双闭环直流调速系统课程设计报告书

1、引言直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流 检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和 转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件 的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流 和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要 作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳 态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而 变化，电流

2、内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特 性。一. 设计目的1. 了解自动控制系统学科。2 .学习绘画双闭环直流调速系统的动态和稳态结构框图。3. 掌握双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 。4. 体会参数设计的过程及工程设计方法的基本思路 。5. 利用MATLAB仿真。二. 直流调速系统设计图2双闭环直流调速系统的稳态结构图转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值 ,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电压 ，当调节器饱和时，输出达到限幅 值，输入量的变化不再影响输

3、出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节 器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为 零。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱 和状态。3. 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图如图 3所示，图中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，在电动机的动态结构图中必须把电枢电流 Id 显露出来。图3双闭环直流调速系统的动态结构图4. 双闭环直流调速系统的调速方法调节转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通门；（3）改变电枢回路电阻Ro对于要求在一定范围内无

4、级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此， 自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。5. 电流环、速度环的设计5.1初始条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压u =220V ,额定电流I =136A ；额定转速n =1460rpm , Ce =0.132V min/ r，允许过载倍数 =1.5 ；晶闸管装置放大系数Ks=40 ；电枢回路总电阻 R =05；时间常数Ti =0

5、03s,Tm =0.18s ；电流反馈系数飞-0.05V /A ；转速反馈系数、-0.007V min/r。5.2电流调节器的设计（1）确定时间常数。电流环小时间常数之和T。 按小时间近似处理K-i -TOi Ts =0.0037s根据设计要求6空5%，并保证稳态电流无差，可将电流环校成典型I系统，典型I系统的跟随性较好，超调量较小。设传递函数的形式为：Wacr s 二Ki is 1is（2）计算电流调节器的参数电流调节器的超前时间参数：“ =T| = 0.03s电流开环增益：要求二乞5%时，应该取KiT =0.5,因此:1 Ki135.1 T广 0.03S2T'iKi =1.013

6、T =0.03根据上述的设计参数，匚=4.3% :：: 5%参照表1的典型I型系统动态抗扰性能，各项 指标都是可以接受的。T1T1111m =T2T25102030C maxCb=<100%55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.02tv / T14.721.7.730.4表1典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（3）校验近似条件电流环截止频率cKI = 135.1s，1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件13Ts=196sJ c3 0.0017s满足近似条件。2）忽略反电动势对电流环影响的条件二 40.82s J心rr"3而满足近似条件。3

7、) 电流环小时间常数近似处理条件1 rr 1 =180.8s3 TSToi3 卡 0.0017s x0.002s满足近似条件。5.3转速调节器设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数K1取KiT = 0.5,贝上12乃=2 0.0037 = 0.0074s K1Ton = 0.01STn = oo.174s设计PI调节器，起传递函数为：Wasr S =Kn nS 1nS(2)计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性都较好的原则，取h=5 ,则ASR的超前时间常数为：n 二 hT*5 0.0174 =0.087s进而可求得，转速环开环增益:Kn=h2 J = 396.4s， 2h2g可求得ASR的比例

8、系数为：Kn(h "顷十了2h： RT5（3）校验近似条件转速环截止频率为-'cn乞=Kg =396.4 x0.087s=34.5s-1）电流环传递函数简化条件为-'cnKi 1135.1 s丄=63.7s cn，满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为3 .Ton1 Ki J 135.1sJ . 38.7sJ cn，满足近似条件。3Ton 一3，0.01三.仿真1.Matlab 简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业 数学软件,用于算法开发、数据可视 化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和 Simuli

9、nk两大部分。MATLAB是matrix&laboratory 两个词的组合,意为矩阵工厂（矩 阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高 科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建 模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程T150100/10 00f0.010.0Q50.090.0350.0450.05Time offset图5电流环的仿真结果(3) KT=0.25时，按典型系统的设计方法得到的

10、PI调节器的传递函数为Wpi s；=0.5067 16.89，可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形s200180-1S0140120100so-20i-0.010.0150.020.0250.030.035004D0450.05Time ollsst: 0图6电流环无超调输出波形(4)KT=1.0时，按典型系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为Wpi s =2.027 67567s ,可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形：图7 电流环超调较大输出波形3.2转速环的仿真（1）转速环的仿真模型如图8所示图8转速环仿真模型(2) PI调节器按照计算出来的结果：Wasr "1.7 1

11、34.48。空载起动时波形如图9s所示。图9转速环空载起动输出波形(3) 满载运行时起动的波形：16UU14»1200800200rroMime offset1800T1E0014001GD0EOQ6Q0000.5Time offsetZoom Y-axiiAutoscale(4)抗干扰性的测试图10转速环满载高速起动输出波形转速环的抗干扰输出波形四. 设计结果通过对电流调节器和转速调节器的设计，合理的选择参数，由所得的仿真结果图形可以看到，设计结果满足设计要求。五. 设计心得这次课程设计中，我们学到了许多课堂上学不到的东西，尤其是在Matlab仿真上 面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多时间和精力。本次课程设计让我对 电力拖动自动控制系统 -运动控制系统的核心内容-转 速、电流反馈控制直流调速系统有了更深的理解，对典型I系统设计加深了认识。通过 matlab的仿真，使我对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象 。课程设计是对我们在这学期学到的电力拖动自动控制系统这门课的理论知识的一个综合测评，是对我们将理论结合时间的综合能力的考查，是培养我们发现问题、解决问题的能力，是激发我们内在创新意识的途径。通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较 薄弱，及时查漏补缺。六. 参考文献1 张润和