直流双环系统的设计及仿真分析——运动控制系统课程设计

运动控制课程设计双闭环直流调速系统设计题⽬: 双闭环直流调速系统设计初始条件：1.直流电机参数：10KW， 220V， 55A， 1000 r/min ，电枢电阻Ra＝0.5Ω电机过载倍数λ＝1.5，Ks＝40，Tl＝0.03 s，Tm＝0.18 s，设α＝0.07 v.min/r,β=0.05 v/A2.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式3.主电路采⽤三相全控桥，进线交流电源：三相380V要求完成的主要任务:1.转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成触发电路设计4. 主电路及其保护电路设计课程设计说明书应严格按统⼀格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

满⾜如下要求： 1．转速和电流稳态⽆差，电流超调量⼩于5％，转速超调量⼩于10％。

2. 对系统设计⽅案的先进性、实⽤性和可⾏性进⾏论证，说明系统⼯作原理。

3. 画出单元电路图，说明⼯作原理，给出系统参数计算过程。

4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及⽂字符号符合国家标准。

绪论在电⽓时代的今天，电动机在⼯农业⽣产、⼈们⽇常⽣活中起着⼗分重要的作⽤。

直流电机是最常见的⼀种电机，具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电⼒拖动等各领域中领域中得到了⼴泛的应⽤。

因此研究直流电机的控制和测量⽅法，对提⾼控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要的意义。

电机调速问题⼀直是⾃动化领域⽐较重要的问题。

不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速⽅法有着不同的应⽤场合。

本⽂设计分析直流双闭环的组成，设计直流双闭环的系统电路图，同时采⽤采⽤⼯程设计的⽅法对直流双闭环的转速和电流两个调节器进⾏设计。

因为电流调节器是内环，因此⾸先设计电流调节器，对其进⾏必要的变化和近似处理，电流环设计完后，把电流环等效成转速环的⼀个环节进⾏处理，从⽽设计转速环。

《运动控制系统》课程设计题目 :转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计1.设计题目转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计2.设计任务已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采纳三相桥式电路，基本数据以下：1）直流电动机： 160V、 120A、1000r/min、 C e=r，同意过载倍数λ=K s=302）晶闸管装置放大系数：3）电枢回路总电阻： R=Ω4）时间常数：T l =，T m=，转速滤波环节时间常数T on取5）电压调理器和电流调理器的给定电压均为10VSimulink成立系统试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调理器和转速调理器，并用模型，给出仿真结果。

系统要求：1）稳态指标：无静差2）动向指标：电流超调量σi≤ 5%；空载起动到额定转速时超调量σn≤ 10%3.设计要求依据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤以下：1）设计电流调理器的构造和参数，将电流环校订成典型I 型系统；2）在简化电流环的条件下，设计速度调理器的构造和参数，将速度环校订成典型II 型系统；3）进行 Simulink 仿真，考证设计的有效性。

4.设计内容1）设计思路：带转速负反应的单闭环系统，因为它能够跟着负载的变化而相应的改变电枢电压，以赔偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。

当反应控制闭环调速系统使用带比率放大器时，它依赖被调量的偏差进行控制的，所以是有静差率的调速系统，而比率积分控制器可使系统在无静差的状况下保持恒速，实现无静差调速。

对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，能够用附带电流截止负反应作限流保护，但这其实不可以控制电流的动向波形。

按反应的控制规律，采纳某个物理量的负反应就能够保持该基本量基本不变，采纳电流负反应就应当能够获得近似的恒流过程。

此外，在单闭环调速系统中，用一个调理器综合多种信号，各参数间互相影响，难于进行调理器的参数调速。

运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统一、设计背景和目的随着工业自动化的快速发展，运动控制系统的应用越来越广泛。

其中，不可逆直流PWM双闭环调速系统在许多场合具有重要作用。

本设计旨在加深对运动控制理论的理解，通过实际操作，掌握不可逆直流PWM双闭环调速系统的设计方法。

二、系统概述不可逆直流PWM双闭环调速系统主要包括电流反馈环和速度反馈环。

电流反馈环主要用于控制电流，速度反馈环则主要用于控制转速。

通过两个环路的协同作用，实现对电机转速的精确控制。

三、系统设计1.硬件设计本系统主要由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路组成。

功率电路包括PWM逆变器和整流器，用于实现直流电转换为交流电，并根据控制信号调节输出电压。

控制电路主要包括控制器和算法，用于实现对电流和转速的反馈控制。

检测电路包括电流检测和速度检测，用于实时监测电流和转速。

驱动电路包括PWM驱动器和H桥驱动器，用于驱动电机旋转。

2.软件设计本系统的软件部分主要包括电流控制环和速度控制环的实现。

电流控制环通过比较实际电流与设定电流的差值，运用PI（比例积分）控制算法调节PWM逆变器的输出电压，以实现对电流的精确控制。

速度控制环则通过比较实际速度与设定速度的差值，运用PI控制算法调节PWM驱动器的占空比，以实现对转速的精确控制。

两个环路之间采用串联连接，电流控制环作为速度控制环的内环，以实现对电流和转速的高效控制。

四、测试与分析1.测试方法为验证本系统的性能，需要进行电流控制环测试和速度控制环测试。

在电流控制环测试中，设定电流值，观察实际电流是否能够快速、准确地跟踪设定值。

在速度控制环测试中，设定转速值，观察实际转速是否能够快速、准确地跟踪设定值。

2.结果分析通过测试，可以发现本系统在电流控制环和速度控制环方面均具有较好的性能。

在电流控制环测试中，实际电流能够快速、准确地跟踪设定值，跟踪误差较小。

双闭环直流调速系统的设计与仿真设计本科毕业设计（论文）题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真研究Graduation Design (Thesis)Design and Simulation of Double Loop DC Motor Control SystemByWu JieSupervised byAssociate Prof. Zhang zhenyanDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyMay, 2014摘要为了提高运动控制系统在实际工程中的应用效率，本文介绍了直流调速系统的工程设计方法[1]，利用 MATLAB软件，对直流调速系统进行数学建模和系统仿真的研究。

所给出的仿真方法，可以灵活地调节系统的参数，从而获得理想的设计结果，并对设计出的系统进行分析。

建立调节器工程设计方法所遵循的原则是:1）概念清楚、易懂。

2）计算公式简明、好记。

3）不仅给出参数计算公式，而且指明参数调节方向。

4）能考虑饱和非线性控制的情况，同时给出简单的计算公式。

5）适合于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统[2]。

由于这个课题相对简单，我在里面加入了相关性的内容以丰富本课题的广度和深度。

在本设计中，我加入了三种简单的单闭环直流调速系统，并且通过对它们进行仿真分析，比较找出了它们的不足之处，从而更明显地体现了双闭环直流调速系统的优越性。

并且通过对两种典型的双闭环直流调速系统进行仿真分析，从而更好地理解和运用双闭环直流调速系统[3]。

关键词：直流电动机；双闭环调速；MATLAB；仿真；直流调速系统；直流脉宽调制；工程设计方法ABSTRACTIn order to raise application efficiency of the motion control system in actualproject ,this article discussed the engineering design methods of the speed-governing system of DC motor. The mathematical modeling and system simulation of direct current governor system are researched by means of MATLAB platform . The simulation method can adjust the system controller parameters flexibly, so as to achieve the ideal design results, and the design of the system are analyzed.A controller design method is the principles of:（1）The concept of clear, easy to understand.（2）Simple formula, easy to remember.（3）Not only gives the parameter calculation formula, and indicates the parameter adjustment direction.（4）Can consider the saturation nonlinear control, and gives a simple formula.（5）Suitable for all kinds of feedback control systems can be simplified into a typical system.Because this subject is relatively simple, I joined the correlation content inside to enrich the breadth and depth of the subject. In this design, I added three simple single loop DC speed regulation system, and then analyze them, compared to find their deficiencies, and thus more clearly showed the superiority of double closed loop DC speed regulating system. And through the simulation analysis of two kinds of typical double loop DC speed control system, so as to better understand and use the double loop DC speed control system.Keywords: DC motor, double closed loop，MATLAB，Simulation，V-M，PWM-M，The engineering design method目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1 课题研究背景 (1)1.2 直流调速系统国内外研究现状 (1)1.3 研究双闭环直流调速系统的意义 (2)1.4 论文的主要研究内容 (2)第二章仿真软件以及相关硬件简介 (3)2.1 MATLAB/Simulink仿真平台 (3)2.2 仿真的数值算法 (3)2.3 工程设计法 (4)2.4 直流电动机 (4)第三章简单闭环调速系统的设计与仿真 (5)3.1 单闭环有静差转速负反馈调速系统的设计与仿真 (5)3.2 单闭环无静差转速负反馈调速系统的设计与仿真 (11)3.3 带电流截止负反馈的转速反馈系统的设计与仿真 (13)3.4 简单闭环调速系统的优缺点比较 (15)第四章转速、电流双闭环直流调速系统的设计与仿真 (17)4.1 转速、电流双闭环调速系统的设计与仿真 (17)4.2 V-M直流调速系统的设计与仿真 (19)4.3 PWM-M直流调速系统的设计与仿真 (26)第五章总结与展望 (34)致谢 (35)参考文献 (36)第一章绪论1.1 课题研究背景在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能[4]。

本科生课程论文课程名称运动控制系统学院机自学院专业电气工程及其自动化学号 1212XXXX学生姓名翟自协指导教师杨影分数题目：双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析，仿真时间10s。

具体要求如下：在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：P N=60kW，U N=220V，I N=308 A，n N=1000 r/min ，电动势系数C e=0.196 V·min/r ，主回路总电阻R=0.18Ω，变换器的放大倍数K s=35。

电磁时间常数T l=0.012s，机电时间常数T m=0.12s，电流反馈滤波时间常数T oi=0.0025s，转速反馈滤波时间常数T on=0.015s。

额定转速时的给定电压(U n∗)N=10V，调节器ASR，ACR饱和输出电压U im∗= 8V ，U cm=7.98V。

系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量≤5% ，空载起动到额定转速时的转速超调量≤10%。

试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR。

（3）在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。

给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。

并与仿真结果进行对比分析。

（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。

（6）在5s突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。

解：（1）β=U im∗I dm=8V1.1∗I N=8V339A=0.0236 V A⁄α=101000⁄=0.01V min r⁄（2）①电流调节器设计确定时间常数：a) T s=0.00333sb) T oi=0.0025sc) T∑i=T oi+T s=0.0025+0.00333=0.00583s电流调节器结构确定：因为σi≤5%，可按典型I型系统设计，选用PI调节器，W ACR(S)=K i(τi S+1)τi S电流调节器参数确定：τi=T l=0.012s，选K I T∑i=0.5 ，K I=0.5T∑i⁄=85.76 s−1，K i=K Iτi RK sβ=85.76×0.012×0.1835×0.0236=0.224校验等效条件：ωci=K I=85.76 s−1电力电子装置传递函数的近似条件：1 3T s =13×0.00333=101.01>ωci忽略反电势的影响的近似条件：3√1T m T l =3√10.12×0.012=79.06 s−1<ωci电流环小时间常数的近似条件：1 3√1T s T oi=13√10.00333×0.0025=115.52 s−1>ωci可见满足近似等效条件。

1 绪论当今社会电机是非常重要的。

因为它与人们日常发电和用电是密切相关的，它实现了机械能与电能之间的相互转换，国内各方面都不可缺少的重要设备。

通过研究电机转速控制方面的技术，不但能满足工业生产需要、而且可以提升能源的利用率，对国家的经济发展有着很大的作用。

1.1 电机调速系统控制及其分类电机可以分为两大类：直流电机和交流电机。

直流电机在电机的运行和控制方面的优势比较突出，所以直流调速系统在很多方面一直有着无可代替的位置。

特别是高性能的调速系统在很多工业领域都占据着重要的位置。

而且直流调速系统也是其他调速系统的基础，想要开发新的调速系统必须先发展直流调速系统。

如现在的智能调速系统，也是先以直流调速系统为基础来进行研究的。

直流调速系统的应用是相当广泛的，特别是在数字采集与计算机的控制方面的应用是无可厚非的，因为其控制算法对于控制系统起着非常重要的作用。

虽然直流电机在调速方面是比较优秀的，但是它也是存有弊端的，那就是换向器的存在。

因为这样会使直流电机的使用时间减少，而且需要经常的去维护电机，这样造成的麻烦也是相当多的，所以这也是直流调速系统的不足之处。

而交流电机其构造比较紧凑，而且安装与维护都是比较简单的，没有直流电机那么繁琐，所以正因为具有这些优点，所以这些年来许多大型企业都开始向交流电机调速系统方面研究。

在当今社会竞争是相当激烈的，所以只有质量可靠才能得到消费者的信赖。

所以由于消费者的需求不断提升，随之给工业的生产也带来了很大的困扰。

因为生产的过程在不断的复杂化，所以生产系统也不可避免的会遇到非线性情况。

虽然在很多时候我们都可以用线性代替非线性，这样的话只需研究线性模型就比较简单了。

然而在很多情况下线性模型是不能够代替非线性模型的，人们需要系统的真实非线性模型，所以我们需要去建立和研究非线性模型，当然这比线性模型会繁琐很多。

1.1.1 调速控制系统的发展现状及其应用由于直流调速系统自身的特点，即调速的性能优越、起动时的转矩比较大。

双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告一、系统结构设计双闭环直流调速系统由两个闭环控制组成，分别是速度子环和电流子环。

速度子环负责监测电机的转速，并根据设定值与实际转速的误差，输出电流指令给电流子环。

电流子环负责监测电机的电流，并根据电流指令与实际电流的误差，输出电压指令给电机驱动器，实现对电机转速的精确控制。

二、参数选择在进行双闭环直流调速系统的设计之前，需选择合适的控制参数。

根据实际的电机参数和转速要求，确定速度环和电流环的比例增益和积分时间常数等参数。

同时，还需根据电机的动态特性和负载特性，选取合适的速度和电流传感器。

三、控制策略速度子环采用PID控制器，通过计算速度误差、积分误差和微分误差，生成电流指令，并传递给电流子环。

电流子环也采用PID控制器，通过计算电流误差、积分误差和微分误差，生成电压指令，并输出给电机驱动器。

四、仿真实验为了验证双闭环直流调速系统的性能，进行了仿真实验。

首先，通过Matlab/Simulink建立双闭环直流调速系统的模型，并设置不同转速和负载条件，对系统进行仿真。

然后，通过调整控制参数，观察系统响应速度、稳定性和抗干扰性等指标的变化。

五、仿真结果分析根据仿真实验的结果可以看出，双闭环直流调速系统能够实现对电机转速的精确控制。

当系统负载发生变化时，速度子环能够快速调整电流指令，使电机转速保持稳定。

同时，电流子环能够根据速度子环的电流指令，快速调整电压指令，以满足实际转速的要求。

此外，通过调整控制参数，可以改善系统的响应速度和稳定性。

六、总结双闭环直流调速系统是一种高精度的电机调速方案，通过双重反馈控制实现对电机转速的精确控制。

本文介绍了该系统的设计与仿真实验，包括系统结构设计、参数选择、控制策略及仿真结果等。

仿真实验结果表明，双闭环直流调速系统具有良好的控制性能，能够满足实际转速的要求。

运动控制系统课程设计专业：自动化设计题目：双闭环直流电机调速系统设计班级：自动化0942学生姓名：周孝红学号： 08指导教师：雷霞分院院长：许建平教研室主任：叶天迟电气工程学院一、课程设计任务书1.设计参数三相桥式整流电路，已知参数为：P N =555K W ,U N =750V,I N =760A,n N =375r/min,电动势系数Ce=1.82V.min/r,电枢回路总电阻R=0.14Ω，允许电流过载倍数λ=1.5，触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.031s,机电时间常数Tm=0.112s 电流反馈时间常数Toi=0.002s,转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s 。

且调节器输入输出电压U*nm=U*in=U*cm=10V,调节器输入电阻R 0=40K Ω。

2.设计内容1）根据题目的技术要求，分析论证并确定闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

2） 建立双闭环调速系统动态数学模型。

3）动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR 调节器与ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

4） 利用MATLAB 进行双闭环调速系统仿真分析，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

3.设计要求：1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（10D ≥），系统在工作范围内能稳定工作。

2）系统静特性良好，无静差（静差率2S ≤）。

3）动态性能指标：转速超调量δn ≤10%，电流超调量5%i δ<，动态最大转速降810%n ∆≤~，调速系统的过渡过程时间（调节时间）1s t s≤。

4)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。

5)主电路采用三项全控桥。

4. 课程设计报告要求1）、要求在课程设计答辩时提交课程设计报告。

2）、报告应包括以下内容：A、系统各环节选型双闭环直流调速系统的工作原理调节器的工程设计Simulink仿真B、系统调试过程介绍，在调试过程中出现的问题，解决办法等；C、课程设计总结。

课程设计题目直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）学院自动化学院专业自动化专业班级1005班姓名指导教师刘芙蓉2014 年01 月10 日课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化1005 班指导教师：刘芙蓉工作单位：自动化学院题目: 直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）初始条件：双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。

系统基本数据如下：直流电动机：U nom=220V ，I nom=136A ，n nom=1460r/min ，C e 0.132V min/ r ，允许过载倍数 1.5 ，额定转速时的给定电压U n* 10V ,调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压U i*m 10V 。

时间常数：T L=0.03s，T m=0.18s，晶闸管装置放大倍数：K S=40，电枢回路总电阻：R=0.5Ω。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）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i5% ；空载起动到额定转速时的转速超调量n 20% ，过渡过程时间t s 0.1s。

画出系统结构框图并计算：（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α ；（2）设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取R0 40k ）；（3）设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取R0 40k ）；（4）让电机带载（带一半额定负载）启动到额定转速，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。

时间安排：2013.12.25 布置课程设计题目2013.12.26 - 2013.12.29完成课程设计2013.12 ．30 –2014.1.3撰写课程设计报告2014.1.6 答辩并上交报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签年月日名：目录摘要................................................................... 1...直流双闭环控制系统的设计................................................ 2...1 直流双环系统工作原理.................................................. 2...1.1 直流双环系统的组成框图.............................................2...1.2 直流双环系统的数学模型............................................. 3...1.2.1 直流双环系统的稳态（静态）数学模型.............................. 3.1.2.2 直流双环系统的动态数学模型 ..................................... 3..1.3 直流双环系统的动态过程描述......................................... 4..2 调节器的工程设计方法概述.............................................. 6...3 直流双环系统的动态设计与校验.......................................... 6..3.1 直流双环系统电流环设计............................................. 6...3.1.1 电流环调节器结构选择 ........................................... 6..3.1.2 电流环调节器参数计算 ........................................... 7..3.1.3 电流环设计校验近似条件 ......................................... 7..3.1.4 计算电流调节器电阻和电容 ....................................... 8..3.2 直流双环系统转速环设计............................................. 9...3.2.1 转速环调节器结构选择 ........................................... 9..3.2.2 转速环调节器参数计算 ........................................... 9..3.2.3 转速环设计校验近似条件 ........................................ 1..03.2.4 计算转速调节器电阻和电容 ...................................... 1..04 直流双环系统MATLAB/SIMULINK 仿真................................... 1..2 4.1 直流双环系统电流环仿真........................................................................ 1..2 .4.2 直流双环系统总体仿真........................................................................ 1..3 .5 心得体会1..6..参考文献........................................................................ 1..7 ..摘要运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象、以控制器为核心、以电力电子功率变换装置为执行机构、在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。