1.1.1 转速控制的要求和调速指标
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：
1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；
2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；
3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起﹑制动尽量平稳。
2.1.2 直流调速系统的性能指标
根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。 一、静态性能指标
1）．调速范围
生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速max
n 与最低转速min
n 之比，称为调速范围，用符号D 表示
min
max n n D =
（2—2）
2）．静差率
静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落
ed
n ?与理想空载转速
n 之比，用百分数表示为
%
100%1000
00
?-=
??=
n n n n n s ed
ed （2—3）
显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，ed
n ?越小，静差率就越小，转速
的稳定度就越高。
然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静
差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落1ed n ?=2ed n ?，但由于0102n n <，因此12s s >。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在100r/min 时也降落10r/min ，就占10%；如果0n 只有10r/min ，再降落10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。
由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s ，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。
图2—1 事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
2.1.3 动态性能指标
生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 一、跟随性能指标
在给定信号（或称参考输入信号）R(t)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。当给定信号表示方式不同时，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，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值∞c 的偏差越小越好，达到∞c 的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：
1）上升时间r t
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值∞c 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。
图2—2
2）超调量%σ
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：
%
100%max ?-=
∞
∞
c c c σ （2—4）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应
比较平稳。
3）调节时间s t
调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该
是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到∞=t 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取()%2%5±±或的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2—2。 二、抗扰性能指标
一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：
1）动态降落
%max c ?
系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值
%
max c ?叫做动态降落，用输出量原稳态值1∞c 的百分数来表示。输出量在动态
降落后逐渐恢复，达到新的稳态值()212,∞∞∞-c c c 是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落
%
max n ?。
2）恢复时间
f
t
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2∞c 之差进入某
基准量b c 的()%2%5±±或范围之内所需的时间，定义为恢复时间f t
，其中b c 称为抗
扰指标中输出量的基准值。
实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。
图2—3
1.2.2 限流保护——电流截止负反馈
起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压*n n U U =?，差不多是其稳态工作值的（1+K ）倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压d U 一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。
堵转电流——有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。
以上就是关于转速负反馈闭环直流调速系统的一些内容，为了实现更好的控制效果，我们需要让电流负反馈和转速负反馈分别起作用，这就是我要设计的转速﹑电流双闭环直流调速系统。
2.1 转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 2.1.1 转速﹑电流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，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（或称串级）联接,如图2-2所示。图中，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。
图2-2 转速﹑电流双闭环直流调速系统
ASR —转速调节器 ACR —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
*
n U —转速给定电压 n U —转速反馈电压 *i U —电流给定电压 i U —电流反馈电压
2.1.2 转速﹑电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2-4所示。它可以很方便地根据原理图（见图2-3）画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的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，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间的联系，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。
图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图
α—转速反馈系数; β —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
0*
n n U U n n αα=== d
i i I U U β==*
由第一个关系式可得
0*
n U n n
==
α
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA 段。与此同时，由于ASR 不饱和，*
im i U U <，从上
述第二个关系式可知dm d I I <。这就是说，CA 段特性从理想空载状态的0=d I 一直延续到dm d I I =，而dm I 一般都是大于额定电流dN I 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
K s α
1/C e U *n
U c I d
E n
U d0 U n
+
+ -
ASR +
U *i
- R
β
ACR - U i
UPE
2．转速调节器饱和
这时，ASR 输出达到限幅值*
im U ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再
产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时
dm im
d I U I ==
β
*
(2-2)
其中，最大电流dm I 是由设计者选定的，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。式(2-2)所描述的静特性对应于图2-5中的AB 段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于0n n <的情况，因为如果0n n >，则*n n U U >，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dm I 时表现为转速无静差，这时，转速
负反馈起主要调节作用。当负载电流达到dm I 时，对应于转速调节器的饱和输出*
im U ，
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。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
图2-5 双闭环直流调速系统的静特性
3.1双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
3.1.1双闭环直流调速系统的动态数学模型
由双闭环控制的结构（见图2-4），即可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构框
图，如图3-1所示。图中)
(s
W
ASR 和)
(s
W
ACR
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框图中必须把电枢电流
d
I显露出来。
图3-1双闭环直流调速系统的动态结构框图
3
3.1.4动态抗扰性能分析
1．抗负载扰动
一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
图3-3 直流调速系统的动态抗负载扰动作用
由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2．抗电网电压扰动
由图3-4a）和3-4b）对比分析可知
1）单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
a）单闭环系统
b）双闭环系统
图3-4直流调速系统的动态抗扰作用
2）双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。
第四章双闭环直流调速系统的整体设计
4.1双闭环直流调速系统的动态结构框图
首先我们看一下转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图4-1所示。这就是我们最终要设计成的图形。此图有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中
T——电流反馈滤波时间常数；on T——转速反馈滤波时
oi
间常数。
图4-1双闭环调速系统的动态结构框图
由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，以滤平电流检测信号。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个迟延作用，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。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含换向纹波，因此也需要滤波，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入滤波环节。以下就是我们设计的过程。
4.1.1电流调节器的设计
1．电流环结构框图的化简
在双闭环调速系统中，系统的电磁时间常数
T远小于机电时间常数m T，因此，
l
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的扰动，在电流的瞬变过程中,可认为反电动势基本不变，即0
?E。这样，在按动态性能设
≈
计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成)
/β，则电流环便等效成单位
U
(*s
i
负反馈系统。最后，由于
T和oi T一般比l T小得多，可以当作小惯性群而近似地看作
s
是一个惯性环节。则电流环结构框图最终简化为图4-2。
R
K
K K i s i I τβ
=
图4-2 电流环最终简化动态结构框图
2．电流调节器结构的选择
首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，再从动态要求看，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，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器。其传递函数可以写成
s
s K S W i i i A C R ττ)
1()(+=
(4-1)
式中 K i ——电流调节器的比例系数；
i τ——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
l i T =τ (4-2) 则电流环的动态结构框图便成为图4-3所示的典型形式。 (3-3)
图4-3 校正成典型Ⅰ性系统的电流环动态结构框图
图4-4绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。上述结果是在一系列假定条件下得到的。
图4-4 校正后电流环的开环对数幅频特性
3．电流调节器的参数计算
由式(4-1)可以看出电流调节器的参数是K i 和i τ，其中i τ以选定，见式(4-2)，待定的只有比例系数K i ,可根据题目所要求的电流超调量%5≤i σ，由附表1，可选
707.0=ξ，5.0=∑i I T K ，则 R
K K K i s i I τβ
=
(4-3)
再利用式(4-3)和(4-2)得到
)(22i
l
s i
s l i T T K R T K R T K ∑∑=
=
ββ (4-4)
4．电流调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图4-5所示。图中*
i U 为电流给定电压,d I β-为电流负反馈电压,调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压c U 。
根据运算放大器的电路原理，可以容易的导出
R R K i i =
(4-5)
i i i C R =τ (4-6)
oi
oi C R T 041=
(4-7)
图4-5 含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器
4.1.2 转速调节器的设计
1．电流环的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数
)(s W cli 。由图
4-3可知
1
11
)
1(1)1()()(2
*++
=
++
+=
=∑∑∑s K s K T s T s K s T s K U
S I s W I
I
i i I i I
i
d c l i
β
(4-8) 忽略高次项，)(s W cli 可降阶近似为
1
11)(+≈S K s W I
c l i
(4-9)
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为)(*s U i ，因此电流环在转速环中应等效为
1
11
)()
()(*
+≈
=
s K s W s U s I I
c i l
i
d β
β
(4-10)
2．转速调节器结构的选择
用电流环的等效环节代替图4-1中的电流环后，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成)(*s U n /α，再把时间常数为1/I K 和on T 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为n T ∑的惯性环节，其中
on I
T K T n
+=
∑1
(4-11)
则转速环结构框图可简化成图4-6。
图4-6 用等效环节代替电流环小惯性的近似处理
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR 中（见图4-6）。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为
)1(+=
s s
K W n n n
ASR ττ (4-12)
式中 K n ——转速调节器的比例系数； n τ——转速调节器的超前时间系数。
不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图4-7所示
图4-7 校正后成为典型Ⅱ型系统的转速环
3．转速调节器的参数计算
转速调节器的参数包括n K 和n τ。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，由hT =τ有
n n hT ∑=τ (4-13) 再由
K=
2
2
21T
h h +
得
2
2
21n
N T h h K ∑+=
(4-14)
因此 n
m
e n RT h T C h K ∑+=αβ2)1( (4-15)
4．转速调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的PI 型转速调节器原理图如图4-8所示。图中U *n
为转速给定电压，-αn 为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压U *i
。
图4-8 含给定滤波和反馈滤波的PI 型转速调节器
与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值的关系为
R R K n n =
(4-16)
n n n C R =τ (4-17)
on
on C R T 041=
(4-18)
5．转速调节器退饱和时转速超调量的计算
电动机在起动过程中转速必然超调，但这时的超调是经历了饱和非线性区域之后
的超调，即“退饱和超调”。在计算退饱和超调量时，因退饱和的过程与同一系统在负载扰动下的过渡过程是完全一样的，故可利用附表2给出的典型Ⅱ系统扰动性能指标来计算退饱和超调量。
T
FK C b 22= (4-19)
且有
m
e T C R K =
2 (4-20)
n T T ∑= (4-21) 而
dl
dm I I F -= (4-22)
故
m
n N
m
e dl dm n b T T n z T C I I RT n ∑∑?-=-=
?)(2)
(2λ (4-23)
4.2 转速环与电流环的关系
外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。本章就是对转速﹑电流双闭环直流调速系统的设计过程。
6.1 双闭环直流调速系统仿真的相关数据
直流电机的主要参数如下：
额定电压：220=e U V 额定电流：7.8=e I A 额定转速：1500=e n r∕min 电势系数：132.0=e C V .min∕r
允许过载倍数6.1=λ,晶闸管放大倍数60=s K 电流反馈系数：5747.0=βV∕A 转速反馈系数：00333.0=αV 电磁时间常数：021.0=L T s 机电时间常数：16.0=m T s 电枢回路总电阻：Ω=26.5R 转速滤波时间常数：005.0=on T s 电流滤波时间常数：005.0=oi T s 中频宽：h=5，超调量：%5≤i σ
6.1.1 PI 控制算法的参数整定
一.电流环的计算 1．确定时间常数
① 整流装置滞后时间常数Ts ，
三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.00167s ≈0.0017s ② 电流滤波时间常数oi T ：s T oi 005.0=
③ 电流环小时间常数之和i T ∑,按小时间常数近似处理，取
s s s T T T oi S i 0067.0005.00017.0=+=+=∑
2．选择电流调节器结构
根据设计要求电流超调量%5
s
s k s W i i i ACR ττ)
1()(+=
式中 i k ——电流调节器的比例系数；
i τ——电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能
13.30067
.0021.0==∑i
T T L
3．计算电流调节器参数
① 电流调节器超前时间常数:s T L i 021.0==τ
② 电流环开环增益：要求σi ≤5%，按附表1，应取I K i T ∑=0.5，因此
1
63.740067.05.05.0-∑==
=
s
s
T K i
I
于是，ACR 的比例系数为
24
.05747
.06026
.5021.063.74=???=
=
β
τS i I i K R K K
③ 代入数据得到电流调节器的传递函数为
s
s s W ACR 021.0)
1021.0(24.0)(+=
4．校验近似条件
电流环截止频率：163.74-==s K I ci ω ① 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
ci S
s
T ω>=?=
-1
1.1960017
.03131
满足近似条件。
② 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
ci L
m s
T T ω<=??
=-1
75.51021
.016.01313
满足近似条件。
③ 电流环小时间常数近似处理条件
ci oi
S T T ω>=?=33.114005
.00017.01
3
113
1
满足近似条件。
5．计算调节器电阻和电容
根据图4-5，取KΩ=400R ，各电阻和电容值为
KΩ=KΩ?==6.94024.00R K R i i ，取KΩ=6.9i R
F F R C i
i i μτ19.210
6.9021.03
=?=
=
， 取uF C i 19.2=
F F R T C oi oi μ5.010
40005.0443
=??=
=
，取F C oi μ5.0=
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4<=i σ，满足设计要求。
二．转速环的计算 1. 确定时间常数
① 电流环等效时间常数
I
K 1
由
5.0=∑i I T K
知
s s T K i I
0134.00067.0221=?==∑
② 转速滤波时间常数on T
s T on 005.0=
③ 转速环小时间常数n T ∑
s
T K T on I
n 0184.0005.00134.01=+=+=
∑
2．转速调节器选择结构
按照设计要求，选用PI 调节器，生产工艺一般要求转速调节系统稳态时为无静差，动态性能具有良好的抗扰性能。典型Ⅱ型系统能满足这些要求，所以转速环按典型Ⅱ型系统进行设计。其传递函数为
s
s K W n n n ASR ττ)
1(+=
式中 n K ——转速调节器的比例系数； n τ——转速调节器的超前时间常数。
3．计算转速调节器参数
① 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为
s hT n n 092.00184.05=?==∑τ
② 由式(4-14)可求得转速环开环增益
K N =
1
2
2
22
442.3540184
.0526
21-∑=??=
+s
T
h h n
于是，由式可得ASR 的比例系数为
596.220184
.026.500333.05216.0132.05747.062)1(=???????=
+=
∑n
m
e n RT h T C h K αβ
③ 代入数据得到转速调节器的传递函数为
s
s W ASR 092.0)
1092.0(596.22+=
4．检验近似条件
转速环截止频率
1
1
6085.32092.044.354-=?===
s
K K n N N
cn τωω
① 校验电流环传递函数简化条件是否满足
cn i
I s
s
T K ω>==
--∑1
1
18.350067
.063.743
13
1
满足简化条件。
② 校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足
cn on
I s
s
T K ω>==
--1
1
72.40005
.063.743
13
1
满足近似条件。
5．计算转速调节器的电路参数
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型转速调节器原理图如图4-8所示。取
KΩ
=400R ，各电阻和电容值计算如下
KΩ
=?==904406.220R K R n n ，取KΩ=900n R
F F R C n
n n μτ102.010
900092.03
=?=
=
，取F C n μ1.0=
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 控制系统数字仿真及C A D 实验报告 院系：电气工程及自动化 班级：0106512 设计者：王宏佳/张卫杰 学号：1010610108 哈尔滨工业大学电气工程系
2005年8月 摘要 本实验报告的第一部分详细阐述了直流电动机双闭环调速系统的CAD设计过程，主要采用了MATLAB/Simulink工具箱。 一般情况下，KZ-D系统均设计成转速、电流双闭环形式。双闭环直流调速系统着重解决了如下两方面的问题：启动的快速性问题和提高系统抗扰性能。 双闭环KZ-D系统中的ASR和ACR一般均采用PI调节器。为了获得较好的跟随性能，电流环按照典型Ⅰ型系统设计，为了获得较好的抗扰性能，转速环按照典型Ⅱ型系统设计。按照先内环，后外环的设计思想设计。 实验报告的第二部分着重讨论了基于 MATLAB/SimPowerSystem工具箱的双闭环直流调速系统仿真分析。
第一部分直流电动机双闭环调速系统设计及分析 自70年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采用了“晶闸管整流电动机调速”技术（简称KZ-D调速系统）。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ-D系统的应用还是占有相当比重的。 一般情况下，KZ-D系统均设计成转速、电流双闭环形式；“双闭环控制”是经典控制理论在实践中的重要运用，在许多实际生产实践中大量存在。无论是直流调速系统、龙门吊车系统还是一阶倒立摆的控制，都可以通过双闭环控制技术，来实现对控制对象的控制。因此理解双闭环控制技术的原理，掌握双闭环控制的设计方法，是工业控制领域技术人员的一项基本要求。 然而，由于双闭环控制技术所依赖的经典控制理论只能解决线性定常系统设计问题，而实际系统往往是非线性的；所以，设计时要进行线性化等近似处理，由此而引起的模型不准确问题将会影响到设计参数的选取（这种影响有时会导致3～5倍的误差），这给实际系统的调试带
双闭环控制系统设计 课程设计报告 电力拖动自动控制系统课程设计 题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级： Z070303 学号： Z07030330 指导教师：姬宣德 日期：2010年03月10日 随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得 到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的 这一缺陷。 双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得 良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以 及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有 必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是 旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic
process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一．课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10
- -- 课程设计 双闭环直流调速系统设计及仿真验证 学院年级：工程学院08级 组长：陈春明学号2 08自动化1班成员一：陈木生学号3 08自动化1班 指导老师： 日期：2012-2-28 华南农业大学工程学院
摘要 转速、电流双闭环调速系统是应用最广的直流调速系统，由于其静态性能良好，动态响应快，抗干扰能力强，因而在工程设计中被广泛地采用。现在直流调速理论发展得比较成熟，但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度。 Matlab是一高性能的技术计算语言，具有强大的科学数据可视化能力，其中Simulink具有模块组态简单、性能分析直观的优点，方便了系统的动态模型分析。应用Simulink来研究双闭环调速系统，可以清楚地观察每个时刻的响应曲线，所以可以通过调整系统的参数来得出较为满意的波形，即良好的性能指标，这给分析双闭环调速系统的动态模型带来很大的方便。 本研究采用工程设计方法，并利用Matlab协助分析双闭环调速系统，依据自动控制系统快、准、稳的设计要求，重点分析系统的起动过程。 关键词：双闭环直流调速Simulink 自动控制
目录 1、直流电机双闭环调速系统的结构分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.1 双闭环调速系统的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2 双闭环调速系统的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2 、建立直流电机双闭环调速系统的模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.1 小型直流调速系统的指标及参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.2 电流环设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.3 转速环设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3、直流电动机双闭环调速系统的MATLAB仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1 系统框图的搭建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.2 PI控制器参数的设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.3 仿真结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4、结论与总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5、参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 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。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 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。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，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。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 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。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个
双闭环直流电机调速系统设计 目录 一、设计任务与要求 (2) 1、设计题目及技术指标 (2) 1.1 设计题目 (2) 1.2 技术指标 (3) 2、系统总方案设计 (3) 2.1 逻辑无环流工作原理 (3) 2.2 系统设计分析 (4) 二、各个器件参数的设计 (5) 1、参数计算 (5) 1.1、变压器参数计算 (5) 1.2 平波电抗器参数计算 (5) 1.3可控晶闸管参数计算 (6) 2、双闭环调速系统 (6) 2.1、输出限幅 (6) 2.2、双闭环直流调速系统设计 (7) 2.3、电流调节器的设计 (10) 2.4转速调节器的设计 (11) 总结体会 (13) 参考文献 (14)
摘要 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。 关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器 一、设计任务与要求 1、 设计题目及技术指标 1.1 设计题目 为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流调速系统，且拟定该系统为晶闸管-电动机系统。已知系统中直流电动机主要数据如下： 额定功率kW P N 60=；额定电压V U N 220=； 额定电流A I N 220=；额定转速 min /1000r n N = ； 电枢电阻 Ω =05.0a R ；转动惯量 2 2 80m N GD ?= 电枢回路总电阻Ω=5.0R 电网供电电压为三相380V ；电网电压波动为+5% -- -10%；速度检测采用测速电机；控制系统电源电压为V 15± 测速发电机的选择
29 双闭环系统的最佳工程设计 双闭环系统的最佳工程设计 设计任务书 课程名称：电气技术综合实验 班级： 论文题目：双闭环系统的最佳工程设计 小组成员： 任课教师： 目录 第一章设计任务书2 1.1系统性能指标2
1.2设计内容2 1.3应完成的技术文件 2 第二章设计说明书3 2.1综述 3 2.2整流主电路 3 2.3触发电路的选择和同步 4 第三章设计计算书8 3.1整流装置的计算8 3.2计算系统中一些环节的参数确定其传递函数11 3.3双闭环系统的参数计算和系统原理图的确定12 3.4系统性能指标的校核计算17 第四章参考资料20 第五章附图与附表21 5.1系统基本原理图21 5.2静态结构图21 5.3动态结构图和相应的动态结构参数表 22 5.4典I典II的开环对数辐频特性图22 5.5系统参数表23 5.6元器件明细表27 5.7系统原理图28 第六章个人小结29
1.设计任务书 1.1 系统性能指标 1) 调速范围D ＞10 2) 静差率s ＜5% 3) 电流超调量i σ＜5% 4) 空载起动到额定转速的超调量n σ＜15% 调整时间s t ＜1s 5) 当负载变化20%的额定值、电网电压波动10%额定值时 最大动态速降N n n /max ?＜10% 动态恢复时间s t ＜0.3s 1.2 设计内容 1） 设计系统原理图 2） 计算调节器参数及其它参数 3） 编写课程设计说明书 1.3 应完成的技术文件 1） 设计说明书 2） 设计计算书 3） 系统原理图 4） 电器元件明细表
2.课程设计说明书 2.1 综述 运动控制系统也可称作电力拖动自动控制系统运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制，来改变电动机的转矩、速度、位移等机械量，使其拖动的机械按照人们期望的要求运行，以满足工业现场的要求。随着工业的发展，对于运动控制的要求也越来越高，在这种背景下，运动控制系统日趋复杂，逐渐成为一个跨多学科的综合性技术。运动控制系统主要用到以下学科的知识。 关键词：双闭环系统最佳电流环速度 2.2 整流主电路 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路应用十分广泛，直流电机就是其中一种十分常见的负载。 整流电路可从很多角度进行分类，主要分类方法是：按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分可分为单相、双相、三相和多相电路；按控制方法又可分为相控整流和斩波控制整流电路。 本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。这是因为电机容量相对较大，并且要求直流脉动小、容易滤波。其交流侧由三相电网直接供电，直流侧输出脉动很小的直流电。在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载。因为电机电流连续所以分析方法与阻感性负载相同，各参量计算公式亦相同。
运动控制课程设计 双闭环直流调速系统设计 学院自动化科学与工程学院专业 www 学生姓名 www 学生学号 ww 指导教师许玉格 提交日期 2013 年 9 月 4 日
目录 一、设计任务 (3) 1.1课程设计目的 (3) 1.2初始条件 (3) 1.3技术指标 (3) 1.4设计要求 (3) 二、双闭环调速系统设计 (4) 2.1双闭环调速系统概述 (4) 2.2双闭环调速系统电路原理图 (5) 2.3双闭环调速系统动态结构图 (5) 2.4设计的基本思路 (6) 2.5参数计算 (7) 2.7系统Simulink仿真 (10) 三、心得体会 (14) 四、参考资料 (15)
一、设计任务 1.1课程设计目的 1．联系实际，对双闭环直流电动机调速系统进行综合性设计，加深对所学《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2．熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3．培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的能力。 4．设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌握工程设计的方法。 5．掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 1.2初始条件 1．系统主电路总电阻R=2Ω 2．电磁时间常数：T1=0.005s 3．机电时间常数：Tm =0.2s 4．PWM整流装置：放大系数Ks=4.8, 失控时间Ts=0.4ms 5．电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s 6．额定转速时的给定电压：Unm =10V 7．转速调节器饱和输出电压Uim=10V 1.3技术指标 1．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥20），系统在工作范围内能稳定工作； 2．系统静特性良好，无静差； 3．动态性能指标：空载启动到额定转速的超调量δn＜9%，电流超调量δi＜4%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤0.1s； 4．调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。 1.4设计要求 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图； 1．绘制双闭环直流脉宽（PWM）调速控制系统线路图（主电路、控制电路（脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检 测与故障保护电路））； 2．对所设计出的双闭环PWM调速系统仿真实验，并给出仿真结果图；≤ 0.1s；
课程设计任务书 信息工程与自动化学院学院自动化专业10 年级 学生姓名：_11 _______ 课程设计题目：______ 双闭环直流调速系统调节器设计_________ 课程设计主要内容： 根据要求完成调节器的计算与工程设计，实现1、稳态：无静差；2、动态指标：电流超调<5%;转速超调<10%;、振荡次数N<2次。并绘制相关电路原理图。 电机参数及指标要求： 设计一个双闭环直流电动机调速系统，整流装置采用三相桥式电路， 电动机参数：U N=220V, P N=500Kw,l dN=760A,n N=375r/min,Ce=1.82V.min/r, 过载倍数入=1.5，整流装置放大系数Ks= 75,电枢回路总电阻R= 0.14 欧，时间常数TI=0.031s,Tm=0.112s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s, 转速反馈滤波时间常数Ton二0.02s，要求实现稳态无静差，电流超调量。 i %< 5%,空载起动到额定转速时的转速超调量（T n%w 10%,取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V,输出限幅值为10V,额定转速时转速给定 Un*10V。 设计指导教师（签字）：张寿明
教学基层组织负责人（签字）：__________________________ 2013年12月10日摘要：双闭环直流调速控制系统有较好性能，因而得到广泛应用。在实 际应用中，选定电动机后，其参数是不可变的，只能通过改变双闭环直流调速系统内环电流调节器和外环的转速调节器的参数来提高整个系统的性能。建立系统的数学模型，分别按 二阶最佳和三阶最佳设计方案，采用PI 控制算法，对电流调节器和转速调节器进行设计，对所建立的模型在Matlab6 ．5的环境下进行仿真，试验证明此设计是可行的。: 关键 字: 双闭环；直流调速系统；调节器 注：本系统设计由课本P95习题及运控大作业提供数据及初步模型
直流电机双闭环系统设计 院系：机电工程学院 班级：电气自动化一班 姓名： 学号： 1 1 0 2 0 3 0 1 4 2 指导教师： 目录
1引言 2调速系统的性能指标 2.1调速系统的稳态指标 2.2调速系统的动态性能指标 2.3系统结构选择 3数字直流电机调速系统的数字PID控制3.1基于单片机控制的直流电机双闭环调速系统3.2 PID调节器的基本原理 4总结与展望 4.1工作总结 4.2研究展 参考文献 直流电机双闭环系统设计摘要
近年来，自动化控制系统在各行业中得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统作为电力拖动系统的主要方式之一，在现代化生产中起着十分重要的作用。随着微电子技术的不断发展，计算机在调速系统中的应用使控制系统得到简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法也都分别在调速系统中得到了灵活。 以单片机为控制核心的数字直流调速系统有着许多优点：由于速度给定和测速采用了数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速的范围，提高了测速控制系统的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件数量大大减少；由于很多功能都是由软件实现的，使硬件得以简化，因此故障率小；单片机以数字信号工作，控制方法灵活便捷，抗干扰能力较强。 关键词：直流电动机；调速；双闭环 1引言 按照拖动的电动机的类型来划分，自动调速系统可以分为直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通的耦合较弱，使直流电动机具有良好的运行性能和控制特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，其在20世纪70年代以来一直在高精度，大调速范围的传动领域内占据主导地位。在要求高起、制动转矩，快速响应和较宽速度调节范围的电气传动领域中，采用直流电动机作为调速系统的执行电机。由于直流电动机具有良好的机械特性和调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内进行平滑调速，过载能力较大，能够承受频繁的冲击负载，可
第一章设计概述 一、课程设计的性质和任务： 本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为毕业设计和实际工程设计奠定基础。 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。这种调速系统只有两个调节器，即速度调节器（ASR）和电流调节器(ACR)，两个调节器作串级连接，其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。 本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试、设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。 自控系统调试所遵循的原则： 先部分，后系统：即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。 先开环，后闭环：即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。 先环，后外环：即首先对环进行调试（如在本此调试中就应先对电流环进行调试）,然后再对外环进行调试（如本此调试中的速度环调试）。 本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。整个调试完成后要求系统达到以下指标：
二、DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置简介 1 装置特点 (1)设计装置采用挂件结构，可根据不同设计容进行自由组合。 (2)装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电回路，造成设备损坏。 (3)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，分别设有电压型和电流型漏电保护装置，保护操作者的安全。 (4)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。 图2-1 DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置 2 装置技术参数 (1)输入：电压三相四线制，380V±10%，50Hz。 (2)工作环境：环境温度围为－5～40℃，相对湿度 < 75%，海拔高度 < 1000m。 (3)装置容量：＜1.5kVA (4)电机输出功率：＜200W 3 DJK01电源控制屏
西南大学 自动控制原理 课程设计(论文) 题目: 双闭环直流调速系统的设计 学生姓名：唐旖婕 专业：自动化 学号： 222012322270047 班级：2012 级 02 班 指导教师：彭生祥 成绩： 工程技术学院 2015年01月 目录
1、引言 2、设计任务及要求 2.1 设计任务 (3) 2.1 设计要求 (4) 3、理论设计 3.1 电机时间常数的测定 (4) 3.2 电流调节器设计 (6) 3.2.1 选择电流调节器结构 (6) 3.2.2 计算电流调节器参数 (7) 3.3 转速调节器设计 (8) 3.3.1 选择转速调节器结构 (8) 3.3.2 计算转速调节器参数 (9) 4、系统建模及仿真实验 4.1 三闭环仿真实验 (9) 4.2 调试过程 (9) 5、总结与体会
双闭环直流调速系统的设计 唐旖婕 西南大学工程技术学院，重庆 400715 1、引言 1.1 摘要 在直流调速系统中，转速、电流双闭环直流调速系统是应用最广的直流调速系统，传统的设计方法为工程设计方法，它对被控对象的模型做了理想化和近似处理，故工程设计方法是一种近似的设计，而对一些高性能系统要求起制动超调小、动态速降小、恢复时间短，则需采用更为先进的控制策略。 双闭环直流调速系统即速度和电流双闭环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已经能满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转矩也减小了，使起动加速过程变慢，起动的时间比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以就希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大的缩短。另一方面，在一个调节器的输出端有综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双闭环直流调速系统。 关键词：双闭环直流调速系统 ASR ACR 2、设计任务及要求 2.1 设计任务 1. 测定直流电机各参数，包括电枢回路电阻、电感、电磁时间常数及机电时间常数； 2. 按可逆调速的要求，选择直流电源的形式，给出电路图及输出波形图；不要求对具体的元件型号及参数进行选择，也不要求对电源本身的控制电路（如可控硅整流的触发电路与PWM整流的驱动电路）及相关的保护电路进行选择；
《运动控制系统》课程设计学院：物联网工程学院 班级： 姓名： 学号： 日期： 成绩:
文章编号： 双闭环模糊控制系统的设计与仿真 （江南大学物联网工程学院，江苏省无锡邮编214122） 摘要：直流电机具有良好的起动、制动性能，因此其在电力拖动自动控制系统中应用广泛。众所周知，直流电机的闭环系统静特性要比开环系统的机械特写硬的多，而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广泛的直流调速系统，但该系统依赖精确的数学模型，在增加解决环节的同时，系统模型趋于复杂，还可能会影响系统的可靠性。因此我们在总结了以前经验的同时，提出了双闭环模糊控制系统的的设计与仿真。 关键词：直流电机；双闭环系统；模糊控制 中图分类号：文献标识码：A Double Closed Loop Fuzzy Control System Design and Simulation Author name (Jiangnan University, Wuxi 214122, China) Abstract：DC motor has good starting, braking performance, therefore in the electric drive automatic control system is widely applied in the field of. As everyone knows, the closed-loop DC motor system static characteristics than the open loop system of mechanical feature of more than hardware, and speed, electric current double closed loop DC motor control system is of good performance, the most widely used DC speed regulating system, but the system depend on the accurate mathematical model, increase solve link at the same time, the system model tends to be complex, also may influence the reliability of the system. Therefore we are summing up the previous experience at the same time, put forward a double closed loop fuzzy control system design and simulation. Key words：DC Motor; Double Closed Loop System; Fuzzy Control 1 引言 2 双闭环直流调速系统的设计 直流电动机具有启动转矩大、调速范围宽等优势，在轧钢机、电力机车等方面仍广泛采用。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础；电力电子技术、计算机控制技术、智能控制理论的发展,，更为直流调速系统继续发展和应用提供了契机。进入21世纪后国外一些公司仍在不断推出高性能直 流调速系统。因此,对直流调速系统的研究仍具有重要意义。 直流调速系统中最典型的控制方式就是速度、电流双闭环调速。由于受参数时变和不确定性等因素的影响，传统的控制方法常受到很大的局限。另外，PID 控制方法往往在系统快速性与稳定性之间不能两者兼顾。模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，既能克服非线性因素的影响，又具有较强的鲁棒性。因此，给直流电动机双闭环调速系统引入模糊控制器，可以改善系统性能。 2.1 双闭环可逆直流调速系统的原理结构 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。二者之间实行串级联接。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;转速环在外面,称作外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图1所示。 图1直流双闭环调速系统结构 双闭环直流调速系统目前应用广泛、技术成熟，常采用PID控制方式，它具有结构简单、可靠等优点,取得了较好的控制效果。但是,在实际生产现场,由于条件限制,使得PID控制器参数的整定往往难以达到最优状态,另外,PID 控制方法必须在系统快速性与稳定性程度之间做出折衷,往往不能两者兼顾,而模糊控制能利用其非线性特性,突破PID方法的局限,使调速系统既有快速的动态响应,又有较高的稳定程度。除此之外,模糊控制又进一步提高了调速系统的鲁棒性。 调速系统的模糊控制模型在异步电动机闭环调
《运动控制系统》课程设计指导书 一、课程设计的主要任务 （一）系统各环节选型 1、主回路方案确定。 2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环 节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。 （二）主要电气设备的计算和选择 1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。 2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。 3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择 计算。 4、平波电抗器选择计算。 （三）系统参数计算 1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。 2、转速调节器ASR 中n n R C 、 计算。 3、动态性能指标计算。 （四）画出双闭环调速系统电气原理图。 使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。 二、基本要求 1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。 4、掌握触发电路的选型、设计方法。 5、掌握同步电压相位的选择方法。 6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。
7、掌握电气系统线路图绘制方法。 8、掌握撰写课程设计报告的方法。 三、 课程设计原始数据 有以下四个设计课题可供选用： A 组： 直流他励电动机：功率P e ＝，额定电流I e =，磁极对数P=1，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝， 电流给定最大值 10V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* B 组： 直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数C e = Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝，电流给定最 大值 10V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* C 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=，过载倍数λ＝，电流给定最大值 8V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* D 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=27，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Toi=，Ton=，过载倍数λ＝，电流给定最大值 8V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* ，β＝A ，α＝ Vmin ／r 双闭环直流电机调速系统设计参考案例 第一章 绪 论 1．1 直流调速系统的概述
双闭环直流调速系统的设计及其仿真
班级：自动化2班 学号：xxxxxxxx 姓名：xxxxxx 指导教师：xxxxxx 设计时间：2014年6月23日 目录 一、前言 (3) 1.课题研究的意义 (3) 2.课题研究的背景 (3) 二、总体设计方案 (3) 1. MATLAB 仿真软件介绍 (3) 2.设计目标 (4) 3.系统理论设计 (5)
4.仿真实验 (9) 5.仿真波形分析 (13) 三、心得体会 (14) 四、参考文献 (16) 一、前言 1．课题研究的意义 从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。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。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。2．课题研究的背景 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促
使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿, 多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争,新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。 3注意什么问题 二、总体设计方案 1.MATLAB 仿真软件介绍 本设计所采用的仿真软件是MATLAB。 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应用非常之广泛！MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。主要的优势特点为： ①高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来； ②具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化； ③友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握； ④功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。
控制系统数字仿真与C A D 实验报告
摘要 本实验报告的第一部分详细阐述了直流电动机双闭环调速系统的CAD设计过程，主要采用了MATLAB/Simulink工具箱。 一般情况下，KZ-D系统均设计成转速、电流双闭环形式。双闭环直流调速系统着重解决了如下两方面的问题：启动的快速性问题和提高系统抗扰性能。 双闭环KZ-D系统中的ASR和ACR一般均采用PI调节器。为了获得较好的跟随性能，电流环按照典型Ⅰ型系统设计，为了获得较好的抗扰性能，转速环按照典型Ⅱ型系统设计。按照先内环，后外环的设计思想设计。 实验报告的第二部分着重讨论了基于MATLAB/SimPowerSystem工具箱的双闭环直流调速系统仿真分析。
第一部分直流电动机双闭环调速系统设计与分析 自70年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采用了“晶闸管整流电动机调速”技术（简称KZ-D调速系统）。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ-D系统的应用还是占有相当比重的。 一般情况下，KZ-D系统均设计成转速、电流双闭环形式；“双闭环控制”是经典控制理论在实践中的重要运用，在许多实际生产实践中大量存在。无论是直流调速系统、龙门吊车系统还是一阶倒立摆的控制，都可以通过双闭环控制技术，来实现对控制对象的控制。因此理解双闭环控制技术的原理，掌握双闭环控制的设计方法，是工业控制领域技术人员的一项基本要求。 然而，由于双闭环控制技术所依赖的经典控制理论只能解决线性定常系统设计问题，而实际系统往往是非线性的；所以，设计时要进行线性化等近似处理，由此而引起的模型不准确问题将会影响到设计参数的选取（这种影响有时会导致3～5倍的误差），这给实际系统的调试带来不便。因此，如果能在计算机上对建立了精确数学模型的控制对象进行设计、数字仿真与CAD，将对控制系统的设计和参数的选取带来方便。 1.1 控制对象的建模 为了对系统进行稳定性、动态品质等动态性能的分析，必须首先建立起系统的微分方程式，即描述系统物理规律的动态数学模型。 1.1.1 额定励磁下的直流电动机的动态数学模型 图1给出了额定励磁下他励直流电机的等效电路，其中电枢回路电阻R和电感L包含整流装置内阻和平波电抗器电阻与电感在内，规定的正方向如图所示。 图1-1 直流电动机等效电路
⒑双闭环系统设计实例 摘要：本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。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。 1.引言 调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。 近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。 2.设计内容 2.1设计思路： 带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补