直流双环系统(三)的设计及仿真分析(五)

1、课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题题 目目: : 直流双环系统（三）的设计及仿真分析（五）直流双环系统（三）的设计及仿真分析（五） 双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。系统基本数据如下： 直流电动机： Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，允许过载倍数，额定转速时的给定电压调节0.132min/ e CVr1.5 * 10 , n UV 器，饱和输出电压。时间常数：TL=0.03s，Tm=0.18s，晶闸管 * 10 im UV 装置放大倍数：KS=40，

2、电枢回路总电阻：R=0.5。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰 写等具体要求） 试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量；5% i 空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。画出系统20% n 0.1 s ts 结构框图并计算： (1) 电流反馈系数 和转速反馈系数 ； (2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取） ； 0 40Rk (3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取） ； 0 40Rk (4) 让电机空载启动到额定转速，稳定运行后电动机磁场减少一半，观察并录下电 机的转速、电流等的波形，并

3、进行分析。 时间安排：时间安排：2014.6.21 布置课程设计题目 2014.6.22 - 6.27 完成课程设计 2014.628 - 7.1 撰写课程设计报告 2014.7.2 答辩并上交报告 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 摘 要 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系 统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传 动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流 闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率

4、， 但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环 (ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系 统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。 使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应 选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统为主。 本文简单介绍了一下双闭环直流调速系统的结构组成，且在本课设要求下 进行了电流调节器和转速调节器的理论计算与设计。在理论计算的前提下用 MATLAB 进行了系统仿真，且简单分析了该系统空载启动到额定转速后电机磁场 减半情况下的系统调节过程。

5、 关键词：关键词：直流双闭环 电流调节器 转速调节器 扰动 MATLAB 目 录 摘摘 要要1 1 目目 录录2 2 1 1 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统3 3 1.1 双闭环直流调速系统的结构组成3 1.2 转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构4 1.3 转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构4 2 2 双闭环系统的设计双闭环系统的设计6 2.1 转速和电流两个调节器的作用6 2.2 调节器的工程设计方法6 2.3 设计的基本思路7 2.3.1 电流调节器设计原理7 2.3.2 速度调节器设计原理8 2.4 系统初始条件10 2.5 电流调节器的设计10 2.5.1 电流反馈系数

6、的计算及时间常数的确定10 2.5.2 电流调节器结构的选择11 2.5.3 电流调节器参数的计算11 2.5.4 校验近似条件11 2.5.5 电流调节器基本结构12 2.5.6 调节器电阻和电容的计算12 2.6 转速调节器的设计13 2.6.1 转速反馈系数的计算及时间常数的确定13 2.6.2 转速调节器结构选择13 2.6.3 转速调节器参数计算13 2.6.4 校验近似条件13 2.6.5 转速调节器基本结构14 2.6.6 调节器电阻和电容的计算14 2.6.7 校核转速超调量14 2.6.8 按 ASR 退饱和重新计算超调量15 3 3 系统仿真系统仿真15 3.1 双闭环直流

7、调速系统动态结构框图15 3.2 系统仿真图的设计16 3.3 系统仿真波形图16 3.4 结果分析17 3.4.1 空载启动过程分析17 3.4.2 磁场减半后调节过程分析18 心得体会心得体会19 参考文献参考文献20 直流双环系统的设计及仿真分 析 1 双闭环直流调速系统 1.1 双闭环直流调速系统的结构组成 直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器和电流调节器， 分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出 限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压 * im U 限

8、制了电力电子变换器的最大输出电压。 cm U dm U 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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电 力电子变换器 UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 如图 1-1 所示： 图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节 器,这样构成了双闭环直流调速系统。 1.2 转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构 双闭环直流调速系统的稳态结构如下图 1-2 所示，两个

9、调节器均采用带限 幅作用的 PI 调节器。转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定的最 * im U 大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出 cm U 电压。图中用带限幅的输出性表示 PI 调节器的作用。当调节器饱和时，输 dm U 出达到限值，输入量不再变化。当调节器不饱和的时候，PI 调节器工作在线性 调节状态，其作用是是输入偏差电压在稳态时为零。 U 图 1-2 双闭环直流调速系统的稳态结构图 双闭环直流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 dm I 时，转速负反馈主要起调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器为 dm I 饱和

10、输出，这是，电流调节器器主要调节作用。这就是采用两个 PI 调节器 im U 分别形成的自动保护作用。 1.3 转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构 双闭环直流调速系统的动态结构图如图 1-3 所示，图中和 ASR WS 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出负电流反馈， ACR WS 在电动机的动态结构图中必须把点数电流显露出来。 d I 带载启动过程如图 1-4 所示，在他的启动过程有三个阶段，分别是电流上 升阶段，恒流升速阶段和转速调节阶段。通过这三个阶段可以看出启动过程有 三个特点，饱和非线性，转速超调和准时间最优控制。 一般说来，双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能

11、。对于调速系统， 另一个重要的动态性能是抗扰性能，主要是康复在扰动和抗电网电压扰动的性 能。 图 1-3 双闭环调速系统的动态结构图 图 1-4 闭流调速系统起动过程的 转速和电流波形 2 双闭环系统的设计 2.1 转速和电流两个调节器的作用 1. 转速调节器的作用 （1） 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压 变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。 * n U （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 2. 电流调节器的作用 (1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随 其

12、给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 * i U (2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 (3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 (4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十 分重要的。 2.2 调节器的工程设计方法 必要性: 设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾 的静、动态性能要求。 可能性: 电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系 统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。建立调节器工 程设计方法所遵循的原

13、则是： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向 ； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 2.3 设计的基本思路 调节器的设计过程分作两步： 第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 在选择调节器结构时，采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系 都已事先找到，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。 用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环

14、 后外环。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一 个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统的动态结构图如图 1-3，不同之 处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。 2.3.1 电流调节器设计原理 电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象， 如果采用 PI 型电流调节器，其传递函数可以写成 （2-1） s s KsW i i iACR 1 式中 i K 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。 电流环的传递函数为 （2-2） (1)/ ( ) (1)(1) iis opi ili KsKR Ws sTsT

15、s 因为 TiTi，选择 i= Ti ，用调节器零点消去控制对象中大的时间 常数极点，以便校正成典型型系统，因此 （2-3） / ( ) (1)(1) isI opi iii KKRK Ws s T ss T s 式中，电流环的动态结构图如图 2-1 所示。 isis I il K KK K K RT R 图 2-1 电流环的动态结构图 在一般情况下，希望电流超调量 i 5%，由表 2，可选 =0.707，KITi =0.5，则 （2-4） 1 2 Ici i K T 表 2-1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系 KT 0.250.390.50.691.0 阻尼比 1

16、.00.80.7070.60.5 超调量 0 %1.5%4.3 %9.5 %16.3% 上升时间 tr 6.6T4.7T3.3T2.4T 峰值时间 tp 8.3T6.2T4.7T3.2T 相角稳定裕度 7669.96559.251.8 截止频率 c 0.243 /T 0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T 再依据得到： isis I il K KK K K RT R () 22 ll i sisi T RTR K KTKT 2.3.2 速度调节器设计原理 用等效环节代替电流环，将结构图简化 图 2-2 转速环的动态结构图及其简化 把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个

17、小惯性环节合并得 （2-5） 1 non I TT K 转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL(s)是负载 扰动。系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环 节。因此转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。ASR 采 用 PI 调节器，其传递函数为 （2-6） (1) ( ) nn ASR n Ks Ws s 式中Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为 （2-7） 2 (1)(1) ( ) (1)(1) nnnn n nemnnemn R KsKRs W s sC T s T sC T s

18、 T s 令转速环开环增益为 N K （2-8） n N nem KR K C T 则 （2- 2 (1) ( ) (1) Nn n n Ks W s s T s 9） 图 2-3 校正后的动态结构图 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统的动态结构图如图 2-3 所示 表 2-2 典型型系统阶跃输入跟随性能指标 h345678910 2.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3% tr / T 2.42.652.853.03.13.23.33.35 ts / T 12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20 k32211111 按

19、照典型型系统的参数关系 （2-10） nn hT 以及 （2-11） 22 1 2 N n h K h T 得 （2-12） (1) 2 em n n hC T K h RT 2.4 系统初始条件 双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。系统基本数据 如下： 直流电动机：Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，允许过载倍数，额定转速时的给定电压调0.132min/ e CVr1.5 * 10 , n UV 节器，饱和输出电压。时间常数： * 10 im UV TL=0.03s，Tm=0.18s，晶闸管装置放大倍数：KS=40，电枢回路总电阻： R

20、=0.5。 2.5 电流调节器的设计 2.5.1 电流反馈系数 的计算及时间常数的确定 （1）电流反馈系数 （2）确定时间常数 1）三相桥式电路的平均失控时间为。0.0017 s Ts 2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个滤头的时间是 3.3ms，为了基 oi T 本滤平波头，取。0.002 oi Ts 3）电流环小时间常数之和。0.0037 isoi TTTs 2.5.2 电流调节器结构的选择 根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型 I 型系统设计电路5% i 调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器其传递函数 为： (1) ( ) ii ACR i Ks Ws

21、 s 检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型 I 型系统动态 0.03 8.11 0.0037 l s T s 抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。 2.5.3 电流调节器参数的计算 电流调节器超前时间常数：。0.03 il Ts 电流环开环增益：要求，应取，因此%5%0.5 Ii K T 于是，ACR 的比例系数为 135.1 0.03 0.5 1.034 40 0.049 Ii i s KR K K 2.5.4 校验近似条件 电流环截止频率： 1 135.1 ciI Ks （1）晶闸管整流装置作传递函数的近似条件 1 11 196.1 33 0.0017 ci s s

22、T 满足近似条件。 （2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 1 0.5 135.1 I i Ks T 10 0.049 1.5 136 im dm U i 1 11 3340.82 0.18 0.13 ci ml s T T 满足近似条件。 （3）电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 180.8 330.00170.002 ci soi s TTss 满足近似条件。 2.5.5 电流调节器基本结构 含给定滤波和反馈滤波的模式 PI 型电流 调节器原理图如图 2-4 所示。 根据运算放大器的电路原理，可以导出 i i o R K R iii RC 0.25 oiooi TR C 图

23、2-4 PI 型电流调节器 2.5.6 调节器电阻和电容的计算 由图 2-4，按所用运算放大器去，各电阻和电容为40 o RK ，取1.034 4040.25 iio RK RKK 40K ， 取 0.75 0.03 0.75 40000 i i i CuF R uF ，取 44 0.002 0.2 40000 oi oi o T CFuF R 0.2uF 按照上述参数计算，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，%4.3%5% 满足设计要求。 2.6 转速调节器的设计 2.6.1 转速反馈系数的计算及时间常数的确定 （1）电压反馈系数 10 0.00685 1460 max Unm I （2）确

24、定时间常数 1）电流环等效时间常数。又，故1/ I K0.5 Ii K T 1/ I K22 0.00370.0074 i Tss 2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。 on T0.01 on Ts 3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取 n T 1/0.00740.010.0174 nIon TKTsss 2.6.2 转速调节器结构选择 按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为 nnnn n 2 nemnnemn (1)(1) ( ) (1)(1) R KsKRs W s sC T s TsC T s Ts 2.6.3 转速调节器参数计算 按跟随和抗扰性能

25、都较好的原则，取，则 ASR 的超前时间常数为5h 5 0.01740.087 nn hTss 转速开环增益 22 N 2222 n 15 1 396.4 22 50.0174 h Kss h T ASR 的比例系数为 11.72 n K 2.6.4 校验近似条件 转速环截止频率： 11 1 396.4 0.08734.5 N cnNn K Kss （1）电流环传递函数简化条件为 11 11135.1 63.7 330.0037 I cn i K ss T 满足简化条件。 （2）转速环小时间常数近似处理条件为 11 11135.1 38.7 330.01 I cn on K ss T 满足简化

26、条件。 2.6.5 转速调节器基本结构 含给定滤波和反馈滤波的模式 PI 型 转速调节器原理图如图 2-5 所示。 根据运算放大器的电路原理，可以导 出 n n o R K R nnn R C 0.25 onoon TR C 图 2-5 PI 型转速调节器 2.6.6 调节器电阻和电容的计算 取，则 0 40Rk ，取 0 11.72 40468.8 nn RK Rkk 470k ，取 0.087 0.185 470000 n n n CFuF R 0.2uF ，取 3 0 44 0.01 1 40 10 on on T CFuF R 1uF 2.6.7 校核转速超调量 当时，不能满足设计要求

27、。应按 ASR 退饱和的情况重新5h 37.6% n 计算超调量。 2.6.8 按 ASR 退饱和重新计算超调量 过载倍数 1.5 空载启动 0z max * 136 0.5 0.0174 0.132 2()()2 81.2% 1.58.31%20% 14600.18 Nn n bm Cn T z CnT 能满足设计要求。 3 系统仿真 3.1 双闭环直流调速系统动态结构框图 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制系统结构， 即可会出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图 3-1 所示。 图3-1 双闭环系统动态结构图 U*n Uc -IdL n Ud0 Un + - - +

28、- Ui WASR(s ) WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/Ce + E 图中和分别别是转速调节器和电流调节器的传递函数。本系( ) ASR ws( ) ACR ws 统采用 PI 调节器，则有 (1) ( ) ii ACR i Ks Ws s 3.2 系统仿真图的设计 根据双闭环直流调速系统动态结构图，加入本系统初始条件及其计算结果， 即可用 MATLAB 绘出双闭环系统结构图如图 3-2 所示： 图 3-2 双闭环系统仿真结构图 3.3 系统仿真波形图 用 MATLAB 进行仿真，双闭环直流调速系统让电机空载启动到额定转速，稳 定运行后

29、电动机磁场减少一半电机的转速、电流的波形如下图： (1) ( ) nn ASR n Ks Ws s 图 3-3 双闭环直流调速系统空载启动到额定转速后磁场减少一半转速电流波形 3.4 结果分析 3.4.1 空载启动过程分析 从仿真图中我们可以看出，在空载启动过程中转速调节器经历快速进入饱 和，饱和和退饱和三种情况，整个过程分为三个阶段。 对调速系统而言，被控对象是转速。它的跟随性能可以用阶跃给定的动态 响应描述，能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求 的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。 在空载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩有关，对电动机启动过程 的分析

30、离不开对的研究。从电流零增长到，然后在一段时间内( )nf t( ) d It dm I 维持不变，以后又下降并经调解后达到稳态值=0。转速波形显示缓慢升速， dl I 然后到达给定值。从电流与转速变化过程所反映出来的特点可以把启动过程 * n 分为电流上升，恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器再次经历快速进入 饱和，饱和和退饱和三种情况。 我的仿真要求为空载启动，相当于=0。 dl I 第阶段，突加给定电压，电流上升。由于=0，所以转速从 0 开始 d I dl I 上升,此阶段转速 n 较小，转速反馈电压 Un 较小，因而转速偏差电压很大，使 转速调节器 ASR 进入饱和状态，转速调节器

31、输出达到限幅值。此阶段电流 * im U 调节器试图按照电流设定值将电枢电流调节到电流最大值，所以电流 * i U d I dm I 迅速上升，而转速的增加较小。ACR 在这一阶段不饱和。 第阶段，恒流升速阶段。此阶段由于转速小于给定值，大于，误 * n U n U 差 Un 始终大于零，所以转速调节器一直处于饱和状态，其输出一直保持。 * im U 电流调节器给定一直为，因此在电流环定值控制作用下，电枢电流被调节 * im U 到，并基本保持不变，因而加速度恒定，转速呈线性增长，是启动过程的主 dm I 要阶段，保持，电磁转矩保持最大值，电机恒加速度升速。 d I dm I 第阶段，转速调节

32、阶段。上一阶段结束时，电机转速到达给定值，由于 电机保持最大转矩，电机继续加速，当速度大于给定值时，Un 反号，因此转 速调节器逐渐退出饱和，电流环给定值变小，这时电机电枢电流在电流调节器 作用下迅速变小。在减小到空载电流=0之前，电磁转矩大于空载转矩，电 d I dl I 机加速过程变慢，但仍然处在升速过程。减小到=0时，转速到达第一次峰 d I dl I 值，随后，减小到=0以下，因而电机电磁转矩小于空载转矩，转速减小。 d I dl I 在经过一段调节过程后，转速调节器完全退饱和，发挥其控制作用维持转速恒 定；而电流调节器则保持电枢电流与负载电流平衡。 由以上的分析过程可以看出，在电机启

33、动阶段，双环系统利用电机过载能 力，将电枢电流调节到最大值，从而产生最大的加速电磁转矩，使系统获得极 好的加速性能；而调节器的限幅作用，还使电机的电枢电流得到限制，从而防 止电机过载、超过电机的过载能力而导致电机烧毁。 3.4.2 磁场减半后调节过程分析 从图 3-3 中可以看出，在稳定运行后，突然使电机的磁场减少一半，转速 产生了一个很大的阶跃迅速上升到约 2900r/min,这是由于减小了一半，所以 e C 额定速降会增大使转速上升为原来的 2 倍，通过转速环反馈电压-就会增大， n U 使电流下降，但是在电流环和转速环的积分调节下转速很快又稳定在额定转速 和稳定电流，实现无静差调速。 电

34、机磁场突然减半后，扩大四倍，缩小一倍，同时负载电流扩大一倍， m T e C 课程设计要求空载启动，即负载电流为 0，所以只需在数学仿真模型中改变 和。由图 3-3 可以看出，0.6 秒后空载启动已达到额定转速，在 0.7s 时通 m T e C 过阶跃信号和乘法器改变和模拟磁场减半，仿真得到调节过程的波形。 m T e C 心得体会 通过对直流双环系统的设计与仿真的课程设计，使我对双闭环直流调速 有了更深入的了解。在课程设计中需要对转速调节器 ASR，电流调节器 ACR 进 行设计，我们使用工程设计方法对调节器进行设计，通过分析系统开环传递函 数的动态特性参数，确定各调节器的传递函数，并最终用模拟电路及数字电路 实现所设计的调节器。在设计过程中所使用的工程近似处理方法也是至关重要 的，通过处理，控制对象的数学模型大大简化，从而方便了后续设计的进行。 这个过程中绝大多数的设计都是参照教材来完成的，从双闭环直流调速系 统的组成，静态和动态分析还有最后的参数给定都是通过参考所学教材来完