电流转速双闭环控制

1、学号按寥烷毕业设计课题转速、电流双闭环直流调速系统设计学生姓名院部专业班级指导教师目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第一章转速、电流双闭环直流调速的组成-1-整个直流调速系统的启动过程分析-1-整个直流调速系统的组成-2- HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第二章调速系统的静特性与相关参数计算-3-稳态结构图和静特性-3-转速调节器未达到饱和情况-3-转速调节器已经饱和情况-4-相关参数的计算-4- HYPERLINK l bookmark34 o Current

2、 Document 第三章整个调速系统的动态结构与起动过程分析-6-整个系统动态结构图分析-6-整个系统刚启动过程分析-6-3.2.1起动过程分析-6-动态抗扰性能分析-7-3.3转速、电流调节器的作用-9- HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 第四章调速系统的工程设计方法-10-电流调节器的设计-10-电流环结构框图的化简-10-电流调节器结构的选择-11-电流调节器的参数计算-12-电流调节器的实现-12-转速调节器的设计-13-电流环的近似传递函数-13-4.2.2转速调节器结构的选择-14-转速调节器的参数计算-14-转速调节器的实现-1

3、5-4.2.5退饱和状态下转速超调量的计算-15-第五章系统的仿真-17-电流环的仿真设计-17-转速环的仿真设计-20-结论-24-参考文献-25-致谢-26-插图清单TOC o 1-5 h z图1-1直流电机的两种启动方式比较图-2-图1-2双闭环反馈系统原理图-2-图2-1整个系统的稳态结构图-3-图2-2双闭环系统运行的静特性-4-图3-1整个系统动态结构图-6-图3-2起动阶段整个系统转速和电流波形-7-图3-3整个系统的等效动态抗扰结构图-8-图4-1整个调速系统的动态结构图-10-图4-2近似等效电流环结构图-11-图4-3校正后系统电流环的动态结构图-12-图4-4校正后电流环

4、的Bode图-12-图4-5模拟式PI电流调节器原理图-13-图4-6整个系统的等效结构图-14-图4-7校正后系统的结构图-14-图4-8模拟式PI转速调节器原理图-15-图5-1电流环的仿真原理图-17-图5-2Saturation模块对话框-18-图5-3SIMULINK参数修改窗口-18-图5-4电流环的仿真结果-19-TOC o 1-5 h z图5-5无超调量的仿真结果（KT=0.25）-19-图5-6超调量较大的仿真结果（KT=1.0）-20-图5-7转速环的仿真原理图-21-图5-8信号叠加模块的设置图-21-图5-9电机空载运行时转速波形图-22-图5-10满载起动运行转速波形

5、图-22-图5-11扰动作用下转速波形图-23-转速、电流双闭环直流调速系统设计摘要目前，关于直流电机调速的问题，通常是采用双闭环调速设计的思路，由于双闭环组成的调速系统拥有诸多的性能优点。传统的电机调速方法是变化电机的电枢电压进行调速，因此必须选用可控直流电源。通常情况下，利用的是相控整流电路来实现上述的过程，因此获得的直流电压是可调的。然后，选用合适的控制器来满足实际的工程设计要求。最后，为了防止出现过电流现象，在电流负反馈部分增加限幅环节，以此来限制电枢电流不会超过电流的最大值。但是，由于传统方法存在某些方面的缺点，所以必须对原有系统进行修改，为此必须在原有的单闭环反馈系统的结构图中另外

6、增加一个电流环，这样才能更好的使系统更加满足实际的生产要求。本文详细介绍了双闭环直流调速系统的调速原理、系统组成和工程实现的方法，最后通过两个实例来具体分析转速和电流调节器的重要作用。通过直流调速系统的设计，可以对交流电机的调速问题起到一个奠定基础的作用。在整个调速系统设计的过程中，重要的是如何计算两个调节器的相关参数，为了能够满足系统的性能要求。通过对系统静特性和动态模型两个角度的分析，得出了两个调节器在起动和抗扰两个方面消除误差上起到的作用。最后，利用Matlab软件来针对两个具体的工程实践案例仿真模拟，仔细观察仿真结果图，用来验证控制理论的正确性。关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器；

7、晶闸管；Matlab程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计铜陵学院毕业论文（设计）铜陵学院毕业论文（设计）- - - -第一章转速、电流双闭环直流调速的组成整个直流调速系统的启动过程分析在实际正常工作运行的系统，系统所要求达到的静态误差和动态响应性能、超调量的大小等都是相当重要的，这就要求我们在处理实际问题的时候要按照工程设计的要求，综合考虑系统各个方面的性能，实现系统的最优化运行。对于传统的单闭环直流电机调速系统，是通过调节电机的电枢电压来实现调速过程。但是，由于单闭环系统本身并不能完全的实现控制要求。所以，即使控制器选用了PI控制器，可以实现消除转速稳态误差的目的。然而，因为电流反馈部分

8、增加了一个限幅环节，这就限制了起、制动过程中电枢电流的最大值。因此，由于电枢电流受到限制，电机转速也会增加缓慢，起动时间也会明显延长，降低了电机的运行效率。为了解决上述生产中出现的问题，尽可能的提高生产效率和产品的生产质量，这就要求大幅度地缩短起、制动过程当中的时间。在具体的工程实践项目中，工程设计者往往所期望的目标是：当电机在刚起动的一段时间内，起动电流能够始终保持一定时间的最大允许值。此时，电机输出的电磁转矩为最大，从而可以迫使电机的起动时间明显减少。此外，在仅有一个调节器调节的情况下，如果输入端同时有多个信号叠加时，电机的各个参数互相影响，不利于调节器参数的调节。为了解决单闭环系统运行过

9、程当中出现的起动时间过长，当输入端有多个信号相互影响等问题，获得更加理想的起动曲线，故采用了双闭环系统。为了防止电机在起动瞬间出现堵转和过载情况，导致电枢电流迅速增加。通常为了限制电枢电流不会超过安全值，在电流反馈部分添加截止限幅环节。当电枢电流大于临界电流I后，由于负反馈作dcr用使得电流值不超过允许值，从而调节了电流的瞬时值。然而，由于受到各种因素的影响，电枢电流不能完全受到限制，从而并不能完全按照理想曲线进行调节。当起动电流值大于I允许值后，因为受到电流限幅环节的调节作用，电流一旦超过电流的最大值I后，控dcrdm制系统就会产生调节作用使得电流值降下来。随着电枢电流不断减弱，电机所输出电

10、磁转矩也同时慢慢减小，故延长了起动过程时间，图1-1a所示为实际启动过程时转速和电流两者波形。为了节省电机起动过程的时间，更大程度地改善工业产品的质量。因此，必须充分利用电机短时过载的能力，再考虑到电机在安全稳定的条件下，电枢电流不会超过最大值。此时，电动机恰好可以输出最大机械转矩。在电机启动的第二个阶段，这时的电流最大且保持一段时间。同时，电机转速也会迅速增加。当转速达到给定值后也会逐渐产生超调量，这时电流开始慢慢减小到负载电流。当转速出现超调后，转速调节器ASR也会退出饱和。当电枢电流慢慢保持不变后，故电机输出电磁转矩与负载转矩相互平衡，此后电机保持稳态运行，图1-1b所示为理想起动过程中

11、转速和电流的波形。此时，起动电流变化过程是按矩形变化，转速按照折线变化。实际上，由于电机中线圈电感和电路中电抗器的作用，起动电流不可能立即发生突变，图1-1b所示的图形仅仅只是理想状态下的启动情形。为了实现电动机的立即起、制动，就必须维持电机的电枢电流在最大值I运行一段时间。根据自动控制原理课程中所学的dm知识，可以利用负反馈环节进行对输入量的控制，从而保持其值的不变。因此，为了维持电流值的恒定，就必须考虑采用对电流值的采集，从而得到电流的反馈量。所以，此时要求对电机转速进行采集，得到反馈量来控制转速。为了能够对电流、转速两个量的控制,必须采用两个反馈环，关键是如何将这两个反馈环连接以及两个控

12、制器如何的选择图1-1直流电机的两种启动方式比较图1.2整个直流调速系统的组成图1为了能够对电流和转速两个量的采集，就必须采用两个反馈环的嵌套。同时，两个反馈环中应该选择合适的调节器，如图1-2所示。该系统是由两个反馈环为主要构成部分，外加整流电路，通过对晶闸管门极加触发脉冲相位来控制输出电压。从双闭环系统结构图上来分析，电流环在内部，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。为了获得更加优良的静、动态性能的系统，满足实际的设计要求，转速和电流两个调节器均采用比例积分调节器。图1-2双闭环反馈系统原理图第二章调速系统的静特性与相关参数计算稳态结构图和静特性整个调速系统结构图如图2-1所示，两个调节器都

13、选用比例积分控制器。转速调节器ASR的最大输出电压U*是电流环的最大输入量，电流调节器ACR的最大输出电压Uimcm作为近似一阶环节的输入信号来控制输出电压。由于调节器选用PI调节器，当转速调节器进入饱和状态时，输出量达到最大值。此时，如果转速反馈环的输入端信号发生变化，输出端也不会发生变化。若要退出饱和状态，必须输入反向信号才能退出饱和状态。当转速调节器ASR饱和时，系统相当于转速环断开，仅有一个电流环进行调节。为了实现全程对电流量的控制，所以电流调节器不能进入饱和状态1。然而，由于转速在某段时间出现超调，故转速调节器将会从饱和状态退出，转速调节器便会有两种状态2。2-1)2-2)(2-3)

14、转速调节器未达到饱和情况此时，两个调节器都没有进入饱和状态，等到系统稳定时，输入量与反馈量之间的偏差电压为零1。故有U*=U=an=annn0U*=U=01iid式中a，0分别为转速和电流传递倍数。由（2-1）式可知U*n=n=na0故得到系统静特性的AB段。又因为此时的转速调节器ASR没有达到最大值，即UU*，由式（2-2）可知：IiimdId。所以，AB段静特性是电机从理想空载状态I=0开始到I=I的整个过程。ddmdddm即AB段为电机静特性的运行部分，外部表现为一条水平线。2.1.2转速调节器已经饱和情况此时，ASR输出值已经是饱和值U*，外部表现为外环转速环是断开状态，故由于转imU

15、*im2-4)速变化带来的影响可以忽略不计，系统仅仅变为一个单闭环电流反馈控制系统。等到系统稳定时ddm式中，最大电流I是由实际工程要求而设定的，它取决于电动机允许的最大过载电流和dm起动时的最大转速来选定的。由式（2-4）可以得到如图2-2BC段所示的静特性，表示为垂直的特性。BC段所描述的特性仅仅适用于nu*，ASR将逐渐退出原先的饱和状态。双0闭环直流调速系统的静特性在负载电流未到最大值时，此时，转速环起主要控制电机以最大加速度升速至额定转速。当负载电流刚刚达到1时，对应的转速调节器恰好为输出电压饱和最大值，此时，电流调节器是主导调节器，电流环起主要作用，从而使得最大电流I开始逐渐减小至

16、负载电流，电机开始稳定运行2。如果要实现上述起动过dm程，两个调节器均要采用比例积分控制器。图2-2双闭环系统运行的静特性另一方面，图2-2同时也指出了ASR调节器退饱和的条件。当ASR处于饱和状态时I=I，若负载电流减小II，使转速上升，实际转速大于理想要求转速即nn,ddmddm0AnI后，电机恰好刚刚转动。由于机电惯性的影响，从而往往会使得电机转速跟不上ddL电枢电流的变化，即当电流已经达到最大值时，转速往往还为达到峰值。当转速调节器ASR刚开始起调节作用时，电压偏差信号AU二U*-U值较大，又因为其充当电流环的nnn输入信号，故电流环的输出端电流I会逐渐变大。当ASR的输出电压达到最大

17、值U*，dim输出端的电枢电流也达到最大值II，这时电机将会以恒定的加速度升速。正如上所ddm述，转速环的输出已到最大，故ASR已经开始饱和，但电流调节器的输出并没有达到最大值。第二阶段（tt）电机维持电流值最大，转速加速上升阶段：由第一阶段可知，此12时的转速调节器已经失去调节作用，因此转速环相当于断开，系统仅仅等效为单环电流反馈系统，故电枢电流I基本保持不变。由于ACR选用的是比例积分调节器，所以当电流d环出现来自电动机反电动势的干扰时，系统可以及时进行消除静差。此时，ACR一般是不进入饱和状态的。第三阶段（t以后）转速经调节后，最终达到稳定阶段：当电机转速已经达到给定2转速时，此时输入信

18、号与反馈信号之间的电压误差信号为零。但是，由于转速调节器ASR选用比例积分调节器，所以转速环的输出还记录了上次调节之后的峰值，故电机的转速还会继续加速上升，产生超调。当电机转速产生超调后，转速的反馈信号大于输入端给定电压信号，故两者之差所得的偏差电压信为负值，进而迫使ASR开始慢慢退出饱和状态，电枢电流也跟随着降低。等到电流值等于负载电流时，电机开始慢慢趋于稳定状态。图3-2起动阶段整个系统转速和电流波形322动态抗扰性能分析在众多对系统性能影响的因素中，我们主要只考虑两个方面的扰动影响。一方面来自于抗负载扰动，另一方面来自于抗电网电压波动的扰动，下面分别分析两种扰动对系统的影响。（1）抗负载

19、扰动由图3-3可知，由于电动机负载扰动在转速环的前向通道之中，即被转速环所包围，所以只能依靠调节转速调节器来消除扰动。又由于电流环为内环，负载扰动点没有包含在其前向通路中，所以对电流环的影响并不是主要的。（2）抗电网电压扰动电网电压是加在电力电子装置UPE上的，通过UPE装置将变换过来的交流电整流为可控直流电而加在电机上。所以，当电网电压不稳定时也会对电流环产生干扰作用。通过将图3-3a与图3-3b对比，可以看出虽然两图中U和I均被转速环的前向通路而包围。ddL仅仅从系统的静态性能来说，单闭环系统的抗扰效果与双闭环系统几乎没有什么差异。但是，从动态抗扰的角度来说，由于电机和电力电子装置等的滞后

20、作用，单闭环系统对于电网电压扰动的反馈不够及时。相反，由于负载扰动点离被控制量n更近，所以单闭环系统对负载扰动的反馈还是比较及时的。将下面两图进行对比，可以看出图3-3b中由于增加了电流内环，电网电压的波动就可以得到比较及时的反馈与修正。此外，较单闭环反馈系统，图3-3b就可以更加及时而迅速将其扰动量反馈回给定信号，系统性能得到大大改善。a）单闭环系统b）双闭环系统图3-3整个系统的等效动态抗扰结构图3.3转速、电流调节器的作用1、转速调节器（ASR）的作用1）转速n的变化能够及时的反馈给给定电压信号，选用比例积分控制器就可以完全消除静态误差。2）抵抗由于负载扰动带来的影响。3）由于转速调节器

21、与电流环是串级连接的，故其输出大小也会影响电流内环值。2、电流调节器（ACR）的作用1）由于电流调节器的跟随作用，使得电枢电流紧紧地随外部调节器的输出而变化。2）及时地减弱因电网电压的不稳定而引起对系统的影响。3）当电机出现过载和堵转的情况时，电枢电流会突然变的很大。由于电流调节器本身带有的限制最大电流的作用，所以使得电流不会超过额定值，保护电机正常运行。程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计铜陵学院毕业论文(设计)- - -第四章调速系统的工程设计方法当我们在具体地实践设计双闭环调速系统时，必须按照先设计电流内环再设计转速外环的整体思路。具体的步骤为：首先我们必须考虑电流内环的结构，通过对

22、电流环结构图的简化和近似处理，最终确定出开环传递函数的系统型次。接着，就必须要确定选用哪种类型的电流调节器。最后，根据系统的性能指标确定相关待测的参数值。当电流环设计完成后，再借助上述方法设计转速环。4.1电流调节器的设计在设计电流调节器的结构时，必须要综合考虑到系统的全部性能。一方面，如果系统是在阶跃信号输入作用下考虑稳态误差，根据自动控制原理的相关知识可以知道，采用典型I系统就可以消除静差。另一方面，为了保证系统的安全运行，就必须要限制电枢电流的最大值，故系统应该选用典型I型系统。由图4-1可知，该动态结构图中包含着由二极管组成的整流滤波环节，目的是为了滤除各个输入信号中的低频干扰信号。具

23、体的滤波环节包括对转速环输入信号的滤波、电流环输入信号的滤波以及给定信号的滤波。同时，又由于电机的反电动势变化缓慢，所以在相关参数的动态变化过程中可近似认为其大小是不变的。其中T电流反馈滤波时oi间常数；T转速反馈滤波时间常数。on11+ci.R-fn1心T11ASKr几ACKR+17+lE-匚：L；图4-1整个调速系统的动态结构图设置滤波环节是因为转速反馈环节和电流反馈环节的反馈信号中含有低次谐波，然而低次谐波会对系统性能产生影响，所以增加低通滤波装置是必要的。一般情况下，因为电流的变化时间远远小于转速的变化时间，故可以将滤波环节看作为一个纯惯性环节。但是,当系统中增加了滤波环节后，也会带来

24、滞后作用导致采集的信号延迟返回。为了解决上述的问题，实际的工程设计上就在原有的系统上添加一个惯性环节，目的是为了使得系统的在响应时间上得到最佳匹配。4.1.1电流环结构框图的化简由电动机本身的机械特性可知，由于电机的机电惯性作用，导致电磁时间常数T远远l小于电机转速时间常数T，故电流到最大时转速却没有到最大。在分析电流环的抗扰性m能时，由于电机反电动势变化缓慢，可以将此扰动因素忽略掉。也就是说，在分析系统的抗扰性能时，可大致认为电机反电动势不发生改变，即AE0。所以，在考虑电流环的动态性能时，可以暂时忽略反电动势的变化所带来的影响作用。我们在分析系统的动态性能时，已经近似忽略了反电动势的影响，

25、得到的是图4-1所示的近似动态结构图。同时,根据系统结构图的等效变换作用，将滤波环节移入反馈环的内部，同时将给定信号简化为U*(s)/0，故电流环最终被等效成单位负反馈系统。近似地电流环的单位负反馈系统结i构框图如图4-2所示。图4-2近似等效电流环结构图4.1.2电流调节器结构的选择根据在不同输入信号作用下，系统要求达到的性能，准确设计电流环相关的参数。一方面，为了达到消除静态误差的目的，系统的开环传递函数中至少应含有一个积分环节，即应选用典型I型系统。另一方面，不允许电枢电流太大而超过最大限幅值，即不要有太大的超调量。为了可以使得电流环能够快速紧紧跟随给定信号的变化，故应该选择典型I型系统

26、。由于电流环所控制的是电机，而电机的传递函数为近似为一阶惯性环节，若要将系统设计为典型I型系统，电流调节器的传递函数中就必须含有一个积分环节，故选用PI型调节器。其传递函数可以写成K(ts+1)W(S)=i一i(4-1)ACRTSi式中KACR的传递系数itACR的过渡时间常数i为了能够将电机的传递函数与调节器的传递函数两者中的零极点相互对消，从而校正成为典型I型系统，故近似处理有(4-2)所以得到校正后系统的结构图如图4-3所示(4-3)KK0is一TRi1贸兀占+1)图4-3校正后系统电流环的动态结构图从频域角度来分析后，可以绘制出校正后系统的伯德图，分析系统在中频带的性能,得到近似图4-

27、4所示图4-4校正后电流环的Bode图4.1.3电流调节器的参数计算由式(4-1)可知电流调节器的传递函数中待计算的参数有两个，即K和T。其中T一III般情况下已经被选定好了，故仅有一个参数K要根据系统的性能来选择相应的值。如果系统所要求的性能是电流超调量&5%，则(4-4)TR再利用式件3)和(4-2)得到(4-5)4.1.4电流调节器的实现根据运算放大电路的相关知识，从而设计的电流调节器的模拟式电路图如图4-5所示，其中图中u*为电流环的给定输入电压信号，-0/为电流环的反馈电压信号，调节器的ID输出连在晶闸管的门极的触发脉冲控制电压U上。C根据模拟电子技术课程中运放的相关知识，可以得出以

28、下公式iRiR0t=RCiiiOi=1RC4ooi(4-6)(4-7)(4-8)Ci图4-5模拟式PI电流调节器原理图4.2转速调节器的设计4.2.1电流环的近似传递函数cli在整个系统的结构图中，当开始设计转速调节器时，可以将电流环看作为转速环内部的一个传递环节，记该部分的闭环传递函数为W(s)。由图4-3系统结构图的等效后，可得Ki-W()I(S)s(Ts+1)W(s)=d=斗cliU1十0s(Ts+1)XiT-Si-I111s2+s+1Ki(4-9)忽略高次项，W(s)可降阶近似为cli(4-10)1W(s)沁cli1S+1KI零初始状态下，设电流环的输入信号为U*(s)，输出信号为电枢

29、电流。因此，可i得到电流环的传递函数如下式：1Id(s)_Wcil(s)PU*(s)卩丄s+1(4-11)1K4.2.2转速调节器结构的选择根据上述电流环的等效传递函数来分析转速环的部分，如图4-6所示。假设电流环的输入信号为U*(s)/同时，将两个惯性环节的时间常数1/K和T近似合并后得到一个nIon时间常数为T，即如式(4-12)所示：(4-12)工n+TKoni图4-6整个系统的等效结构图如果希望整个系统能够消除掉静态误差，因此系统的开环传递函数至少为I型系统，即至少必须含有一个积分环节。此外，由图4-6可以知道，系统的结构图中已含有一个积分环节，故整个系统的开环传递函数中总共有两个积分

30、环节，因此应将转速环设计为典型II型系统的结构，才能够满足系统自身的跟随特性。ASR的传递函数为：W-K(TS+1)ASRTsn(4-13)n式中KASR的传递系数；ntASR的过渡时间常数。n如果忽略负载变化对系统性能所产生的影响，可得校正后的典型II型系统结构图，如图4-7所示图4-7校正后系统的结构图4.2.3转速调节器的参数计算转速环的传递函数中待计算的参数有两个，即K和T。故转速调节器共有两个参数nnK和T待计算，由t-hT得nn程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计铜陵学院毕业论文（设计）- #- - -n工n(4-14)再由h+1(4-1

31、5)2h2T2可得K-h+1N2h2T2En(4-16)故”(h+1)PCTKem(4-17)n2haRTXn4.2.4转速调节器的实现-an为转速环的反馈电压信号，转速调节器的输利用模拟电子技术中的相关知识，从而设计出转速调节器的模拟式电路如图4-8所示，图中U*是转速环的给定电压信号，n出端信号接入电流环给定电压信号U*。7i图4-8模拟式PI转速调节器原理图根据电路原理中的相关知识，可得以下公式(4-18)t=RC（4-19）nnnT二丄RC（4-20）on40on4.2.5退饱和状态下转速超调量的计算由第三章的分析可知，在电机起动的整个过程中，转速调节器最开始是未饱和的，等转速调节器达

32、到限幅值时保持饱和状态，最后逐渐退出饱和。在电机转速已达到达所要求值后，电机转速才开始逐渐出现超调。由于退饱和状态下转速的变化与扰动作用下负载的变化规律大致相似，故为了便于计算和简化系统的分析过程，可以利用典型II系统跟随性能指标来计算超调量。C=2FKT(4-21)RCTemb24-22)4-23)Sn4-24)F=I-1dmdlAnb2RT(II)SndmdCTem=2(九一z)Anm4-25)程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计铜陵学院毕业论文（设计）- - -第五章系统的仿真为了可以非常清楚的观察两个调节器各自对整个系统的控制作用，我们可以利用相关的仿真软件进行辅助设计。通过这种方

33、法，可以便于观察模拟仿真结果图，得到相关的结论。在具体地控制系统设计中，MATLAB软件是一种帮助设计者减少工作量的辅助设计软件。在具体的工程实践中，设计者可以通过近似处理的方法，既可以对得到的仿真结果图进行仔细分析，从而得到相关结论和一定范围的修正结果，又可以减少了调试的工作量，节约研发的成本。通过仿真软件的结果图，可以多次的调节两个调节器的参数，从而最终得到最佳性能要求的配置选择。5.1电流环的仿真设计某双闭环直流调速系统是由晶闸管构成的三相桥式全控整流电路作为整流电源，电流调节器选择为PI型，其他相关数据如下所示：直流电动机：220V，136A，1460r/min，C=0.132V-mi

34、n/r,允许过载倍数九=1.5；晶闸管装置放大倍数：K=40；电枢回路总电阻：R=0.5。；时间常数：S=0皿；Tm=0.18s；电流反馈系数：0=0.05V/A；工程设计要求为：电流调节器必须要达到的控制性能要求为&%-5%，电路中的电流是可逆流动的。图5-1电流环的仿真原理图在上述电流环的仿真原理图中，添加一个带有限幅作用的非线性模块，然后双击该模块，从而将模块的饱和上、下限幅值分别设置为题目中所要求的上、下限值+10和-10,具体设置方法如图5-2所示。囤FunctionElse:Parameters:Satjrationturtticr.Limitinputsignaltotheupp

35、erandlowersaturationvalues.NamSignalAttributesUppe;二nj;/Trsatam舌aidLinsarizing7Enablesero-crossitdetectionjanple7me:foruilieried.:-1OECancelHelpApply图5-2Saturation模块对话框在实际工程设计电流环中，已经忽略了电机反电动势对系统性能等各方面的影响。但是，为了能够更加真实的反映反电动势对系统的扰动作用，在图5-1电流环的仿真原理图中，考虑到了实际反电动势的影响。选中Simulink模型窗口的SimulationConfigurationP

36、arameters菜单项（见图5-3），把Starttime和Stoptime栏目分别填写0.0s和0.05s。启动仿真原理图的开关，通过示波器观察结果图，即可得到图5-4所示的电流环仿真结果图。图5-3SIMULINK参数修改窗口图5-4电流环的仿真结果根据例题中工程设计的实际要求，将参数关系调整为KT=0.5的关系。在这样的参数关系下，通过对图4-1仿真模型图的分析，可以观察出PI参数的变化对系统性能产生的影响，从而获得更加符合实际工程中的参数配置。例如，如果按照KT=0.25设置参数关系,借助于典型I型系统的系统模型，设计出的PI调节器的传递函数为0.5067+16竺，于s是得到阶跃信号

37、输入下电流环的仿真图如图5-5所示，通过图5-5可知，当参数关系设置为KT=0.25时，系统的阶跃响应结果图无超调，但是系统的动态响应过程变慢。同样地，如果按照KT=1.0设置参数关系，设计出PI调节器的传递函数为2.027+67567，故得到s阶跃信号作用下的电流环仿真结果图如图5-6所示。通过对第二种情况结果图的分析可知，系统的响应曲线会出现超调。但是，系统的上升时间明显缩短，动态反应效果变好。图5-5无超调量的仿真结果（KT=0.25）图5-6超调量较大的仿真结果（KT=1.0）通过设置不同的参数关系，对比图5-4、图5-5和图5-6的不同仿真曲线，可以得到系统的最优性能的参数设置。在电

38、机整个起动过程的第二个阶段，电流值一直都是小于几IN=200A，因为电流调节器会受到电机反电动势的影响。由图5-1可知，反电动势的干扰是一个线性渐增的扰动量，故系统本身无法实现完全的无静差，相反却是1d略低于Idm。5.2转速环的仿真设计某双闭环直流调速系统是由晶闸管构成的三相桥式全控整流电路作为整流电源，转速调节器选择为PI型，其他相关数据如下所示：直流电动机：220V，136A，1460r/min，C=0.132V-min/r，允许过载倍数九=1.5；e晶闸管装置放大倍数：K二40；电枢回路总电阻：R二0.50；时间常数:T=0.03s；Tm=0.18s；电流反馈系数：B=0-05V/A;

39、转速反馈系数Q=0007V-min/r，设计要求是：转速变化过程中不会产生静态误差，转速的超调量应该控制在&%10%的范围，根据以上的实例要求选择转速调节器ASR的相关参数。为了能够更加清楚观察出转速和电流之间的关系，从SignalRouting组中选出Mux.模块将多路输入信号进行叠加，最终输出的信号仅有一个，而直接输出给到示波器Scope。图5-8是信号叠加模块的参数设置图，可以在Numberofinputs选项中设置输入信号的个数。Step1模块是用来输入负载电流的。转速环的PI型控制器相关参数设置是根据系统的性能要求而具体制定的，其传递函数为11.7+里48图5-7转速环的仿真原理图%

40、|FunctionBlockParameters:MuxMuxMultiplexscalarorvectorsignalsPargetersNujuberofinputs:2Displayoption:b且r|OK|CanuEl|HJpApply图5-8信号叠加模块的设置图再将输入的理想阶跃信号初始参数值设置为10,得到起动过程中转速和电流之间的仿真结果图，如图5-9所示。由图可知，电机转速最终保持稳定在规定要求的转速范围内。如果将负载电流的参数值改为136A，此时，电机处在满载起动状态，得到的仿真结果图如图5-10所示。观察仿真结果图可知，电机的起动时间明显延长，当转速调节器退出饱和状态时，

41、超调量开始逐渐减少。图5-9电机空载运行时转速波形图图5-10满载起动运行转速波形图程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计铜陵学院毕业论文（设计）- - -为了能够更加清楚的分析出扰动作用下的转速变化，可以继续的利用上面转速环的仿真模型图。扰动作用点是作用在负载电流的输入端，图5-11是在电机稳定运行时，突加额定负载电流时转速和电流响应曲线图。最后，Matlab软件下的SIMULINK具有强大的功能，而且在不断地得到发展，随着它的版本不断更新，各个版本的模块浏览器的表示形式略有不同，但是整体上没有太大的变化。通过对整个调速系统的分析设计，我们可以得出整体的设计思路。首先应该选择使用哪种典型I

42、型系统或者典型II型系统的数学模型,进而才可以计算相应控制器的参数，然后利用相关类似于MATLAB的软件进行仿真设计,及时地修改调节器相关参数，直至符合工程中的实际要求，达到满意的要求。图5-11扰动作用下转速波形图结论随着电力电子技术的迅速发展，全控型电力电子器件已经开始大规模的运用于工业生产的各个方面，再利用现代控制理论的相关知识，综合对电机转速进行调控。本文主要阐述了直流电动机的应该如何更加迅速起动的问题，并就如何消除转速静差和调节器参数计算等相关问题进行讨论，最终利用两个具体的实践例子用MATLAB仿真软件模拟，最后来验证控制理论的正确性。通过整篇文章对电机调速这个问题的深刻分析，使我

43、对转速、电流双闭环调速系统的原理、系统的静态结构和动态模型、系统的组成以及工程实现的方法等问题有了初步的了解与掌握。在这个毕业设计过程中，我查阅了自己大学四年所学的相关课程，例如电机学、自动控制原理、电力电子技术等相关课程。学会了综合应用知识的能力，例如系统的建模、模拟电路的构建、电路原理知识的运用。通过此次的毕业论文设计，使我重新对大学四年整个知识结构有了全新的梳理。例如整个控制系统的电机电源是可调的，这就让我复习了电力电子技术课程中整流和逆变电路的相关知识。此外，也复习了电机与拖动课程中的直流电机基本的调速方法调压调速。在ASR和ACR两个调节器的设计中，如何能够消除稳态误差和系统结构图的

44、设计等问题，也就运用到了自动控制原理课程中PID控制理论的比例积分调节器相关知识。最后，如何用传统模拟电路实现转速、电流调节器中，让我对电路原理和模拟电子技术中的运算放大电路的相关知识进行了复习。双闭环直流调速系统，是在转速无静差单环系统基础上的修改，为的是实现实际生产中，缩短经常要正反转电动机起动时间。通过对电机的运动控制课程学习，采用了双闭环系统，并且引入两个调节器对原来单闭环系统进行修改，以达到实际的期望系统性能要求。通过整个设计的锻炼，我学会了将自己所学的理论知识运用到实际的生活中的能力，学会了综合运用自己所学习知识的能力，融会贯通整个知识体系。最后，通过此次本科毕业论文的设计，也锻炼