调速系统的组成及其静态、动态特性，还介绍了两个调节器的作用。第四章介绍了双闭环调速系统总体设计方案，进行了主电路和控

20、制电路的设计与参数计算及调速系统的保护。第五章介绍了matlab6.5软件。第六章建立了双闭环调速的仿真模型，并进行了仿真和仿真结果分析。第2章 直流电机工作原理及其控制理论简介2.1电机的分类按其功能可分为驱动电动机和控制电动机；按电能种类分为直流电动机和交流电动机；从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机；按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机；按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等；按绝缘等级可分为e级、b级、f级、h级等。 直流电机 是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为

21、发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。这是最最普通的电机了，小朋友们玩的的电动玩具全部用的是直流电动机，直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数，也就前面所说的位置控制。必须加上一个编码盘，来进行反馈，才能获得实际转的圈数。2.2直流电机主要结构主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善

22、主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 n，s 极交替出现。 机座 机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。 换向极 换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换

23、向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。 端盖 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。 电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在

24、刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。 电枢铁心 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为dr530或dr510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。 电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是

25、感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。 换向器在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个v形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。 电枢绕组电枢绕组是直流电机的电路

26、部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。磁系统是用以产生磁场的，当电枢的磁通在此磁场内相互作用时，产生作用力矩及反作用力矩，使电枢和磁系统转动，并且二者转动方向相反。磁系统由铁心和激磁绕组组成。磁系统有主磁极和辅助磁极两部分。主磁极的作用是产生磁场，磁极的磁通即由绕在其上的绕组线圈所产生。辅助磁极的功用是产生补充磁通，以改善换向性能。因为当电枢绕组中的线圈电流在换向时，与线圈相联的换向片同电刷之间会产生火花。为了减少火花，改善换向性能，通常在两主

27、极之间均装有一辅助磁极，也可称换向磁极。（1-转子轴承 2滑环 3换向器电刷 4磁系统 5电枢 6磁系统轴承 7外轴8内轴 9磁绕组 10壳体 11换向器 12滑环电刷）图2.1 电动机结构简图电枢也是用来产生磁通的，它由电枢铁心和绕组线圈组成。电枢铁心作为磁的通路及嵌放电枢绕组之用。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗，为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用0.5或0.35mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片迭压而成。电枢绕组是由许多个完全相同的绕组元件按一定的规律联接起来所组成。绕组元件一般就是一个线圈，它的两个线端分别接到换向器的两个换向片上，各元件是在换向片上相互

28、联接起来的。换向器是电动机的整流部分，它是用来向旋转电枢供电和向各段绕组分配电流的。电枢绕组内流过的是交变电流，而外电路是直流电，换向器即是将电源提供的直流电转换为电枢绕组中的交变电流，使电动机工作时始终按一个方向连续旋转。电刷是用以将转动的磁系统和电枢与外线路过程回路系统。鱼雷双转电动机有两组电刷。一组与滑环接触，滑环与磁系统一起转动，而电刷固定不动。另一组电刷装在磁系统上，与随同电枢轴一起转动的换向器接触。图2.2 电动机的线路图图2.2是电动机的线路图，由电源出来的电流所经过的途径是：蓄电池正极正极接线柱滑环电刷后滑环换向器正极电刷电枢绕组换向器的负极电刷磁极绕组前滑环滑环电刷负极接线柱

29、蓄电池负极。当电流流过电枢及励磁绕组时，二者形成相互作用的磁场，导致磁系统和电枢作相对的旋转。而磁系统与外轴联接，电枢与内轴联接，因此电动机形成两个旋转方向相反的输出轴，从而带动机械做运动。2.3直流电动机工作原理图2.3 直流电动机模型如图2.3所示是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极n和s之间，装设一个可以绕z-z轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。a和b是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动

30、接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。当电刷a和b分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷a流入，而从电刷b流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图2.4（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。当电枢转到使线圈的ab边从n极下面进入s极，而cd边从s极下面进入n极时，与线圈a

31、端联接的换向片1跟电刷b接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷a接触，如图2.4（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在n极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。图2.4 换向器在直流电机中的作用图2.4所示的直流电动机，只有一匝线圈，它所受到的电磁力是很小的，而且有较大的脉动。如果由直流电源流入线圈的电流大小不变，磁极磁密在垂直于导体运动方向的空间按正弦规律分布，电枢为匀速转动时，此电机有电流和磁场产生的电磁转矩随时间变化的波形，如图2

32、.5所示。由图可以看出，转矩是变化的，除了平均转矩外，还包含着交变转矩。为了克服这些缺点，实际的电动机都是由很多匝线圈组成，并且按照一定的联接方法分布在整个电枢表面上，通常称为电枢绕组。随着线圈数目的增加，换向片的数目也相应地增多，由许多换向片组合起来的整体叫做换向器。图2.5 平均电磁转矩的产生(a他励，b并励，c串励，d复励)图2.6 直流电动机按励磁分类接线图由上可知，直流电动机工作时，首先需要建立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生。由永久磁铁构成磁场的电动机叫永磁直流电动机。对由励磁绕组来产生磁场的直流电动机，根据励磁绕组和电枢绕组的联接方式的不同，分为他励电动机、

33、并励电动机、串励电动机、复励电动机。他励电动机是电枢与励磁绕组分别用不同的电源供电，如图2.6（a）所示，永磁直流电动机也属于这一类。并励电动机是指由同一电源供电给并联着的电枢和励磁绕组，如图2.6（b）所示。串励电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，串励绕组中通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，如图2.6（c）所示。复励电动机是既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组和串励绕组的磁势可以相加，也可以相减，前者称为积复励，后者称为差复励，如图2.6（d）所示。2.4直流电机的控制方式 直流电机的控制方式有：开环调速系统和闭环调速系统。 它们各具特点。（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。（2

34、）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率小得多。（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。（4）要取得上述三条优越性，闭环系统必须设置放大器。 闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性,从而在保证一定静差率的要求下,能够提高调速范围,为此所需要付出的代价是,须增设检测与反馈装置和电压放大器。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能老老实实地降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高晶闸管装置的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。12.5本章小结本章介绍了直流电机的种类、结构及其工作原理

35、和控制方式。双闭环调速系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带pi调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中载速一定的超调。由于主电路的不可逆性质，简单的双闭环调速系统不能实现快速回馈制动。第3章 直流电机双闭环控制系统3.1直流电机双闭环控制系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接,如图3.1所示。图3.1 转速、电流双闭环调速系统原理框图asr转速环节 acr电流环节 gt触发装置 tg测速发电机 ta电流互感器 /转速给定电压和转

36、速反馈电压 /电流给定电压和电流反馈电压这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用pi调节器，其原理图如图3.2所示。asr转速环节 acr电流环节 tg测速发电机 ta电流互感器 upe电力电子变换器gt触发装置 /转速给定电压和转速反馈电压 /电流给定电压和电流反馈电压在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照触发装置gt的控制电压为正电压的情况

37、标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器asr的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。13.2双闭环调速系统静态特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图3.3所示。 图3.3 双闭环调速系统稳态结构图 图3.4 双闭环调速系统的静特性分析静特性的关键是掌握这样的pi调节器的稳态特征。一般存在两种情况：饱和-输出达到限幅值；不饱和-输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调

38、节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，pi作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 (1) 转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零2。因此 (3.1)和 (3.2)由第一个关系式可得 (3.3)从而得到图3.4静特性的 n0a 段。 与此同时，由于asr不饱和，, 上述第二个关系式可知：。这就是说，n0a 段静特性从（理想空载状态）一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的

39、运行段。 (2) 转速调节器饱和1-2 这时，asr输出达到限幅值, 转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 (3.4)式中，最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系允许的最大加速度。式（3.4）所描述的静特性是图3.2中的a b段。这样的下垂特性只适合于的情况。因为如果，则，asr将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个pi调节器分别形

40、成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大、特别是为了避免零点漂移而采用“准pi调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图3.5中虚线所示。 由图3.3可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： (3.5) (3.6) (3.7)上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，asr的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于和，或者说，同时取决于和。这些关系反映pi调节器不同于p调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而pi调节器则

41、不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定。后面需要pi调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，知道饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 (3.8)电流反馈系数 (3.9)两个给定电压的最大值和是受运算放大器的允许输入电压限制的。3.3双闭环系统起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程如图3.5所示，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。由于在起动过程中转速调节器asr经历了不饱和、饱和

42、、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图3.6中分别标以、和2。 图3.5 双闭环调速控制系统理想快速起动 图3.6 双闭环调速系统起动时转速和电流波形第阶段 0t1 是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器asr的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用时不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr由不饱和很快达到饱和，而acr一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用1。第阶段 t1t2 是电流恒流升速阶段。从电流升到最大值开

43、始，到转速升到给定值（即静特性上的n0）为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段1。在这个阶段中，asr一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒定电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图3.6）。与此同时，电动机的反电动势e也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也基本上按线性增长，才能保持恒定。由于电流调节器acr是pi调节器，要是它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低。此外还应指

44、出，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。第阶段 t2 以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，asr输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及asr的给定电压立即从限幅值降下来，住电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升。到时，转矩, 则，转速达到峰值（时)。此后，电动机才开始

45、在负载的阻力下减速，与此相应，电流id也出现一段小于的过程，直到稳定（设调节器参数已调整好）。在这最后的转速调节阶段内，asr与acr都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，asr处于主导地位，而acr的作用则是力图使尽快地跟随asr的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统1。 综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点： (1) 饱和非线性控制1 随着asr的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当asr饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当asr不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不

46、同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处置。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。 (2) 准时间最优控制1 起动过程中主要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个启动过程与图3.5的理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第、两段电流

47、不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很好的成份，已无伤大局，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。 采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。 (3) 转速超调 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第段及转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照pi调节器的特性，只有使转速超调，asr的输入偏差电压为负值，才能是asr退出饱和。这就是说，采用pi调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下，转速

48、略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就不许采取另外的措施1。 最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起动的第阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流，从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的7。3.4双闭环调速系统的动态抗扰动性能一般说来，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。

49、(一) 动态跟随性能双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能1。(二) 动态抗扰性能1. 抗负载扰动由图3.7动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计asr时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于acr的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了1。图3.7 双闭环调速系统的动态结构图2. 抗电网电压扰

50、动电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小的多1。3.5双闭环调速系统中两个调节器的作用1. 转速调节器的作用1(1) 使转速跟随给定电压

51、变化，稳态无静差。(2) 对负载变化起抗扰作用。(3) 其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。2. 电流调节器的作用1(1) 对电网电压波动起及时抗扰作用。(2) 起动时保证获得允许的最大电流。(3) 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。(4) 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。3.6本章小结 本章介绍了双闭环控制系统的组成，主要介绍了其静特性和动态性能。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不

52、饱和两种情况。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能：动态跟随性能和动态抗扰性能，而动态抗扰性能又包括抗负载扰动与抗电网电压扰动。在双闭环系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压扰动。第4章 直流电机双闭环控制系统设计4.1 双闭环直流调速系统总体设计方案1. 供电方案选择：变电压调速是直

53、流调速系统用的主要方法1，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器2。旋转变流机组简称g-m系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称v-m系电压。通过调节触发装置gt的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用pwm，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽

54、调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选v-m系统1。在v-m系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置gt输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点8。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高1。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上，选用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2. 总体结构选择电动机额定电压为220v，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波对电源干扰，主变压器采用d/y联结8