一、填空题
1．双闭环的调速系统的特点是：利用（ASR 的饱和非线性）实现了（“准时间最优”）控制，同时带来了（转速超调）。
2．在设计双闭环系统的调节器时，先设计（内环的ACR ），然后设计（外环的ASR ）。
3．在双闭环调速系统中，电流调节器主要是对（电网电压波动）起调解作用；而转速调节器主要是对（负载扰动）起抗扰调节作用。
4．变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢电压常用的三种可控制电源分别为（旋转变流机组）、（静止可控整流器）及（脉宽调制器和直流斩波变换器）。
5．直流电动机的调速方法有三种，即为（改变电枢电压调速）、（弱磁调速）和（电枢回路串电阻）调速。
6．直流调速系统的静态技术指标有（调速范围D ）和（静差率S ），它们的表达式分别为（max min n D n =）和（min cl o n s n ?=），它们之间的关系式为（(1)nom nom
n s D s n =-?）。 7．脉中宽度调制简称(PWM)，它是通过功率管开关作用，将（恒定直流电压）转换成频率一定，宽度可调的（方波脉冲电压），通过调节（脉冲电压的宽度），改变输出电压的平均值的一种变换技术。
8．调速控制系统是通过对（电动机）的控制，将（电能）转换成（机械能），并且控制工作机械按（给定）的运动规律运行的装置。
9．用（直流电动机）作为原动机的传动方式称为直流调速，用（交流电动机）作为原动机的传动方式称为交流调速。
10．电气控制系统的调速性能指标可概括为（静态）和（动态）调速指标。
11．在电动机微机控制系统中，电动机是（被控对象），微型计算机则起（控制器）的作用。
12．总的来说，在电动机微机控制系统中，计算机主要完成（实时控制）、（监控）和（数据处理）等工作。
13．模拟信号到数字信号转换包括（采样）和（量化）两个过程。
14．PID 控制中P 、I 、D 的含义分别是（比例）、（积分） 和（ 微分）。
15．脉冲式传感器检测转速的方法有（M 法测速）、（T 法测速）和（M/T 法测速）。
16．从系列数据中求取真值的软件算法，通常称为（数字滤波算法）。
17．与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是（离散化）和（数字化）。
18．数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：1. 数模混合控制系统 2. 数字
电路控制系统3. 计算机控制系统
19．常规PID 控制算法中可分为（位置式PID 算法）和（增量式PID 算法） 。
20．微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构主要包括以下部分：（主电路）、（检测电
路）、（控制电路）、（给定电路）和（显示电路）。
二、判断题
1．双闭环调速系统中，给定信号Un不变，增加转速反馈系数α，系统稳定运行时转速反馈电压Ufn不变。√
2．双闭环调速系统稳态运行时，两个PI调节器的偏差输入均不为零。×
3．I型系统工程最佳参数是指K=1/（2T）或ξ=0. 707。√
4．双闭环调速系统的设计过程中，一般把h=4定义为按M
法设计的“三阶工程最佳”
p（min）
参数配置。×
5．在双闭环调速系统的设计过程中，若按“三阶工程最佳”设计系统时，系统的超调量为%。√
6．在设计双闭环调速系统时，应先设计转速调节器再设计电流调节器。×
7．在双闭环系统调试中，若两个调节器采用PI调节器，Uim固定，想得到恒定的电流Idm只需调节转速反馈系数α即可。×
8．在双闭环系统调试中，若两个调节器采用PI调节器，Unm固定，想得到固定的转速n 只需调节β即可。×
9．转速单闭环调速系统当给定输入变化时，输出转速不变化。×
10．积分或比例积分调节器的输出具有记忆和保持功能。√
11．转速单闭环有静差系统与无静差系统的主要区别是看调节器采用什么类型。√12．闭环系统的静特性与开环系统的机械特性比较，其系统的静差率减小，稳速精度变低。×
13．转速闭环系统对一切扰动量都具有抗干扰能力。×
14．实际工程中，无静差系统动态是有静差的，严格的讲“无静差”只是理论上的。√15．积分调节器输入偏差电压为零时，其输出电压也为零。×
16．在双闭环调速系统的设计过程中，若按“I型系统工程最佳”设计系统时，系统的超调量为5%。×
17．在双闭环调速系统中，电流调节器对负载扰动没有抗扰调节作用。√
18．双闭环调速系统中，电动机起动过程主要是转速调节器起作用；稳定运行过程主要是电流调节器起作用。×
19．双闭环调速系统中，ASR的输出量U*i是由其输入给定电压U*n和转速反馈电压Un决定的。×
20．在双闭环调速系统的设计过程中，通常将电流环校正为I系统，将转速环校正为II 型系统。√
21．双极性可逆PWM变换器中的占空比 =0时，电机停止，即电枢两端的瞬时电压、电流为零。×
22．数字控制器用于实时、在线控制方式，因此必须采用简单、可靠和足够精确的方法来实现。（√）
23．数字控制器用于实时、在线控制方式，因此其算法越先进、越复杂越好。（×）24．位置式PID算法比增量式PID算法更容易产生积分饱和现象，且不便于计算机编程，
所以工程实践中已很少采用了。（√）
25．微机控制直流脉宽调速系统中，转速、电流调节主要是软件定时中断完成的。√
三、选择题
1．限止电流冲击的最简单方法是采用（B ）
（A ）转速微分负反馈 （B ）电流截止负反馈
（C ）电压负反馈 （D ）带电流正反馈的电压负反馈
2．双闭环调速系统中，在恒流升速阶段时，两个调节器的状态是（A ）。
（A ）ASR 饱和、ACR 不饱和 （B ）ACR 饱和、ASR 不饱和
（C ）ASR 和ACR 都饱和 （D ）ACR 和ASR 都不饱和
3．在双闭环调速系统稳态特性的平直段，ASR 工作在（A ）状态、ACR 工作在（A ）状态；而在双闭环调速系统稳态特性的下垂段，ASR 工作在（C ）状态、ACR 工作在（B ）状态
（A ） ASR 工作在线性状态 （B ）ACR 工作在线性状态
（C ） ASR 工作在限幅状态 （D ）ACR 工作在限幅状态
4．在PWM 技术中，改变占空比ρ值，可以实现调压的目的，试选择：T on 保持一定，使T off 在0~∞范围内变化，属于（B ）；T off 保持一定，使T on 在0~∞范围内变化，属于（C ）；
T on +T off =T 保持一定，使T on 在0~T 范围内变化，属于（A ）
（A ）定频调宽法（B ）定宽调频法 （C ）调宽调频法
5．无静差调速系统中，调节器一般采用（C ）调节器。
（A ） P 调节器 （B ） PD 调节器 （C ） PI 调节器
6．将晶闸管看成一阶惯性环节的工作近似条件为（A ）。
（A ）1
3c Ts ω≤ （B ）12c Ts ω≤ （C ）c ω≤ （D ）1c Ts ω≤ 7．下列各项指标中，反应系统抗干扰性能指标的是（D ）。
（A ） t r （B ） t s （C ） σ （D ） t f
8．在速度负反馈单闭环调速系统中，当下列（C ）参数变化时系统无调节能力。
（A ） 放大器的放大倍数Kp （B ）负载变化
（C ）转速反馈系数 （D ）供电电网电压
9．在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸
管装置的输出电压Ud 较之负载变化前是（B ）；在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速n 较之负载变化前是（C ），整流装置的输出电压Ud 是（A ）。
（A ）增加 （B ）减少 （C ）不变 （D ）先增加后减少
10.为了增加系统响应的快速性，我们应该在系统中引入（ A ）环节进行调节。
（A ） 比例 （B ） 积分 （C ） 微分
11．双闭环调速系统中，稳定运行时ASR 的输出量U*i 是由（ B ）决定的。
（A ） 输入给定电压U*n （B ） 负载电流I dL （C ） 转速反馈电压Un
12．I 型系统工程最佳参数是指选用（ D ）。
（A ） K T = （B ）ξ=0. 5 （C ）ξ= （D ）K T =
13．双闭环调速系统的设计过程中，按M p （min ）法设计的“三阶工程最佳”参数配置是（ B ）。
（A ）h=4 （B ）h=5 （C ）h=6 （D ）h=
14．在双闭环调速系统中，电流调节器主要对以下哪种扰动有抗扰调节作用。（ B ）
（A ） 给定电压扰动 （B ） 电网电压扰动 （C ） 负载扰动
15．在双闭环调速系统中，转速调节器主要对以下哪种扰动有抗扰调节作用。（ C ）
（A ） 给定电压扰动 （B ） 电网电压扰动 （C ） 负载扰动
16．下列不属于直流调速系统的静态技术指标的是（ B ）。
（A ） 调速范围 （B ） 超调量 （C ） 静差率
17．下列不属于直流调速系统的跟随性能指标的是（ A ）。
（A ） 恢复时间t f （B ） 超调量σ （C ） 调节时间t s （D ）上升时间t r
18.为了消除静差，提高系统的控制精度，我们应该在系统中引入（ B ）环节进行调节。
（A ） 比例 （B ） 积分 （C ） 微分 (D) 惯性
19.为了加快系统的动作速度，减少调节时间，我们应该在系统中引入（ C ）环节进行调节。
（A ） 比例 （B ） 积分 （C ） 微分 (D) 惯性
20.下列PWM 调节器中，能实现直流电机的四象限运行的是（ C ）。
（A ）简单不可逆型 （B ）带制动不可逆型 （C ）双极式可逆型
四、简答题
1．在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些作用其输出限幅值应按什么要求来整定
答：1）转速调节器的作用：
a. 使转速n 跟随给事实上电压Un 变化，实现转速无静差调节；
b. 对负载变化起抗扰作用；
c. 其饱和输出限幅值用为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制，以实现系统在最大电流约束下起动过程。
2）其输出限幅值应按最大电流值Idm 和β值整定，即im dm U I β=。
2．在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器有哪些作用其限幅值应如何整定 答：1）电流调节器的作用：
a. 起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升速调节——准时间最优；
b. 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Un 变化；
c. 对电网电压波动及时起抗扰作用；
d. 当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能自动恢复正常。
2）电流调节器输出限幅值应按下式整定：e nom dm ctm s
C n I R U K +>，并保证最小控制角的
限制。
3．画出转速电流双闭环调速系统起动时的转速ｎ和电枢电流Id的对应波形。并回答起动过程按Id分哪几个阶段以及转速调节器的在各阶段的工作状态在图中分别注明时间。答：起动曲线见P40。分三个阶段：第一阶段0~t
1
是电流上升阶段,转速调节器迅速从不
饱和进入饱和状态；第二阶段t
1~t
2
阶段是恒流升速阶段，转速调节器饱和输出限幅
值；第三阶段t
2~t
4
阶段是转速调节阶段，转速调节器退饱和工作。
4．闭环系统的静特性优于开环系统的机械特性，表现在哪些方面。
答：如下四方面：
（1）在相同的负载下，闭环系统的转速降落仅为开环系统转速降落的1/（1＋K）；
（2）在相同的理想空载转速时，闭环系统的静差率是开环系统静差率的1/（1＋K）；
（3）在静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统调速范围的（1＋K）倍；
（4）闭环系统设置放大器后，才能获得以上各方面好的性能。
5．试回答双极式和单极式H型PWM变换器的优缺点。
答：（1）双极式H开PWM变换器的优点是：
1）电流一定连续；
2）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
3）低速时每个晶体管的驱动电压脉冲仍较宽，有利于晶体管可靠导通，低速平稳性好，调速范围宽；
4）控制简单，易于实现。
其缺点是：1）工作过程中，四个晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通事故，降低装置的可靠性；
2）电枢电流波动较大。
（2）单极式H形PWM变换器的优点是：
1）由于一个晶体管常通，一个晶体管截止，频繁交替通断的管子少，有利于减少开关损耗；
2）电枢电流波动比双极式小。
其缺点是：
1）仍有两个晶体管处于交替导通状态，仍有发生直通的可能性；
2）调速范围较双极式的窄。
控制器各环节的作用是什么
答：PID控制器各环节的作用是：
（1）比例环节P：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立即产生控制作用，以便减少偏差，保证系统的快速性。
（2）积分环节I：主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。
（3）微分环节D：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
7.与模拟滤波器相比，数字滤波器有哪些优点
答：与模拟滤波器相比，数字滤波器的优越性表现在以下三个方面：
（1）数字滤波器是用程序实现的，不需要增加任何硬设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用。
（2）数字滤波器可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟滤波电路由于受电容容量的影响，频率不能太低。
（3）数字滤波器灵活性好，可以用不同的滤波程序实施不同的滤波方法。
8.转速和电流调节器均采用PI 调节器的双闭环系统起动过程的特点是什么
答：（1）转速环出现饱和开环和退饱和闭环两种状态。转速开环时，系统为恒值电流调节单环系统。转速闭环时，系统为无静差调速系统，电流内环为电流随动系统。
（2）转速环从开环到闭环发挥调节作用，其转速一定出现超调，只有靠超调才能使ASR 退饱和，才能进行线性调节。
（3）恒电流转速上升阶段，取I d 为I dm ，充分发挥了电动机的过载能力，实现了电流受限
制条件下的最短时间控制即“时间最优控制”。
9.微机数字控制系统的主要特点是什么由此引起的负面效应是什么
答：微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：
（1）A/D 转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。
（2） D/A 转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A 和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。 随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。
10．试述PWM 调速系统的优越性。
答：（1）主电路线路简单，需要的功率器件少；
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；
（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
（4）系统频带宽，动作响应快，动态抗干扰能力强；
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。
11. 推导增量式数字PID 控制算法的差分方程公式。并问：与位置式PID 算法相比，增量式PID 算法主要优点是什么
解：设模拟PID 调节器的约束方程为： 01
()()[()()]t p d i de t u t K e t e t dx T T dt
=++?
令对应数字PID 调节器的采样周期为T ，使用一阶后向差分公式和内接矩形数值积分公式，对上式连续两次作后向离散化近似变换，得
00()()()[()(1)]()()[()(1)]k
k d p p i d j j i T T u k K e k e k e k e k K e k K e k K e k e k T T ==??=++--=++--????∑∑ 和
1
100(1)(1)()[(1)(2)](1)()[(1)(2)]k k d p p i d j j i T T u k K e k e k e k e k K e k K e k K e k e k T T --==??-=-++---=-++---????∑∑ 其中p i i K T K T =，p d d K T K T =。由此得增量式数字PID 控制算法的差分方程公式为：
()[()(1)]()[()2(1)(2)]p i d u k K e k e k K e k K e k e k e k ?=--++--+-
与位置式PID 算法相比，增量式PID 算法主要优点在于不容易产生积分饱和现象，需站用得存储单元更少，计算机编程也更方便。
五、应用题
例 、P11 例设控制对象的传递函数为11234()(1)(1)(1)(1)
obj K W s T s T s T s T s =++++，式中K 1=2；T 1=；T 2=；T 3=；T 4=。要求阶跃输入时系统超调量σ%<5%。
用PI 调节器将系统设计成典型I 型系统，试设计调节器参数并计算调节时间t s 。
解：用PI 调节器校正时，调节器传递函数为1()i PI pi
i W s K s
ττ+= 取10.4i T s τ==，并将2T 、3T 、4T 看成小时间常数，令
2340.080.0150.0050.1T T T T s s s s =++=++= 则按典型I 型系统校正时系统开环传递函数为
1111()(1)(1)(1)
pi i pi i i K s K K W s K s T s Ts s Ts τττ+==+++ 取1
12pi i K K K T
τ==，则 10.412220.1
i
pi K K T τ===?? 调节时间 660.10.6s t T s s ≈=?=
所以PI 调节器的参数0.4i s τ=，1pi K =；调节时间0.6s t s =。
3．P59. 3-9。
4.已知电流环的动态结构图如图3所示，将该系统校正为典型Ⅰ型系统，确定电流调节器参
数。（提示：取工程最佳ξ=时，KITΣi=；注意小惯性环节降阶处理的条件
11
3
ci
s oi
T T
ω≤）解：（1）对动态结构图进行等效变换如下图：
（2）进行小惯性时间常数的近似处理：0.0020.00170.0037()
i oi s
T T T S
∑
=+=+=；则动态结构图化简为如下图：
（3）选择PI调节器：
1
()i
i
S
ACR i S
W S Kτ
τ
+
=
确定ACR的超前时间常数为：0.03
i l
T S
τ==
取工程最佳，有
11
135.14
220.0037
I
i
K
T
∑
===
?
（1/S）
又因为i s
I
i
K K
K
R
β
τ
=
所以有ACR的比例系数为：
0.030.5135.14
1.013
400.05
I i
i
s
K R
K
K
τ
β
??
==≈
?
（4）校验近似条件：
1
135.14
ci I
K S
ω-
==
而1
11
33180.8
0.00170.002ci
s oi
S
T T
ω
-
==>
?
，满足近似条件。
六、综合题
1.如图1如示转速反馈直流调速系统中，已知P N =10Kw ，U=220V ，I=55A ，n N =1000r/min ，电枢电阻Ra=Ω，V-M 系统主电路总电阻R=Ω。生产机械要求调速范围D=10，静差率s≤5%。
（1） 试计算额定转速降和闭环系统的开环放大倍数；
（2） 画出系统的静态结构图；
（3） 在此调速系统中，若给定电压Ugn 和测速发电机的励磁发生了变化，试分析直流
电动机的转速n 是否变化
答：（1）
1）为了满足D ＝10，静差率s ≤5％
10000.05/min
5.26/min (1)10(10.05)
nom cl n s n r r D s ??=≤=-?- 2）根据cl n ?，求出系统的开环放大系数
因为 (220550.5)V 0.1925V min/1000/min
nom nom a e nom U I R C r n r --?===? 所以有55 1.01154.3153.30.1925 5.26nom e cl I R K C n ?=
-≥-=-=?? （2）系统静态结构图为：
（3）分析如下：
反馈控制系统对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动作用都能有效地加以抑
制，对反馈通道上检测元件或装置的扰动无能为力，但对给定作用的变化则惟命是从，如果给定电压发生了变化，则被调量也要跟着变化，反馈控制系统无法鉴别这种变化是正常的调节结果，还是给定电压给定的变化；如果测速发电机的励磁发生了变化，反馈电压也要改变，不能通过系统的调节作用消除这种变化，反而使电动机转速偏离了原应保持的数值。因此说，高精度的调速系统要有高精度的反馈检测元件作为保证。
2.试分析下图为哪种控制系统系统的主要组成有哪几部分图中的LC、DI、LP、SR、CR均起什么用
答：（1）此系统是微机控制的双闭环直流脉冲宽度调制调速系统。
（2）系统的主要组成部分有：H型可逆PWM变换器和电动机组成的主电路；光电编码盘、CT1、CT2等组成的检测电路；转速给定部分；8098最小系统组成的控制电路等。
（3）LC：电动机正反转控制逻辑，其输入根据转矩极性和实际电流确定基极驱动的方向；
DI：鉴相电路，将光电编码盘输出的脉冲信号经过鉴相电路送到8098的高速输入口作为反馈信号，形成速度闭环；SR和CR是转速环和电流环的数字控制器，根据给定和反馈的偏差信号进行PID运算，输出控制信息。
3. P59. 3-10（按作业要求）
《综合实验1》设计说明书 题目直流调速系统设计与调试 系部自动化系 专业自动化 班级自动化092班 学号 09423002 09423004 09423013 09423022 姓名裴玉柱刘勇薛尚刘鲲鹏 指导老师刘艳于美荣 日期2012年11月23日－2012年12月06日
直流调速系统设计与调试 (3) 1 技术要求： (3) 2 硬件系统设计 (4) 2.1 驱动电路： (4) 2.2 控制电路： (4) 3 直流调速系统参数和环节特性的测定： (5) 3.1 电枢回路总电阻R的测定 (5) 3.2 电枢回路电感L的测定 (6) 3.4 直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定 (7) 3.4 主电路电磁时间常数Td的测定 (8) 3.5 电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定 (8) 3.6 系统机电时间常数TM的测定 (8) 3.7 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定 (9) 4 直流调速系统设计 (9) 5 系统调试与分析 (10) 5.1双闭环系统的调试 (10) 5.2 系统的分析 (14) 7 参考文献： (14)
直流调速系统设计与调试 1 技术要求： （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 （4）器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗选择、晶闸管保护设计 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）.一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用pid适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能 现代工业自动化的高速发展也给直流电机的控制与调速提供了大范围的应用与更新:如远程信号传输,远距离调速,高温环境的遥控调速与控制,手动自动集成等。
实验四 直流调速系统仿真与设计 一、 实验目的 1、掌握连续部分的程序实现方法； 2、熟悉仿真程序的编写方法。 二、 实验容 一转速、电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，已知电动机参数为：N P =200W ，N U =48V ，N I =4A ，额定转速 500r/min ，电枢电阻Ra=6.5欧，电枢回路总电阻R=8欧，允许电流过载倍数2λ=，电势系数C 0.12min/e V r =?，电磁时间常数s T l 015.0=，机电时间常数s T m 2.0=，电流反馈滤波时间常数 s T oi 001.0=，转速反馈滤波时间常数s T on 005.0=。设调节器输入输出电压** nm im cm U U U 10V ===，调节器输入电阻Ω=k R 400。已计算出电力晶体管D202 的开关频率f 1kHz =，PWM 环节的放大倍数s K 4.8 =。 试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量i 5%σ≤；空载 起动到额定转速时的转速超调量n 20%σ≤；过渡过程时间s t 0.1s ≤。 建立系统的仿真模型，并进行仿真验证。 一、 设计计算 1. 稳态参数计算 根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调 节器的输出限幅值均选择为12V 电流反馈系数；A V A V I U im /25.14210nom * =?==λβ 转速反馈系数：r V r V n U nm min/02.0min /50010max *?===α 2. 电流环设计 （1）确定时间常数 电流滤波时间常数T oi =0.2ms ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则
TG n ASR ACR U *n + - U n U i U * i + - U c TA V M + - U d I d UP L - M T 双闭环直流调速系统的设计与仿真 1、实验目的 1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。 2．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。 3．掌握调节器的工程设计及仿真方法。 2、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析 3、实验要求 用电机参数建立相应仿真模型进行仿真 4、双闭环直流调速系统组成及工作原理 晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机—发电机组等组成。 本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压U ct 作为触发器的移相控制电压，改变U ct 的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。 为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接，如图 4.1。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE 。在结构上，电流环作为内环，转速环作为外环，形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态特性，转速和电流两个调节器采用PI 调节器。 图4.1 转速、电流双闭环调速系统 5、电机参数及设计要求 5.1电机参数 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e =0.192V ? min/r ，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：K s =40 电枢回路总电阻：R=0.5 时间常数：T l =0.00167s, T m =0.075s 电流反馈系数：β=0.05V/A
目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19)
前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，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。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。
一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.双闭环调速系统的工作过程和原理：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
《运动控制系统》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 转速、电流反馈控制直流调速系统仿真 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220V U =,额定电流 136I A =； 额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =?，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=;转速反馈系数0.007min/V r α=? 要求完成的主要任务: （1）用MATLAB 建立电流环仿真模型； （2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线； （3）用MATLAB 建立转速环仿真模型； （4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线； （5）电流超调量5%i σ≤，转速超调量10%n σ≤。 转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink 对系统进行仿真。
转速、电流反馈控制直流调速系统仿真 1 设计的初始条件及任务 1.1概述 本次仿真设计需要用到的是Simulink 仿真方法，Simulink 是Matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 1.2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220V U =,额定电流136I A =；额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =?，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=?。 1.3要完成的任务 1）用MATLAB 建立电流环仿真模型； 2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线； 3）用MATLAB 建立转速环仿真模型； 4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线； 5）电流超调量5%i σ≤，转速超调量10%n σ≤。
电控学院 运动控制系统仿真课程设计 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级： 姓名： 学号：
开环直流调速系统的动态建模与仿真 摘要： MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。 详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。
1.1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 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MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，
1.电压负反馈调速系统中，电流正反馈是补偿环节，一般实行（） A欠补偿B全补偿C过补偿D温度补偿 2.直流调速装置通电前硬件检查内容有：电源电路检查，信号线、控制线检查，设备接线检查，PLC接地检查。通电前一定要认真进行（），以防止通电后引起设备损坏。 A电源电路检查 B信号线、控制线检查 C设备接线检查 D PLC接地检查 3.直流调速装置安装的现场调试主要有硬件检查和程序（软件）调试两大内容，调试前准备工作有：收集有关资料，熟悉并阅读有关资料和说明书，主设备调试用仪表的准备。其中要（B），这是日后正确使用设备的基础。 A程序（软件）调试B熟悉并阅读有关资料和说明书 C设备接线检查D硬件检查 4.直流调速装置调试的原则一般是（A）。 A先检查，后调试B先调试，后检查 C先系统调试，后单机调试D边检查边调试 5.恒转矩负载变频调速的主要问题是调速范围能否满足要求，典型的恒转矩负载有（C）。 A起重机、车床B带式输送机、车床 C带式输送机、起重机D薄膜卷取机、车床 6.调节直流电动机电枢电压可获得（B）性能。 A恒功率调速B恒转矩调速C若磁通调速D强磁通调速 7.三相可控整流触发电路调试时，首先要检查三相同步电压波形，再检查（B），最后检查输出双脉冲的波形 A晶闸管两端的电压波形B三相锯齿波波形 C同步变压器的输出波形 D整流变压器的输出波形 8.同开环控制系统相比，闭环控制的优点之一是（A） A它具有抑制干扰的能力B系统稳定性提高 C减小了系统的复杂性D对元件特定变化更敏感 9.调节器输出限幅电路的作用是，保证运放的（A），并保护调速系统各部件正常工作。 A线性特性B非线性特征C输出电压适当衰减D 10.若理想微分环节的输入为单位阶跃，则其输出的单位阶跃响应是一个（A）。 A脉冲函数B一次函数C正弦函数D常数 11.（C）是直流调速系统的主要调速方案。 A 改变电枢回路电阻R B 增强励磁磁通 C调节电枢电压D减弱励磁磁通 12.锯齿波触发电路由（D）、脉冲形成与放大、强触发与输出、双窄脉冲产生等四个环节组成. A三角波产生与移相B尖脉冲产生与移相 C矩形波产生与移相D锯齿波产生与相位控制 13.锯齿波触发电路中调节恒流源对电容器的充电电流，可以调节（）。 A锯齿波的周期 B锯齿波的斜率 C锯齿波的幅值 D锯齿波的相位。 14、锯齿波触发电路中的锯齿波是由（D）对电容器充电以及快速放电产生的。 A、矩形波电源 B、正弦波电源 C、恒压源 D、恒流源 15.锯齿波触发电路中的锯齿波是由恒流源对（）充电以及快速放电产生的。
实训报告课程名称：专业实训 专业：自动化班级：103031学号：10303104姓名：徐红颖指导教师：王艳秋成绩： 完成日期：2014 年1月9 日
任务书
1 单闭环直流调速系统 对于单闭环直流调速系统来说，转速是输出量，一般我们引入的是转速负反馈构成闭环调速系统。转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG，引出和输出量转速成正比的负反馈电压Un，和转速给定电压Ua*进行比较，得到偏差电压ΔUa，经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压Uct，与控制电动机的转速，组成了反馈控制的闭环调速系统。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差，为了消除静差，可用积分调节器替代比例调节器。 反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变，就要引用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较，组成一个闭环系统。对于调速系统来说，如果想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变化，最有效和最直接的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。 1.1 主电路设计 直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成，知道了电路组成的两大部分后，就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。整流变压器由变压部分和整流部分组成，其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定40V的直流电压供给直流电动机的励磁回路，整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路，输出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。保护环节采用的是过电压保护的一种--阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。 主电路的设计需要准备的资料： 1 单相整流模块：MZKD-ZL-50 了解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压24V，额定电流6A，励磁电压24V，最大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式的接线方法。 3 电机转速测量的检测器：光电编码器（E6B2-C）
直流调速系统的MATLAB 仿真 一、开环直流速系统的仿真 开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。 图1 开环直流调速系统电气原理图 图2 直流开环调速系统的仿真模型 为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为 min c cmax 9090U U αα?-=?-
在本模型中取min 30α=?，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。 仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =， N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =?。励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。平波电抗器 d 20mH L =。仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩 e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。N 220V U = 仿真步骤： 1）绘制系统的仿真模型（图2）。 2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压 N rec N 2min 2200.3136 130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++?= =≈?? ② 电动机参数 励磁电阻： f f f 220146.7()1.5 U R I = ==Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。 电枢电阻： a 0.2R =Ω 电枢电感由下式估算： N a N N 0.422019.1 19.10.0021(H)2221460136 CU L pn I ?==?≈??? 电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ： N a N e N 2200.2136 0.132(V min/r)1460 U R I K n --?= =≈?
实验一开环直流调速系统的仿真 一、实验目的 1、熟悉并掌握利用 MATLAB中 Simulink 建立直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。 2、掌握开环直流调速系统的原理及仿真方法。 二、实验内容 开环直流调速系统的仿真框图如图 1 所示，根据系统各环节的参数在 Simulink 中建立开环直流调速系统的仿真模型，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电 流Id 和转速 n 的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相 应的结论。 I dL (s) U n* (s)K s+1/ R I d (s)_R E 1 n( s) T s s 1—T l s 1 +T m s C e 图 1 开环直流调速系统的仿真框图 开环直流调速系统中各环节的参数如下： 直流电动机：额定电压 UN = 220 V，额定电流 IdN = 55 A，额定转速 nN = 1000 r/min ，电动机电势系数 Ce= V ·min/r 。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数 Ks = 44，滞后时间常数 Ts = s 。电枢回路总电阻 R = Ω，电枢回路电磁时间常数 Tl = s ，电力拖动系统机电时间常数 Tm = s 。 对应额定转速时的给定电压Un*=。 三、实验步骤 1、根据开环直流调速系统的各环节参数建立空载时的Simulink仿真框图，如图2 所示。 图2空载时开环直流调速系统的仿真框图 2、设置合适的仿真时间，利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的 Workspace 中，并在 MATLAB中利用 plot （X,Y）函数绘制出空载时直流电动机的电枢电流Id 和转速 n 的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。 3、根据开环直流调速系统的各环节参数建立带负载时的Simulink仿真框图，如图3所示。 图 3 带负载时开环直流调速系统的仿真框图 4、设置合适的仿真时间，在 1s 时分别加入负载电流为 IdL=10 、20、50A，利用 out 器件或示波器将相关数据输出到 MATLAB的 Workspace 中，并在 MATLAB中利用 plot （X,Y）函数绘制出在 1s 时加入负载电流分别为 IdL=10 、20、50A 时直流电动机的电枢电流 Id 和转速n 的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。
燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日
目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26)
前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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启动，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。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的恒流过程，按照反馈控制规律，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，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。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。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要
PWM可逆直流调速系统matlab 仿真实习
《运动控制系统仿真》课程设计 ——PWM直流调速系统的动态建模与仿真 学院：电气与控制工程学院 班级：自动化1104班 姓名：钟传琦 学号：1106050430 日期： 2014年6月27日
一、课程设计的目的及任务 《运动控制系统》是自动化专业的一门主干专业课程，在该课程学习结束后单独安排了1周的控制系统仿真课程设计。其目的是要求学生针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，使学生能进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践能力，并初步培养实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力。 二、课程设计的基本要求 《运动控制系统》被控对象是交、直流电动机，能量转换是由电力电子器件构成的变换器，微机构成控制器。因此控制系统仿真课程设计学生应掌握以下基本内容： （1）交、直流电动机； （2）电力电子变换器； （3）微机控制器； （4）转速、电流等检测电路； （5）输入输出转换电路、调理电路和功放电路等。 三．课程设计的内容及基本要求 1．设计题目 1) 开环直流调速系统的动态建模与仿真 2) 单闭环有静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 3) 单闭环无静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 4) 带电流截止转速负反馈的单闭环调速系统的动态建模与仿真 5) 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真 6) 双闭环直流调速系统的动态建模与仿真 α=有环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 7) β 8) 逻辑无环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 9)三相异步电动机数学模型的建立 10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真 本文所选题目为：10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真。 - 0 -
第1章自动控制系统的基本概念 内容提要： 本章通过开环与闭环控制具体实例，讲述自动控制系统的基本概念（如被控制对象、输入量、输出量、扰动量、开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念）、反馈控制任务、控制系统的组成及原理框图的绘制、控制系统的基本分类、对控制系统的基本要求。 1.1 概述 在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（机器设备或生产过程）的某个参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件，化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定，人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收，宇宙飞船能够准确地在月球着陆并返回地面等，都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。 自动控制理论是控制工程的理论基础，是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其发展过程分成经典控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论在20世纪50年代末已形成比较完整的体系，它主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出反馈控制系统的分析和设计问题，其基本内容有时域法、频域法、根轨迹法等。 现代控制理论是20世纪60年代在经典控制理论的基础上，随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来的，它以状态空间法为基础，研究多变量、变参数、非线性、高精度等各种复杂控制系统的分析和综合问题，其基本内容有线性系统基本理论、系统辨识、最优控制等。近年来，由于计算机和现代应用数学研究的迅速发展，使控制理论继续向纵深方向发展。目前，自动控制理论正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。 1.2 自动控制的基本方式 在工业生产过程中，为了提高产品质量和劳动生产率，对生产设备、机器和生产过程需要进行控制，使之按预定的要求运行。例如，为了使发电机能正常供电，就必须使输出电压保持不变，尽量使输出电压不受负荷的变化和原动机转速波动的影响；为了使数控机床能加工出合格的零件，就必须保证数控机床的工作台或者刀架的位移量准确地跟随进给指令进给；为了使加热炉能保证生产出合格的产品，就必须对炉温进行严格的控制。其中，发电机、机床、加热炉是工作的机器装备；电压、刀架位移量、炉温是表征这些机器装备工作状态的物理参量；额定电压、进给的指令、规定的炉温是在运行过程中对工作状态物理参量的要求。 被控制对象或对象：将这些需要控制的工作机器装备称为被控制对象或对象，如发电机、机床。
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，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变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 小调节时间。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
直流调速系统仿真 目录 一．直流调速系统仿真 1.开环直流调速系统的仿真 2.单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真 3.单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真 4.单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真 5.单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真 6．单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真 7.单闭环转速负反馈调速系统定量仿真 8.双闭环直流调速系统定量仿真 9.PWM直流调速系统仿真 二．双闭环直流调速系统 1双闭环直流调速系统的工作原理 1.1双闭环直流调速系统的介绍 1.2双闭环直流调速系统的组成 1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 1.4双闭环直流调速系统的数学模型 2系统设计方法及步骤 2.1系统设计的一般原则 2.2电流环设计 2.2.1确定时间常数
2.2.2选择电流调节器结构 2.2.3选择电流调节器参数 2.2.4校验近似条件 2.3转速环设计 2.3.1确定时间常数 2.3.2选择转速调节器结构 2.3.3选择转速调节器参数 2.3.4校验近似条件 三．Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析 3.1Matlab和Simulink简介 3.2 Matlab建模与仿真 3.3电流环的MA TLAB计算及仿真 3.3.1电流环校正前后给定阶跃响的MA TLAB计算及仿真 3.3.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 3.3.3单位冲激信号扰动的响应曲线 3.3.4电流环频域分析的MA TLAB计算及仿真 3.4转速环的MA TLAB计算及仿真 3.4.1转速环校正前后给定阶跃响应的MA TLAB计算及仿真 3.4.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标 3.4.3单位冲激信号扰动的响应曲线 3.4.4转速环频域分析的MA TLAB计算及仿真 4V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图
142.斩波器调速系统 143.生产机械对调速装置的要求 144.调速范围 145.静差率 146有转速负反馈闭环直流调速系统的组成147.转速反馈 148.转速微分负反馈 149.转速反馈系数 150.电流反馈系数 151.直流电动机静态模型 152.无静差系统 153.有静差系统 154.静特性 155.静特性方程 156.静特性曲线 157.转速降落 158.最大转速 159.额定转速 160.理想空载转速 161.开环放大倍数 162.闭环放大倍数 163.数字调节器 164.可控直流电源静态放大倍数和静态模型164.直流电动机调速原理 166.G-M调速系统 167.有转速反馈直流调速系统静特性 168.有转速反馈直流调速系统静态结构图 169.开环调速系统与闭环调速系统的不同 170.转速负反馈闭环系统静态参试计算 171.晶闸管装置供电转速负反馈单闭环系统的调试
172.电流截止负反馈 173.电流截止负反馈环节 174.电流截止负反馈系统的静态结构图175.带电流截止负反馈闭环系统的静特性176.电流截止环节参数的计算 177.电压负反馈 178.电压负反馈环节 179.电压负反馈闭环系统的静态结构图180.电压负反馈系统的静特性 181.电压负反馈系统静参数计算 182.电流补偿控制 183.电流补偿控制的作用 184.电流补偿控制与转速反馈控制的不同185.前向通道 186.前向通道放大倍数 187.检测反馈元件 188.滤波元件 189.反馈通道 190.反馈通道放大倍数 191.开环前馈补偿 192.给定信号 193.给定元件 194.转速给定信号 195.电流给定信号 196.数字斜波给定 197.扰动信号 198.负载扰动 199.电源电压扰动 200.不可预见扰动 201.跟随性能
《自动控制原理》基本概念总结 1.自动控制系统的基本要求是稳定性、快速性、准确性 2.一个控制系统至少包括控制装置和控制对象 3.反馈控制系统是根据被控量和给定值的偏差进行调节的控制系统 4.根据自动控制系统是否形成闭合回路来分类，控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统。 根据信号的结构特点分类，控制系统可分为：反馈控制系统、前馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统。根据给定值信号的特点分类，控制系统可分为：恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 根据控制系统元件的特性分类，控制系统可分为：线性控制系统、非线性控制系统。 根据控制信号的形式分类，控制系统可分为：连续控制系统、离散控制系统。 5.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的特征方程 6.系统的传递函数完全由系统的结构和参数决定 7.对复杂系统的方框图，要求出系统的传递函数可以采用梅森公式 8.线性控制系统的特点是可以应用叠加原理，而非线性控制系统则不能 9.线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。 10.信号流图中，节点可以把所有输入支路的信号叠加，并把叠加后的信号传送到所有的输出支路。 11.从控制系统稳定性要求来看，系统一般是具有负反馈形式。 12.组成控制系统的基本功能单位是环节。 13.系统方框图的简化应遵守信号等效的原则。 14.在时域分析中，人们常说的过渡过程时间是指调整时间 15.衡量一个控制系统准确性／精度的重要指标通常是指稳态误差 16.对于二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的必要条件 17.若单位反馈系统在阶跃函数作用下，其稳态误差ess为常数，则此系统为0型系统 18.一阶系统的阶跃响应无超调 19.一阶系统 G(s)= K/(Ts+1)的T越大，则系统的输出响应达到稳态值的时间越长。 20.控制系统的上升时间tr、调整时间tS等反映出系统的快速性。 21.二阶系统当0<ζ<1时，如果ζ增加，则输出响应的最大超调量将减小。 22.对于欠阻尼的二阶系统，当阻尼比ξ保持不变时，无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp不变 23.在单位斜坡输入信号作用下，?II型系统的稳态误差 ess=0 24.衡量控制系统动态响应的时域性能指标包括动态和稳态性能指标。 25.分析稳态误差时，将系统分为0型系统、I型系统、II型系统…，这是按开环传递函数中的积分环节数来分类的。 26.二阶系统的阻尼系数ξ=时，为最佳阻尼系数。这时系统的平稳性与快速性都较理想。 27.系统稳定性是指系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原来的平衡状态的性能。 28.系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的充要条件。 29.如果系统中加入一个微分负反馈，将使系统的超调量减小。 30.确定根轨迹与虚轴的交点，可用劳斯判据判断。 31.主导极点的特点是距离虚轴很近。 32.根轨迹上的点应满足的幅角条件为∠G(s)H(s)等于±(2l+1)π (l=0,1,2,…) 33.如果要求系统的快速性好，则闭环极点应距离虚轴越远越好。 34.根轨迹的分支数等于特征方程的阶数/开环极点数，起始于开环传递函数的开环极点，终止于开环传递函数的开环零点。 35. 根轨迹与虚轴相交时，在该交点处系统处于临界稳定状态，系统阻尼为0
目录 一、摘要.......................................................... - 3 - 二、课程设计任务 .................................................................................................... - 3 - 三、课程设计内容 .................................................................................................... - 3 - 1、PID控制原理及PID参数整定概述.................................................................... - 3 - 2、基于稳定边界法（临界比例法）的PID控制器参数整定算法 ............................ - 5 - 3、利用Simulink建立仿真模型............................................................................ - 8 - 4、参数整定过程 .................................................................................................- 12 - 5、调试分析过程及仿真结果描述.........................................................................- 16 - 四、总结 ...................................................................................................................- 17 - 五、参考文献 ...........................................................................................................- 17 -