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1、1/17 摘要 直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速 X 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。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的
2、仿真。关键词：双闭环 直流调速系统 Simulink 仿真 2/17 目录 1 设计目的及意义 1 2 工作原理 4 2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理 4 2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析 5 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 6 2.4 双闭环直流调速系统的数学模型 7 2.5 调节器的具体设计 8 2.6 速度环的设计 10 2.7 双闭环直流调速系统仿真 11 3 心得体会 16 参考文献 17 3/17 双闭环调速系统调节器设计及 matlab 仿真验证 1 设计目的及意义 本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原
3、理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。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，使我们能够更好
4、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，提高其使用效率。4/17 2 工作原理 2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理 图 2.1 双闭环直流调速系统的原理图 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流
5、加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。5/17 2.2 双闭环直流调速系统
6、的静特性分析 分析静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，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的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压U 在稳态时总为零。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。（1）转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，0n*nnnUU （2-1）dIi*iUU
7、 （2-2）由第一个关系式可得：0*nnUn （2-3）从而得到图 2.2 所示静特性曲线的 CA 段。与此同时，由于 ASR 不饱和，miUUi可知mddII，这就是说，CA 段特性从理想空载状态的dI=0 一直延续到dmdII。一般都是大于额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。（2）转速调节器饱和 这时，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。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：mdmidIUI （2-4）其中，最大电流dmI取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的 AB
8、 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适6/17 合于0nn的情况，因为如果0nn,则nnUU,ASR 将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm*时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输出Uim*,这时,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.这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图 2.2 中虚线。图 2.2 双闭环直流调速系统的静特性 2.3 双闭环直流调速系统的
9、稳态结构图 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图 2-6 所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。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。7/17 图 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 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。2.4 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
10、的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构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框图中必须把电枢电流 Id 显露出来。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图 2.4双闭环直流调速系统的动态结构框图 8/17 2.5 调节器的具体设计 本设计为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：1)晶闸管装置放大系数 Ks=75;2)电枢回路总电阻 R=0.14;3)时间常数：电磁时间常数 TL=0.031s;4)机电时间常数 Tm=0.112s;5)允许过载倍数=1.5;设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量%5%i；空载起动到额
11、定转速时的转速超调量%10%n。计算反馈关键参数：)min(02667.037510n*UnomimrV (3-1)AV0877.00760.5110IUn*im (3-2)（1）确定时间常数 整流装置滞后时间常数；Ts=0.0017s。电流滤波时间常数:Toi=0.002 s（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）。按小时间常数近似处理。7300.0iosiTTT(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：i%5%，且 78.
12、38037.0031.00TTil10 可按典型型设计电流调节器。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.9/17（3）选择电流调节器的参数 ACR 超前时间常数0.031siiT；电流环开环时间增益:11.1350037.05.05.0ssTKii (3-3)ACR 的比例系数:0.898590.0087750.140.031135.1KRKKsiIi (3-4)（4）校验近似条件 电流环截止频率:ci=Ki=135.1S-1 1）晶闸管装置传递函数近似条件：sT31ic (3-5)即 1.1351.1960017.03131sTs (3-6)满足近似条件；2)忽略反
13、电动势对电流环影响的条件：,13lmciTT (3-7)即 1ml50.91s.112031.0013TT13ci (3-10)10/17 电流环可以达到的动态指标为：%5%3.4%，也满足设计要求。2.6 速度环的设计 1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 s0074.00037.0221i1TK (3-11)（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 s174.001.00074.00TT2Tonin (3-12)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
14、分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计 PI调节器。典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。3）选择调节器的参数(按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取 h=5）s87.00174.005hTnn (3-13)转速开环增益：2222n2N.4s396174.005215T2h1hK (3-14)ASR 的比例系数：1.516174.004.102667.005212.102.810877.006RTh2TC1hKnmen）（(3-15)（4）近似校验 转速截止频率为：1nN1Ncn.5s3487.00.4396KK (3-16)11/17 电流环传递函数简
15、化条件：cnisT105.540037.05151 (3-17)（5）检验转速超调量 当 h=5 时，%6.37n,不能满足要求.按 ASR 退饱和的情况计算超调量:%,2.81%maxbCC，minrndn532.204.10760CRIn满足设计要求。2.7 双闭环直流调速系统仿真 双闭环直流调速系统的电流环仿真图如图 2.5 所示：图 2.5 双闭环调速系统的电流环仿真框图 12/17 仿真结果如下：图 2.6ACR 输出电压波形 图 2.7ASR 输出电压波形 13/17 图 2.8 启动电流波形 图 2.9 直流电压dU波形 14/17 图 2.10 启动转速波形 双闭环直流调速系统
16、（nId）稳定运行时，在有 ACR 限幅值时的波形图如上所示。可以看到对于起动转速、起动电流和直流电压dU的波形在 1s3s 间有波动。当有 ACR 限幅值时，在转速调节阶段，当转速上升到给定值0nn 时，转速调节器 ASR 的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还在维持在限幅值imU，所以电动机会继续加速，使转速超调。转速超调后，ASR 输出偏差电压变负，使它开始退饱和状态，iU和dI很快下降。但是，只要dI仍大于负载电流dLI，转速就继续上升。直到dI=dLI时，转矩LeTT，则0/dtdn，转速 n 才到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，于此相对，在后一时刻，dLdII，直
17、到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在图中可以看出，其振荡都很微小。从 ASR 的仿真波形图可以看到其电压的输出先要经过一个直线上升然后保持在平稳的最大值。ACR 的仿真波形图则经过了开始阶段的很快的急速上升波动最后再趋于稳定值。以上分析表明，利用 matlab 仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。15/17 图 2.11 直流电压dU波形 16/17 3 心
18、得体会 通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。17/17 参考文献 1 阮毅，陈维钧.运动控制系统.清华大学，2002 2 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2 版）.机械工业出版，1991 3 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.机械工业，1997 4 胡崇岳.现代交流调速技术.机械工业，2001 5 李友善.自动控制原理，：国防工业，1981.6 周渊深.交直流调速系统与MATLAB 仿真.：中国电力，2004.7 陈国呈编著.PWM 变频调速及软件开关电力交换技术.：机械工业，2001.8 陈伯时.双闭环调速系统的工业设计（讲座）.冶金自动化.1983（1）.9 赖寿宏.微型计算机控制技术，：机械工业，1999.