基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真

摘要直流调速系统的在工业中的应用很广泛，也是交流调速系统的基础。直流调速系统用双闭环结构时控制效果最好，为此本文对双闭环直流调速系统进行了研究，重点对控制部分展开研究。分析调速系统的稳态和动态结构，建立双闭环直流调速系统的数学模型，通过全面分析根据双闭环直流调速系统的控制要求将电流和转速都 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 为比例积分调节器，并设计了电流和转速调节器的参数。对经典双闭环系统进行分析的同时，为了能得到合理的设计参数，用MATLAB软件对电流环和转速环的设计举例进行了仿真，通过比较说明了直流调速系统的特性。关键词：双闭环直流调速系统；比例积分调节器；MATLABABSTRACTDCservosystemiswidelyusedintheindustry，andisthefadationofACservoSystem.TheDCservosystemcanbecontroledwellwithdouble-closedsystem.Inthispaperdouble-closedloopDCservosystemisstudied,theimportanceofzhestudyisthecontrolsection.analysisofthestaticanddynamicofspeedcontrolsystem,andestablishingadouble-closedloopDCsystemmathematicalmodel.PIcontrolerisdesignedforboththecurrentandspeedregulator，anddesigncurrentandspeedregulatorparameters.Whenanalysisoftheclassicaldouble-loopsystem，inordertogetareasonabledesignparameters.MATLABsoftwarehasbeenselectedtosimulateparametersofthesystemwhichhasbeenchoosen,withacomparisontoshowthecharacteristicsofDCControlsystem.KEYWORDS：Double-closedloopDCservosystem;PIcontroller;MATLAB目录第一章绪论 11.1课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景、发展及意义 11.2课题的主要任务及内容................................................................................................11.3论文的内容安排及主要工作 1第二章直流调速系统理论研究和 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 确定 32.1双闭环调速系统的工作原理 32.1.1转速控制的要求和调速指标 32.1.2调速系统的动态性能指标 42.2双闭环调速系统的动态分析 52.2.1直流电机动态模型 52.2.2调速系统的双闭环调节原理 72.3双闭环调速系统的起动过程分析 72.4转速、电流双闭环直流调速系统 92.4.1稳态结构图 92.4.2双闭环调速系统组成 10第三章双闭环直流调速系统的调节器设计 133.1按 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 设计方法设计双闭环系统的调节器 133.1.1系统设计对象 133.1.2系统设计原则 133.2转速-电流调节器结构的确定 133.3.电流调节器设计 143.3.1电流环结构图的简化 143.3.2电流调节器结构的选择 153.3.3电流调节器的参数计算 163.3.4电流调节器的实现 173.3.5设计举例 173.4转速调节器设计 193.4.1电流环的等效闭环传递函数 193.4.2转速调节器结构的选择 203.4.3转速调节器参数的计算 223.4.4转速调节器的实现 223.4.5设计举例 23第四章双闭环直流调速系统仿真 254.1电流环系统仿真 254.1.1电流环仿真模型 254.1.2饱和上限设置 254.1.3仿真结果 264.1.4仿真结果分析 284.2转速环系统仿真 284.2.1转速环仿真模型 284.2.2设置输入量个数 294.2.3仿真结果 294.2.4仿真结果分析 31第五章总结 33致谢 34参考文献 35附录 36第一章绪论1.1国内外现状及发展意义随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）常用的控制直流电动机有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，常用的控制直流电动机有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧交流器仍存在一些缺点：维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也出现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB、公司的PAD/PSD等等。随着现代化不发的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不段扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD,DSP控制器等手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法得以实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛的应用，。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有为处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制为智能运动控制系统。所以应用先进的控制算法，开发数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些电动机控制系统的性能的要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。数字直流调速装置，从技术上，他能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法，完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的CE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化、模板化得应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation，简称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。价格低廉，但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧交流器仍存在一些缺点：维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也出现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB、公司的PAD/PSD等等。随着现代化不发的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不段扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD,DSP控制器等手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法得以实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛的应用，。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有为处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制为智能运动控制系统。所以应用先进的控制算法，开发数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些电动机控制系统的性能的要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。数字直流调速装置，从技术上，他能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法，完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的CE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化得应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation，简称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。1.2课题的主要任务及内容在工业领域中，实际的传动系统并不如模型那样一成不变，电机本身的参数和拖动负载的参数(如转动惯量)在某些应用场合产生变化，不能使系统在各种情况下都保持设计时的性能指标．而直流电机作为伺服系统的执行元件在跟踪性能方面的要求比一般的调速系统高且严格得多，而且需要更强的抗干扰能力；对整个系统的控制精度、响应速度有了更高的要求。因此需要找到一种更优的控制参数来改进直流调速系统的控制效果。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次[4]。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。为此本论文对双闭环直流调速系统进行MATLAB仿真与研究。本课题的目的是研究直流调速系统特性，分析系统的设计要求，通过分析将两调节器都设计为PI调节器，并对两调节器的设计举例进行了仿真，分析仿真结果，探讨直流调速系统的最优控制参数。1.3论文的内容安排及主要工作直流电动机的调速性能很好，起动转矩较大，特别是调速性能为交流电动机所不及的，因此，在对电动机的条随性能和起动性能要求较高的生产机械上面，大都使用直流电动机进行拖动。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织等场合仍然占有重要地位。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。第一章：简单介绍了直流电动机的国内外现状和发展意义，以及课题的主要内容和任务。第二章：基于直流调速系统介绍了双闭环调速系统的工作原理，并分析调速系统动、静态。第三章：介绍了系统设计原则，并详细阐述了转速、电流环反馈控制直流调速系统。第四章：通过利用MATLAB中的SUMLINK软件依次按：建模、设置参数确切的得出了转速、电流环的反馈控制直流调速系统的仿真模型并进行了结果分析。EquationChapter(Next)Section1第二章直流调速系统理论研究和方案确定2.1双闭环调速系统的工作原理图2-5双闭环调速系统的原理框图图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.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；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，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Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。双闭环直流调速系统的动态结构图．如图2-5所示。其中电力电力变可以看作是一个滞后环节，其传递函数为：。电流和转速反馈系数分别为2.2双闭环调速系统的动态分析2.2.1直流电机动态模型额定励磁下他励直流电动机的等效电路图如图2-3所示。图2-3直流电动机等效电路图由图2-3可以列出微分方程整理后得：(2-9)(2-10)式(2-9)(2-10)中：T1=L/R：电枢回路电磁时间常数GD2电力拖动运动系统部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2Ce=30/：电机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A。Tm=GD2R/375CeCm：电力拖动系统机电时间常数，单位为s。TL：包括电机空载转矩在内的负载转矩Idl=TL/Cm：负载电流将上述(2-9)、(2-10)式在零初始条件下进行拉氏变换，整理后可以得到额定励磁电流下直流电动机的动态结构图，如下图2-4所示。图2-4直流电机动态结构图2.2.2稳态结构图电流转速两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im。决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。系统的静态结构图如图2-7所示。a一转速反馈系数，一电流反馈系数图2-7双闭环直流调速系统的稳态结构在稳态运行时．两个调节器都不饱和。ASR的调节作用使转速跟随转速给定，ACR的调节作用使电流跟随电流给定。只要调节器输入端的反馈信号不等于给定信号，调节器的输出就会发生变化。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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问的联系，相当于使该调节环开环。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：当转速调节器不饱和：（2-11）可得关系式为：从而得到图2-8静特性的CA段。由于ASR不饱和，U*i<U*im，从上述第二个关系式可知：Id<Idm。这就是说，CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。当速度调节器饱和时：这时，ASR输出达到限幅值U*im，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电流闭环调节系统。稳态时，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。(2-12)上式描述的静特性是图2-6中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n<n0的情况，因为如果n>no，则Un>U*n，ASR将退出饱和状态。第三章双闭环直流调速系统的调节器设计3.1按工程设计方法设计双闭环系统的调节器3.1.1系统设计对象双闭环调速系统的实际动态结构图如下图3-1，它与前述的图2-9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。其中T0i—电流反馈滤波时间常数T0n—转速反馈滤波时间常数图3-1双闭环直流调速系统的动态结构图3.1.2系统设计原则系统设计的一般原则：“先内环后外环”，即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，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。3.2转速-电流调节器结构的确定一般说来典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗忧性能差。而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先考虑的问题，所以一般电流环多设计为Ⅰ型系统，电流调节器的设计应以此为限定条件，设计为PI调节器。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设计为Ⅱ型系统。在双闭环调速系统中，整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁时间常数Tl小很多，可将前两者近似为一个惯性环节，取Ti=Ts+Toi。这样，经过小惯性环节的近似处理后，电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型Ⅰ型系统，同理，经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象形式为W（s）=K/s(Ts+1)如前所述，转速环应设计成Ⅱ型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器。3.3.电流调节器设计3.3.1电流环结构图的简化在设计电流调节器时反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来麻烦。转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是（3-1）式中ωci—电流环开环频率特性的截止频率在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE≈0。这时，电流环如图3-2（a）所示。若把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/β,则电流环等效成单位负反馈系统,如下图3-2（b）所示。而Ts和T0i一般都比Tl小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为T∑i=Ts+Toi（3-2）简化的近似条件为（3-3）则最后可将电流环结构图小惯性环节近似处理，如下图3-2（c）所示。3.3.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-2（c）可以看出，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。图3-2（c）表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成（3-4）式中Ki-电流调节器的比例系数；ti-电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择（3-5）则电流环的动态结构图便成为图3-3所示的典型形式，其中（3-6）校正后电流环动态结构如图3-3所示，校正后电流环开环对数幅频特性如图3-4所示。图3-4校正后电流环开环对数幅频特性3.3.3电流调节器的参数计算其中式（3-4）给出，电流调节器的参数有：Ki和ti，其中ti已选定，见式（3-5），剩下的只有比例系数Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量si<5%，由附录表3-2，可选x=0.707，KIT∑i=0.5，则（3-7）再利用式（3-4）和式（3-5）得到（3-8）3.3.4电流调节器的实现模拟式电流调节器电路如图3-5所示。U*i—为电流给定电压；–bId—为电流负反馈电压；Ue—电力电子变换器的控制电压。图3-5含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器电流调节器电路参数的计算公式（3-9）（3-10）（3-11）3.3.5设计举例双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V.min/r，允许过载倍数λ=1.5；1)晶闸管装置放大系数Ks=40；2)电枢回路总电阻R=0.5Ω；3)时间常数：电磁时间常数Tl=0.03s；4)机电时间常数Tm=0.18s；5)调节器输入电阻R0=40kΩ；6）电流反馈系数:β=0.05V/A。设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量。（1）确定时间常数1)整流装置滞后时间常数Ts。按附录中表3-1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2)电流滤波时间常数:Toi=0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理。s(Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：σ%≤5%。可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的.其传递函数见式（3-3）检查对电源电压的抗扰性能:（3-12）参看附录表3-3的典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系，各项指标都可接受。（3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，参考附录表3-2，应取KI=0.5，有(3-13)ACR的比例系数:=(3-14)（4）校验近似条件电流环截止频率:ωci=KI=135.1s-11）晶闸管装置传递函数近似条件：(3-15)即(3-16)满足近似条件；2)忽略反电动势对电流环影响的条件：(3-17)即(3-18)满足近似条件；3)小时间常数近似处理条件：，(3-19)即(3-20)电流环可以达到的动态指标为：（参考附录表3-2），也满足设计要求。3.4转速调节器设计3.4.1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图3-3可知(3-21)若上式忽略高次项，上式可降阶近似为(3-22)近似条件(3-23)式中wcn—转速环开环频率特性的截止频率。将转速环接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为(3-24)这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。3.4.2转速调节器结构的选择转速环的动态结构用电流环的等效环节代替图3-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图3-6所示。图3-6转速环的动态结构图及其简化和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n（s）/，再把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中(3-25)转速环可简化为如图3-7所示。图3-7转速环等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中（见图3-7），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为(3-26)式中Kn—转速调节器的比例系数；—转速调节器的超前时间常数。调速系统的开环传递函数这样，调速系统的开环传递函数为(3-27)令转速环开环增益为(3-28)则(3-29)做以上校正后的典型II型系统结构如图3-8所示图3-8校正后成为典型II型系统3.4.3转速调节器参数的计算转速调节器的参数包括Kn和tn。按照典型Ⅱ型系统的参数关系。(3-30)(3-31)(3-32)参数选择至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择h=5（见附录表3-4）。3.4.4转速调节器的实现模拟式转速调节器电路如图3-9所示U*n—转速给定电压；–ɑn—转速负反馈电压；U*i—电流调节器的给定电压。图3-9含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器图中(3-33)(3-34)(3-35)3.4.5设计举例双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V.min/r，允许过载倍数λ=1.5；1)晶闸管装置放大系数Ks=40；2)电枢回路总电阻R=0.5Ω；3)时间常数：电磁时间常数Tl=0.03s；4)机电时间常数Tm=0.18s；5)调节器输入电阻R0=40kΩ；6）电流反馈系数:β=0.05V/A；7）转速反馈系数:=0.007V.min/r。设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：空载起动到额定转速时的转速超调量。1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数(3-36)（2）转速滤波时间常数Ton=0.01s(3)转速环小时间常数近似处理(3-37)2)选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则，在负载扰动点后已经有了一个积分环节，为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表3-4。3）选择调节器的参数按照随和抗扰性能都好的原则，取h=5（见附录表3-4）(3-38)转速开环增益：(3-39)ASR的比例系数：=(3-40)（4）近似校验转速截止频率为：(3-41)电流环传递函数简化条件：(3-42)满足简化条件（5）检验转速超调量当h=5时，由附录表3-4查得，，不符合线性系统的前提，不能满足要求。应按ASR退饱和的情况计算超调量。（6）按ASR退饱和的情况计算超调量:由以下公式计算：σn=2()()(3-43)式中z为负载系数，z=(3-44)空载启动时z=0，通过计算得(3-45)σn=8.31%<10%,满足设计要求。第四章双闭环直流调速系统仿真为了在研究中去获得合适的参数．本文用目前流行的MATLAB软件[10,16]对控制系统进行了仿真[]。仿真是在理想的情况下进行的，获得结果对研究分析系统可以得到相当好的帮助。在仿真模型的建立过程中，控制部分中的SIMULINK模块参数的设置比较困难，也很关键．为了获得比较好的仿真效果，为现实系统的实现提供设计依据，需要在仿真过程中不断调整参数，直到获得满意的效果。系统的仿真分为三个步骤，分别是：建模、设置参数、仿真及仿真结果分析。在建模的时候，首先要分析系统原理结构的每个细节，SIMULINK模块箱中找到合适的模块：然后进行参数设置，本设计中，已经进行了设计举例，可以根据设计举例建模。不断调整控制部分的参数，得到不同的仿真结构。4.1电流环系统仿真4.1.1电流环仿真模型下面就3.3.5节设计举例，建立电流环仿真模型如下图4-1所示。图4-1电流环仿真模型4.1.2饱和上限设置Saturation模块饱和上限设置对话框如下图4-2所示。图4-2Saturation模块饱和上限设置对话框4.1.3仿真结果PI参数是根据电流调节器设计举例计算的结果设定KT=0.5时电流环仿真结果如下图4-3所示图4-3电流环仿真结果KT=0.25时PI调节器的传递函数为电流环无超调仿真结果如下图4-4所示。图4-4无超调的仿真结果KT=1.0时PI调节器的传递函数为电流环超调量较大的仿真结果如下图4-5所示。图4-5超调量较大的仿真结果4.1.4仿真结果分析由图4-3可以看到系统的阶跃响应过程,图2-2典型的阶跃响应过程和跟随性能指标都可以在仿真记过中看到。由图4-4可以看到，当KT参数为0.25时，电流无超调量，上升时间较长。由图4-5可以看到，当KT参数为1.00时，电流超调量大，上升时间较短。比较三个图可以发现，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于=200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。4.2转速环系统仿真4.2.1转速环仿真模型下面就3.4.5节转速环设计举例，建立转速环仿真模型如下图4-6所示。图4-6转速环仿真模型图4-7Integrator模块参数设置4.2.2设置输入量个数SignalRouting组中选用Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope，如图下4-7所示。图4-7聚合模块对话框4.2.3仿真结果3.4.5节转速环设计举例ASR调节器传递函数为输入模块阶跃值设置为10时的系统仿真结果如图4-8所示。图4-8转速环空载高速起动波形图负载电流设置为137时仿真结果如下图4-9所示。图4-9转速环满载高速起动波形图如果在负载电流IdL(s)的输入端加上负载电流，利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真。空载运行过程中受到了额定电流扰动时的转速与电流仿真结果图下图4-10所示。图4-10转速环的抗扰波形图4.2.4仿真结果分析由图4-8仿真结果可以看到转速调节器经过了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，最终稳定在给定的转速不变。由图4-9可以看出：当把负载电流设置为137时，电机满载启动，此时启动时间较长，退饱和超调量减少。由图4-10转速环的抗扰波形图可以获知：当在负载电流Idl（s）的输入端加上负载电流时直流电机空载运行受到额定电流扰动时特性。通过三个图很好的说明了电机的运行特性。备注：MATLAB/SIMLINK各个模块的用途。Step:求取系统单位阶跃响应Sum:对输入信号进行求和Gain:对输入信号乘上一个常数增益Scope:在仿真过程中显示信号Saturation:对输入信号进行限幅Mux:把几个信号合并成向量形式TransferFcn:建立一个线性传递函数Integrator:对输入信号进行积分第五章总结转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，能更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高控制精度和效率。EquationChapter(Next)Section1致谢首先要感谢我的指导老师—樊明老师。在他的精心指导下，我顺利的完成了本次毕业设计。他一开始就为我们制定了周密的工作任务安排，每次都很认真的查看我们的工作进度，同时对于我提出的问题也给予了耐心的解答。这对于我工作的完成，既是鼓励，又是鞭策。我还要感谢同组的其他同学，跟他们一起讨论相关的课题，极大地拓宽了我的思路，并且能发现自己在某些内容上的欠缺。另外，我也深深的感受到了同学间的互相帮助和友谊。这也是我顺利完成毕业设计的一大动力。参考文献[1] 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Michaca．SartoriandPanos[J].AntsakliSImplementionofLearningControlSyStemUsing，1985附录表3-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67表3-2典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比ζ1.00.80.7070.60.5超调量σ0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间∞6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间∞8.3T6.2T4.7T3.2T相角稳定裕度68.6截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.569/T0.768/T表3-3典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(扰动作用下典型Ι系统，已选定的参数关系KT=0.5)55.5%33.2%18.5%2.83.43.814.721.728.755.5%33.2%18.5%表3-4典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定关系时）h345678910σ52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.42.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111