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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，电流内环跟随转
2、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 1.双闭环直流调速系统的组成 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者实行嵌套连接，如图一所示。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
3、变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面称为内环，转速环在外面，称作外环。这就形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。图 1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 2.双闭环的稳态结构图和静特性 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
4、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；（3）改变电枢回路电阻 R。对于要求在一定范围内无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
5、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 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220VU,额 定 电 流136IA；额 定 转 速n1460rpm,0.132min/eVrC，允许过载倍数1.5；晶闸管装置放大系数40sK；电枢回路总电阻0.5R；时间常数0.03,0.18lmssTT；电流反馈系数0.05/VA；转速反馈系数0.007min/Vr。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iT。按 小 时 间 近 似 处 理
6、 sTTTSOii0037.0 根据设计要求%5i，并保证稳态电流无差，可将电流环校成典型系统，典型系统的跟随性较好，超调量较小。设传递函数的形式为：ssKsWiiiACR1（2）计算电流调节器的参数 电流调节器的超前时间参数：sTli03.0 电流开环增益 ：要求%5时，应该取5.0iITK,因此：1.13521iITK STl03.0 013.1iK 03.0T 根据上述的设计参数，%5%3.4 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。221TTTTm 51 101 201 301%100maxbCC%tm/T tv/T 2.7 表 1 典型I 型系统动态抗扰性
7、能指标与参数的关系 （3）校验近似条件 电流环截止频率 11.135sKIci 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 ciSssT11960017.03131 满足近似条件。2）忽略反电动势对电流环影响的条件 lmciTT13，cilmsssTT182.4003.018.01313 满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件 oimciTT131 cioiSsssTT18.180002.00017.0131131 满足近似条件。转速调节器设计（1）确定时间常数 电流环等效时间常数11K。取5.0iITK，则：sTKi0074.00037.02211 sTon01.0 sTn174.00 设
8、计 PI 调节器，起传递函数为：ssKsWnnnASR1（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5h，则 ASR 的超前时间常数为：shTnn087.00174.05 进而可求得，转速环开环增益：2224.39621sThhKnN 可求得 ASR 的比例系数为：7.112)1(nmenRThTChK（3）校验近似条件 转速环截止频率为 1115.34087.04.396ssKKnNNcn 1）电流环传递函数简化条件为 iIcnTK31 cniIssTK117.630037.01.1353131，满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为 onIcnTK31，cnonIs
9、sTK117.3801.01.1353131，满足近似条件。三仿真 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Simulink 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
10、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，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。2.仿真步骤（1）打开 Matlab 软件，根据原理图将仿真所用模块拖入模块编辑窗口。（2）将模块合理摆放，并正确连接各模块。（3）设置各模块的参数。（4）点击菜单栏中运行按钮进行仿真。3.仿真结果（1）电流环的仿真 1 电流环的仿真模型如图 4 所示。图 4 电流环仿真模型 （2）KT=时，按 典 型系 统 的 设 计 方 法 得 到 的 PI 调 节 器 的 传 递 函 数 为 ssWpi77.33013.1，
11、可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如图5 所示。图 5 电流环的仿真结果 （3）KT=时，按典型系统的设计方法得到的 PI 调节器的传递函数为 ssWpi89.165067.0，可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形：图 6 电流环无超调输出波形 （4）KT=时，按典型系统的设计方法得到的 PI 调节器的传递函数为 ssWpi567.67027.2，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 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：sWASR48.1347
12、.11。空载起动时波形如图 9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：图 10 转速环满载高速起动输出波形（4）抗干扰性的测试：图 11 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ma
13、tlab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.电力电子技术及应用.北京大学出版社，2008 年 8 月 2翁瑞琪.袖珍电子工程师手册.机械工业出版社，2003 年 3 月 3王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社，2000 4陈坚.电力电子学(第二版).北京：高等教育出版社，2004 5阮毅，陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统机械工业出版社，2009年 8 月 6叶斌.电力电子应用技术M.北京：清华大学出版，2006