双闭环直流调速控制系统仿真

1、题目：双闭环直流调速控制系统仿真目录第一章概述-2-1.1仿真意义-2-1.2本设计内容及要求-3-第二章双闭环直流调速系统的工作原理-4-双闭环直流调速系统的介绍-4-双闭环直流调速系统的组成-5-双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性-6-双闭环直流调速系统的起动过程分析-7-双闭环直流调速系统的动态性能分析-9-双闭环直流调速系统的动态性能指标-11-双闭环直流调速系统的频域分析-13-第三章双闭环直流调速系统的数学模型-15-1直流电动机建模-15-1晶闸管触发和整流装置传递函数-18-1按工程设计方法设计双闭环系统调节器-19-1电流调节器的设计-20-1转速调节器的设计-24-第四

2、章SIMULINK环境中的系统建模、仿真结果及分析-28-电流环的MATLAB计算及仿真-29-电流内环的SIMULINK动态结构图-29-电流环阶跃响应的MATLAB计算及仿真-30-电流环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真-32-电流环频域分析的MATLAB计算及仿真-33-转速环的MATLAB计算及仿真-34-转速外环的SIMULINK动态结构图-35-转速环阶跃响应的MATLAB计算及仿真-35-转速环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真-37-转速环频域分析的MATLAB计算及仿真-39-第五章结论-40-参考文献错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。附录错误!未定义书签。第

3、一章概述仿真意义对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统， 一般不允许对设计好的系统直接进行实验。 然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的。 因此就必须对其进行模拟实验研究。 当然有些情况下可以构造一套物理装置进行实验， 但这种方法十分费时而且费用又高， 而且在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。 近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。但是长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种

4、仿真算法和仿真软件。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink,则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLBA中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。直流电机具有良好的起制动性能，易于在较广范围内平滑调速，在许多高性能可控电

5、力拖动系统中得到广泛应用，如轧钢机、龙门刨床、高层电梯、高精度机床等。直流调速系统在理论上与实践上都比较成熟， 从反馈闭环控制的角度来看， 它又是交流调速的基础， 但是双闭环调速，双闭环可逆直流调速系统结构复杂，在研究和设计的过程中，许多参数的选择需要反复调试，运用计算机仿真技术对系统进行仿真， 将会为研究和设计工作提供有力的支持， 在计算机仿真系统时，可以方便地对参数进行设置，得到合理的参数组合，为系统的实现提供条件。本设计内容及要求本课题主要是对双闭环直流调速系统进行设计，在Simulink环境中对双闭环直流调速系统进行辅助设计，具体内容有：对电流调节器和转速调节器进行工程设计；在Simu

6、Link环境中对电流环和转速环进行时域和频域分析； 对调速系统进行跟随性和抗扰性分析。 直流调速系统是一个复杂的运动控制系统， 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，系统调试困难。随着计算机技术的发展，在软件和硬件方面提供了良好的设计平台。此次论文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。利用Simulink中仿真功能对系统进行了仿真，仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环直流调速系统设计和调试强度。第二章双闭环直流调速系统的工作原理双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经

7、济，适用的电力传动系统。 它具有动态响应快、 抗干扰能力强的优点。 我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。 但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流屋,值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负

8、反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2-1b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程b）理想快速起动过

9、程实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者

10、之间实行审级连接，如图2-2所示，即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品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。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2-2转速、电流双闭环直流调速系统ASR一转速调节器ACR

11、电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图2-3,分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握UnUiUiJL-ASR外环TAACRUcUPE环LIdUdTGPI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值；不饱和一一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是为零。图2-3双闭环调速系统的稳态结构图一转速反馈系数一电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来

12、说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。.转速调节器不饱和此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即*UnUnA*UiUiId*由UnUnn得：no*从而得到图2-4静特性的CA段。ASR不饱和,UiU防福：IdIdm,CA段静特性从理想空载状态Id0一直延续到IdIdm,而Idm一股都大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是一条水平特性。.转速调节器饱和.一.*此时，ASR输出达到限幅值Uim,转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时有：*IId1dm从而得到图2-4静特性的AB段。双闭环调速系统的静特性在负载电

13、流小于Idm时表现为转速无静差， 转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达Idm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。IdNIdmId图2-4双闭环调速系统的静特性双闭环直流调速系统的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，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流*调速系统突加给定电压Ui由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图2-5所示由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段（0

14、t1）是电流上升阶段。.*.突加给定电压Un后，通过两个调节器的跟随作用，使Uc、Ud。、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流IdL之前，电动机还不能转动。当IdIdL后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏*差电压UnUnUn的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim,强迫电枢电流.*、一、Id迅速上升。直到IdIdm,UiUim，电流调节器很快就压制了Id不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段（t1t2）是恒流升速阶段。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，AS

15、R始终是饱和的，一一*转速环相当于开环，系统表现为恒值电流给定Uim作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图2-5）0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，E是一个线性渐增的扰动量。 为了克服这个扰动，Ud。和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压一一一一*一一.UiUimUi必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idmo此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和第III阶段(t2以后)是转速调节阶段。*当转速上升到给定

16、值nn。时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其一一.*.输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim,所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，输出.一.电压Ui和主电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL,转速将在一段时间内继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL,则dn/dt=0,转速n才能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流出现一段小于IdL的过程，直到稳定。双闭环直流调速系统起动过程的三个特点：(1)饱和非线性控制当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AS

17、R不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差系统，而电流内环则表现为电流随动系统。(2)转速超调由于PI调节器的特性，只有使转速超调，即在转速调节阶段，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和。所以采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。(3)准时间最优控制在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动，即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。双闭环直流调速系统的动态性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态跟随性能和动态抗扰性能两种。其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要，它主要表现为抗负载扰动和抗电网电压扰动

18、。（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。在设计ACR时，应强调具有良好的跟随性能。（二）动态抗扰性能.抗负载扰动由图2-6a可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节ASR来产生抗负载扰动的作用。在突加（突减）负载时，必然会引起动态速降（速升）。为了减少动态速降（速升），所以要求ASR具有较好的抗扰性能。-IdL?Ud-IdLb）图2-6直流调速系统的动态抗扰作用a）单闭环系统b）双闭环系统士？U电网电压波动在可控电源电压上的反映由于电网电压扰动和负载

19、扰动在系统结构图中作用的位置不同，系统对它们的动态抗扰效果就不同。如图2-6b所示的双闭环系统中，电网电压扰动Ud和负载扰动1儿都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。从动态性能上看，负载扰动IdL作用在被调量n的前面，可以通过测速发电机检测出来，使负载扰动通过转速负反馈得到及时调节。而电网电压扰动作用在离被调量n更远的位置， 转速调节器ASR不能及时对它进行调节， 但是因为它作用在被电流负反馈环包围的前向通道上，使电压波动可以直接通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能高。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态

20、变化比起单闭环系统小得多。双闭环直流调速系统的动态性能指标自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标两类。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。(一)跟随性能指标在给定信号或参考输入信号R的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的输出量动态响应称作阶跃响应，如图2-7所示。图2-7典型的阶跃响应曲线和跟随性能指标一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值C的偏差越小

21、越好，达到C的时间越短越好。常用的阶跃响应跟随性能指标下列各项：.上升时间t.图2-7绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的C是输出量C的稳态值。在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到C所经过的时间称作上升时间，它表示动态响应的快速性。.超调量与峰值时间tp在阶跃响应过程中，超过t,以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间tp时达到输出量最大值Cmax,然后回落。Cmax超过稳态值C的最大偏离量与稳态值之比,用百分数表示，叫做超调量，即超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。.调节时间ts调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。理论上，线性系统的输

22、出过渡过程要到t才稳定，但实际上由于存在各种非线性因素，过渡过程到一定时间就终止了。 为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间， 认定稳态值上下（或取芝）的范围为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。（二）抗扰性能指标控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量F以后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，如图2-8所示。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。.动态降落Cmax%系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落值Cmax称作动态降落。一般用Cmax占输出量

23、原稳态值C1的百分数CmaxC1100%来表示（或用某基准值Cb的百分数CmaxCb100%来表示）。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值C2,(C1C2)是系统在该扰动作用下的稳态降落，即静差。动态降落一般都大于稳态误差。调速系统突加额定负载时转速的动态降落称作动态速降nmax%。.恢复时间.从阶跃扰动作用开始， 到输出量基本上恢复稳态， 距新稳态值C2之差进入某基准值Cb的CmaxC100%(或取苣)范围之内所需的时间，定义为恢复时间却，见图2-4b。其中Cb称作抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。如果允许的动态降落较大，就可以新稳态值C2作为基准值。如果允许的动态降落较小，则

24、按进入%C:范围来定义的恢复时间只能为零，就没有意义了，所以必须选择一个比新稳态值更小的Cb作为基准。土5%;或2%)L常图2-8突加扰动的动态过程和抗扰性能指标2.7双闭环直流调速系统的频域分析在设计校正装置时， 主要的研究工具是伯彳惠图(BodeDiagram)如图2-9所示,即开环对数频率特性的渐近线。它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。正因为如此，伯德图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。在定性地分析闭环系统性能时，通常将伯德图分成低、中、高三个频段，频段的分割界限是大致的，从上图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这

25、些特征包括以下四个方面：图2-9典型的控制系统伯德图(1)中频段以20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度,则系统的稳定性好。(2)截止频率(或称剪切频率)c越高，则系统的快速性越好。(3)低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。(4)高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。设计时往往须在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中

26、，才能获得比较满意的结果。在伯德图中，稳定裕度是衡量最小相位系统稳定程度(即相对稳定性)的重要指标，稳定裕度包括以分贝表示的增益裕度GM和相角裕度一般要求：GM6dB、=3060保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统在各环节参数发生变时不致使系统失去稳定。稳定裕度也能间接地反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程振荡、超调小。第三章双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图3-1所示。图中WASR(S)和WACR(S)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在

27、电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。图3-1双闭环直流调速系统的动态结构框图3.1直流电动机建模品闸管直流电机双闭环调速系统结构框图(V-M系统)， 如图3-1所示。 图中他励直流电机数据有：Pnom=10kW,Unom=220V,Inom=53.5A,nnom=1500r/min,电枢电阻Ra a=0.31Q,Q,回路总电阻R=0.4，回路总电感L=5.12mH,运动部分的飞轮惯GD2 2=7Nm2 2,允许的过载倍数1.5,晶闸管的放大系数为KS30。他励直流电机在额定励磁下的等效电路如图3-2,其中电枢回路的总电阻R包括电力电子器件内阻、电枢电阻以及主电路中接入的其他电阻；

28、电感包括电感L和主电路中接入的电感，规定的正方向如图3-1所示假定主电路电流连续，则动态电压方程为：Ud0RIdL迫E(3-1)dt如果忽略粘性磨榛及弹性转矩，电机轴上动力学方程为:GD2 2dn额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为：ECen(3-3)TeCmId(3-4)式中一包括电机空载转矩在内的负载转矩(Nm);GD2电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(Nm2);Ce电机额定励磁下的转矩系数；UIRa22053.30.31Ce- -jnomjnomnom-Vmin/r=0.1356Vmin/r；n nnom15001500V额定励磁下电动机转矩系数，品=4=失詈6=1.3m/A再定义

29、下列时间常数:Tl-电枢回路时间常数，Tl=L=0.00512=0.0128sR0.4代入式(31)和式(32),并考虑式(33)和式(34),整理后得_d1dUd0ER(IdTl-)(3-5)dtIdIdLTmdE(3-6)Tm电力拖动系统机电时间常2二GD2 2R=70.4-375CeCm-3750.13561.2950.042$TeTL375dt(3-2)图3-2他励直流电机在额定励磁下的等效电路Rdt在零初始条件下，取等式两边的拉式变换，得到电压与电流的传递函数:电流和电动势的传递函数:式（3-7）和式（3-8）的动态结构框图分别画在图3-3a、b中。把两图和在一起，并考虑到nE/Ce

30、,即得额定励磁下直流电动机的动态结构框图，如图3-1c所示。由图3-1可看出，直流电机有两个输入量，一个是加在电枢上理想空载电压Ud0,另一个是负载电流IdL。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。c)图33额定励磁下直流电动机的动态结构框图a）电压电流间的结构框图b）电流电动势间的结构框图c）直流电动机的动态结构框图式中，IdL为负载电流（A）,IdLCmId(s)Ud0(s)E(S)詈(3-7)E(S)Id(s)Idl(s)R(3-8)TmSUd0+OnUnTls1Id(s)IdL(s)TmsE(s)Cea)b)3.2晶闸管触发和整流装置传递函数在进行调速系统的分析设计时，可把晶闸管触发和整

31、流装置当作系统中的一个环节看待。动态过程中晶闸管触发和整流装置看成是一个纯滞后环节，具滞后效应是由晶闸管失控时间引起的。各种整流电路失控时间可参考表3-1。相对整个系统的响应时间，Ts是不大的，在一般情况下，可取平均值Ts1/2Tsmax,并认为是常数。表3-1各种整流电路的失控时间（f50HZ）整流电路形式最大失控时间Tsmax/mssmax平均失控时TS/ms单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67若用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入输出关系为UdoKsUc1(tTs)利用拉氏变换的位移定理，则晶闸管装置传递函数为K

32、s1221331Tss-TssTss2!3!考虑到Ts很小，可忽略高次项，则传递函数可近似成一阶惯性环节Ws(s)Udo(s)Uc(s)KseT Tss s(3-9)由于式（3-9）包含指数函数eTss,它使系统成为非最小相位系统。为了简化现将该指数函数按台劳级数展开，则式（3-9）变成TsWsKsesKsTsesKs“Ws(s)3-10)1TsS其动态结构框图示于图3-4a)b)图3-4晶闸管触发与整流装置动态结构图a）准确的b）近似的3.3按工程设计方法设计双闭环系统调节器本节将运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。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开

33、始，逐步向外扩展。在双闭环系统中应该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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图3-5所示，框图中给出了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了使它不影响调节器的输入，增加了低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数乙按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而在滤平交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这一作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节，让给定信号和反馈信号经过相同的延迟，是二者在

34、时间上得到恰当的配合，从而得到设计上的方便。图3-5转速双闭环系统的动态结构框图Toi电流反馈滤波时间前数，/41Ton转速反馈滤波时间常数由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向波纹，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ln表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为兀的给定滤波环节。电流调节器的设计（一）电流结构框图的化简在图3-2电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给实际工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数T1远小于电机时间常数Tm,因此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

35、的扰动，在电流瞬间变化过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0。这样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像，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图3-6a所示可以证明忽略反电动势对电流环作用的近似式中的Wci电流环开环频率特性的截至频率。条件是wci3Tm；(3-11)Uc(s)Ks/Rld(s)(Tis1)(s1)c)图3-6电流环的动态机构框图及其化简a)忽略反电动势的动态影响b)等效成单位负反馈系统c)小惯性环节近似处理如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都都等效的移到环内，同时把给定信号改成Uj(s)/,则电流环便等效成单位负反馈系统，如

36、图(3-6b)所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值的方便之处。最后，由于Ts和Ta一般比Ti小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，具时间常数为=TsToi(3-12)则电流环结构框图最终化简成图3-6c,简化的近似条件为wci-i-L-(3-13)3TsToi(二)电流环的结构选择首先考虑应把电流环校正成那一类典型系统。从稳态要求看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图3-6c可以看出，采用典I型系统就够了。再从动态要求上看，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。因此，电流

37、环以跟随性能为主，即应选用典I型系统。图3-6c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要矫正成典I型系统，显然应采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成WACR(s)=Ki(is1)(3-14)is式中Ki电流调节器的比例系数；i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iT,(3-15)则电流环的动态结构框图便成为图3-7a所示的典型形式，其中ACRKiKsKF图3-7b绘出了校正后电流环的开环对数频域特性。（三）电流调节器的参数计算由式（3-14）可以看出，电流调节器的参数是K和其中已选定，见式（3-15）待定的只有比例系数K,可根据所需的动态性能指标选取

38、。在一般情况下，希望电流的超调量i5%由表3-2,可选0.707,KITi0.5,则1KI=wci=(3-16)Icici2Ti再利用式(3-16)和(3-15)得到Ki=TlR=(三)2KsTi2KSTi表3-2典型I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KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%Ui(s)仆_KIs(TiS1)Id(s)a)上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tDp8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率wcc

39、0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T增加参数：电流反馈系数0.072V/A;设计要求：设计电流调节器，要求超调量i5%0.确定时间常数1)整流装置滞后时间常数TS,参考表(3-1)三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017so2)电流滤波时间常数Ti。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有(12)Toi3.3ms,因止匕取Toi=2ms=0.002s。3)电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取TS+%=0.0037s。.根据设计要求i5%,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因

40、此可用PI型电流调节器，其传递函数见式(3-14)。检查对电源电压的抗扰性能：TI/Ti0.0128s/0.0037s3.49,参照典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。.计算电流调节器参数电流环调节器超前时间常数：iTI0.0128s0电流环开环增益：要求i5%时，取KJi0.5,因此KI0.5/Ti0.5/0.0037135.1s1 1于是，ACR的比例系数为KiKIiR/(KS)=135.10.01280.4/300.072=0.32.检验近似条件：电流环截止频率：DKI135.1s1 1o o1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件：1/(3TS)1/(30.0017s)196

41、.1s满足近似条件；2)忽略反电动势对电流环动态影响的条件：.1t,31/(TmT)3J1/(0.042S0.0128s)129.4sci满足近似条件。3)电流环小时间常数近似处理条件：36dB,=3060,可见电流环有足够的稳定裕量，其频域性能是优良的。转速环的MATLAB+算及仿真转速换动态结构若干考虑转速环按典型II型系统设计，转速调节器选择比例积分调节器，其传递函数为:Js1W WASR(s)=Kpn-,Tn0.08670.0867,*与电流环添加低通滤波器措施一样，在转速环反馈通道与给定信号通道都添加了滤波惯性环节，其传递函数为：,式中Ton=0.01s是根据所用测速发电机纹Tons

42、1波情况选定。京11廿。-“口MOMO转速外环的SIMULINK动态结构图在SIMULINK下建立转速环的动态结构图4-8:图4-8带参数双闭环系数的Simulink动态结构图模型mx011.mdl图4-8中，有电动机的电势内反馈。图中最左端是系统的给定输入，最右端是系统的输入量，即被调量一电机转速。为了讨论系统的动态扰动性能，与电流环一样，也设置了两个扰动信号作用点。 扰动信号1指代如负载变化引起的扰动； 扰动信号2指代诸如电网电压的波动变化引起的扰动以及晶闸管整流与移向触发装置参数变化所引起的扰动等。转速环阶跃响应的MATLA时算及仿真转速环的校正主要是对转速调节器的参数Kp以及对晶闸管触发和整流装置的p p放大倍数Ks进行校正。校正前Kp=55.3,Ks=100,转速调节器的传递函数为：TnS10.08671WASR(s)=K Kp=八八cccc，Tn0 0.08670867Tns0.00328s构成动态结构图模型mx011.mdl;校正后Kp=5.3,Ks=30,转速调节器的传递函数为：Tns10.0867s1WASR(S尸K Kp=，Tn0 0.08670867Tns0.0