转速、电流反馈控制直流调速系统仿真

双闭环直流调速系统设计及仿真一转速、电流双闭环控制系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。

这种理想的起动过程如图1所示。

nnt图1 转速调节系统理想起动过程为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。

根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。

因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。

这里实际提到了两个控制阶段。

起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。

如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。

如图2所示。

图2 双闭环直流调速控制系统原理图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。

如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。

因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要而定。

滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。

所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用表示[2]。

二双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。

双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

潇湘学院《课程设计报告》题目：带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：指导教师：陈敏初始条件：1．技术数据输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A额定励磁电压110V 功率因数0.85电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH电机机电时间常数2S电枢允许过载系数1.5额定转速 1430rpm2．技术指标稳态指标：无静差（静差率s≤2%, 调速范围 D≥10 ）动态指标：系统稳定要求完成的主要任务:1．技术要求：(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 ≥10），系统在工作范围内能稳定工作(2) 根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相关参数，(3) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续2．设计内容：(1) 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(2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流截止负反馈的作用,(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB 来进行调节器的参数调节。

(4) 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书目录摘要 (3)1.闭环调速控制系统构成 (5)1.1 主电路 (5)1.2 原理框图 (5)2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析 (6)2.1电流截止负反馈的提出 (6)2.2 电流截止负反馈环节 (7)2.3 带电流截止负反馈调速系统结构框图和静特性 (8)3 参数设计 (10)3.1整体分析 (10)3.2稳定性参数计算和判断 (10)3.3 转速调节器校正 (11)3.3.1 PI调节器结构 (11)3.3.2 调节器的选择 (12)3.4 电流截止负反馈参数设计 (16)4. 电流MATLAB仿真 (17)4.1 将设计的参数进行仿真 (17)4.2 调节器参数调整 (18)5.电气总图 (19)6.结束语 (20)参考文献 (20)摘要为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。

本科课程设计题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真姓名王金良学院专业电气工程及其自动化年级学号指导教师2013 年1月11日转速、电流反馈控制直流调速系统仿真摘要转速、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。

关键词：双闭环调速、转速、电流、Simulink一、 设计的题目及任务〔一〕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。

〔二〕仿真题目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α=0.00666Vmin/r 。

〔三〕要完成的任务1〕用MATLAB建立电流环仿真模型；2〕分析电流环不同参数下的仿真曲线；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。

实验三转速负反馈闭环调速系统的仿真一．实验目的熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。

学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立比例积分控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。

二．实验器材PC机一台，MATLAB软件三．实验参数采用比例积分控制的转速负反馈直流调速系统，结构框图参考教材P51的图2-45，其各环节的参数如下：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= 0.192 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 = 0.00167 s。

电枢回路总电阻R =1.0 Ω，电枢回路电磁时间常数Tl = 0.00167 s，电力拖动系统机电时间常数Tm = 0.075 s。

转速反馈系数α= 0.01V·min/r。

对应额定转速时的给定电压Un*=10V。

电流负反馈采样电阻Rs = 0.1 Ω，临界截止电流Idcr=1.3IdN，比较电压Ucom = Idcr Rs。

四．实验内容1、根据所提供的系统参数，参考教材P51中图2-45建立采用比例积分控制的转速闭环调速系统的仿真模型。

图1比例积分控制的直流调速系统仿真图2、在理想空载下，改变比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i （如表1所示），观察调速系统输出转速n 的响应曲线，记录转速的超调量、响应时间、稳态值等参数，以及电枢电流I d 的响应曲线，记录相关数据，并分析原因。

表1 比例积分系数表1不同比例系数K p 和积分系数K i 时的转速数据对比t/sn (r /m i n )不同比例系数Kp 和积分系数Ki 的转速n 曲线t/sI d /A不同比例系数Kp 和积分系数Ki 的电枢电流Id 曲线表2不同比例系数K p和积分系数K i时的电枢电流数据对比通过表1、2可得，当K p0.25，K i=3时，在响应阶段中转速变化比较慢且无超调，其稳态值999.55r/min，并且电枢电流比较小，波动范围也比较窄；当K p=0.56，Ki=11.43时，在响应阶段中转速变化比较快，其稳态值达到1000r/min，并且电枢电流较大，波动范围稍大一点，响应时间较短，约为0.26s；当Kp=0.8，Ki=15时，响应阶段中转速变化快，其稳态值达到1000r/min，响应时间短，约为0.2s，电枢电流大，波动范围大。

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,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下：1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r,允许过载倍数λ=2）晶闸管装置放大系数：K s=303）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）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果;系统要求：1）稳态指标：无静差2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%3. 设计要求根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如下：1）设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统；2）在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统；3）进行Simulink仿真,验证设计的有效性;4.设计内容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;当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量的偏差进行控制的,因此是有静差率的调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速,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,可以用附带电流截止负反馈作限流保护,但这并不能控制电流的动态波形;按反馈的控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变,采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程;另外,在单闭环调速系统中,用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难于进行调节器的参数调速;例如,在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中,同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节,调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质;按照电机理想运行特性,应该在启动过程中只有电流负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速反馈,双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时,转速负反馈起主要作用,当电流达到最大值时,电流负反馈起主要作用,得到电流的自动保护;2双闭环调速系统的组成：a.系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图;图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置;电流环在内,称之为内环；转速环在外,称之为外环;两个调节器输出都带有限幅,ASR的输出限幅什U im决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值U im,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm 限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角α;图2－1 双闭环调速系统电路原理图b.系统动态结构图图2-2为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,须加低通滤波,其滤波时间常数T oi按需要选定;滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量,但同时也给反馈信号带来了延滞;为了平衡这一延滞作用,在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节;其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞,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有电机的换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数用T on表示;根据和电流环一样的道理,在转速给定通道中也配上时间常数为T on的给定滤波环节;T oi—电流反馈滤波时间常数T on—转速反馈滤波时间常数图2－2双闭环调速系统的动态结构图3）按工程设计方法设计双闭环系统的ACR：设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始,一环一环地逐步向外扩展;在这里是：先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器;a.确定时间常数整流滤波时间常数T s,三相桥式电路的平均失控时间T s=；电流滤波时间常数T oi,三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本虑平波头,应有1～2Toi=,因此取Toi=2ms=；电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=T s+T oi=;b.选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%,并保证系统稳态电流无误差,因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI 型,其传递函数为: W ACR s =isis Ki ττ1+ c.校验近似条件电流环截止频率11.135-==s KI ci ω； 晶闸管装置传递函数近似条件为：13ci sw T ≤=,满足近似条件； 忽略反电动势对电流环影响的条件为：ci w ≥满足近似条件； 小时间常数近似条件处理条件为：ci w ≤=, 满足近似条件;d.计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示,按所用运算放大器取R 0=40kΩ,各电阻和电容值计算如下：,取30k; ,取;-图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：σi %=%<5%,满足设计4按工程设计方法设计双闭环系统的ASR ：a.确定时间常数电流环等效时间常数为20.0074i T s ∑=；转速滤波时间常数Ton ,根据所用测速发电机波纹情况,取Ton=； 转速环小时间常数n T ∑ 按小时间常数近似处理,取n T ∑=20.0174i T Ton s ∑+=;b ．选择转速调节器结构由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统设计速度环,故ASR 选用PI 调节器,其传递函数为：1()n ASR nn s W s K sττ+= c.计算速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则,取h=5,则ASR 的超前时间常数为：50.01740.087n n hT s τ∑==⨯=,转速环开环增益： 2224.39621-∑=+=s T h h K nN 于是,ASR 的比例系数: =d.校验近似条件由转速截止频率：15.341-===s n KN KNcn τωω; 电流环传递函数简化条件： ,满足简化条件; 转速环小时间常数近似条件为： ,满足近似条件;e.计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示,取040R k =Ω,则,取550k; ,取;图3－2含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器-按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：当h=5时,查表得%,虽然不满足设计要求,而实际上,突加阶跃给定时,ASR 饱和,应按退饱和的情况重新计算超调量,实际%,满足设计要求;5内、外开环对数幅频特性的比较图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上,其中各转折频率和截止频率依次为：13.2700037.011-==∑s i T ,151.570174.011-==∑s n T , 151.34-=s cn ω,15.11087.011-=s n τ; 以上频率一个比一个小,从计算过程可以看出,这是必然的规律;因此,这样设计的双闭环系统,外环一定比内环慢;一般来说,1150~100-=s ci ω,150~20-=s cn ω;从外环的响应速度受到限制,这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点;然而,这样一来,每个环本身都是稳定的,对系统的组成和调试工作非常有利;总之,多环系统的设计思想是：以稳为主,稳中求快;L/dBO1/-s ωiT ∑1ciωnT ∑1cn ωnτ1InI-电流内环 n-转速外环图4－1又闭环系统内环和外环的开环对数幅频特性－20－40－20－406 晶闸管的电压、电流定额计算a.晶闸管额定电压U N晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um ,考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素,还要放宽2～3倍的安全系数,即按下式选取U N ＝2～3Um ,式中系数2～3的取值应视运行条件,元件质量和对可靠性的要求程度而定;b.晶闸管额定电流I N为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流的有效值来计算其电流额定值;即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值;可按下式计算：I N =~2K fb I MAX ;式中计算系数K fb =Kf/由整流电路型式而定,Kf 为波形系数,Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数;当α=0时,三相全控桥电路K fb =,故计算的晶闸管额定电流为I N =~2K fb I MAX =~2 ××220×=～,取200A;7平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器的电感量时,要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中,扣除上述两种电感量;a.电枢电感量L M 按下式计算)(2103mH I Pn U K L NN N D M ⨯=P —电动机磁极对数,K D —计算系数,对一般无补偿电机：K D =8~12; b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感L B 按下式计算)(100%2mH I U U K L dK BB •= U 2—变压器次级相电压有效值,I d —晶闸管装置直流侧的额定负载电流,K B —与整流主电路形式有关的系数;c.变流器在最小输出电流I dmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算min2d I U K L •=, K 是与整流主电路形式有关的系数,三相全控桥K 取则L ＝mH.6）进行Simulink 仿真,验证设计的有效性a. 电流闭环的仿真如下图：为了研究系统的参数对动态性能的影响,分别取K I T ∑i =、、、,此时K I 的值也会随之变化,运行仿真,即可得不同K I 值的阶跃响应曲线：图6-1 KT=的阶跃响应曲线图6-2KT=的阶跃响应曲线图6-3 KT=的阶跃响应曲线图6-4 KT=的阶跃响应曲线由曲线可以看出如果要求动态响应快,可取KT=；如果要求系统超调小,则应把KT 的值取小些,可取KT<;无特殊要求,取折中值KT=,,称为最佳二阶系统;图6-1~图6-4反映了PI 调节器的参数对系统品质的影响趋势,在工程设计中,可以根据工艺的要求,直接修改PI 调节器的参数,找到一个在超调量和动态响应快慢上都较满意的电流环调节器;b. 转速环的仿真设计在增加转速环调节后,转速环开环传递函数如下： )1()1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ 校正后的调速系统动态结构框图如下所示：其中me n n N T C R K K βτα=;在matlab中搭建好系统的模型,如下图：转速环的仿真设计为满足系统在不同需求下的跟随性与抗扰行能要求,取h的之分别为：3、5、7、9. 用matlab仿真结果如下：图7-1h=3时的阶跃响应曲线图7-2h=5时的阶跃响应曲线图7-3h=7时的阶跃响应曲线图7-4h=9时的阶跃响应曲线由图可以看出：h值越小,动态降落也越小,恢复时间、调节时间也短,抗扰性能也越好,但是,从h<5以后,由于震荡剧烈h越小,恢复时间反而延长,综合起来看,h=5是最佳选择,也即最佳三阶系统;对电流环与转速环都是根据实际需要调节参数的,对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小,但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大,抗扰性能较好;5.设计心得a.通过该次设计,更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统的结构组成以及它的工作原理,加深了对开环、闭环有静差、无静差调速的理解---闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低的稳态误差;b.由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程,其基本思想是先内环再外环;在结构框图的处理过程中有多处近似处理,简化了传递函数,从而使问题得到简化,因此称为被称为“工程设计方法”,这意味着在实际的应用中,在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的;从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着一些列的变化显示人们人知的渐进性;仿真是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成的,仿真的直观的证明了最佳二阶、三阶系统的参数,并再一次体现了matlab在控制中的重要作用,的确是一个很强大的仿真工具;整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制相关知识理解程度,相当于也许经过证明的才是最可靠的;d.由于水平有限,设计中肯定有许多错误和不足的地方,敬请老师指正;6．参考文献【1】陈伯时,电力拖动自动控制系统;机械工业出版社;【2】李荣生,电气传动控制设计指导;;。

电力拖动自动控制系统仿真实验报告课程名称：电力拖动自动控制系统课程编号：年级/专业/班：姓名：学号：任课老师：实验总成绩：电力拖动自动控制系统仿真实验报告实验项目名称：转速反馈控制直流调速系统实验指导老师：一、实验目的：1、进一步学习利用MA TLAB下的SIMULINK来对控制系统进行仿真。

2、掌握转速、电流反馈控制直流调速系统的原理。

3、学会利用工程的方法设计ACR、ASR调节器的方法。

二、仿真实验电路模型：比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型三、实验设备及使用仪器：安装windows系统和MATLAB软件的计算机一台四、仿真实验步骤（按照实际建模操作过程填写）：1、打开模型相关编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择File —New—Model菜单项实现。

复制相关原器件：双击所需要子模块图标，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。

2、模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端处，则在两模块间产生—>线。

修改相关参数：双击模型图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。

3、仿真过程的启动：单击启动仿真工具的按钮或选择Simulation—Strat菜单栏，则可启动仿真过程，再双击Scope模块就可以显示仿真结果。

4、仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的默认值注意改动，这里把Strat time和Stop time栏分别填写仿真的起始时间和结束时间，把默认时间从10.0s修改为0.6s。

重新启动仿真。

5、调节其参数的调整：根据工程的要求，选择一个合适的PI参数。

Kp=0.25,1/t=3,系统转速的相应无超调，但调节时间很长；当Kp=0.8，1/t=15，系统转速的相应的超调较大，但快速性较好。

五、实验数据、图表或计算等：修改控制参数后的仿真结果Kp=0.25,1/t=3,系统转速的相应无超调，但调节Kp=0.8，1/t=15，系统转速的相应的超调较大，但快速性较好。

运动控制系统——转速反馈控制直流调速系统的仿真姓名：李冬艳学号：200810401159班级：自动化081班转速反馈控制直流调速系统的仿真工具：MATLAB下的SIMULINK仿真软件一、转速反馈控制直流调速系统各环节的参数如下：直流电动机：额定电压Un=220V，额定电流IdN=55A，额定转速nN=1000r/min，电动机电动势系数Ce=0.192V.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=0.00167s。

电枢电路总电阻R=1.0欧姆，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s。

转速反馈系数a=0.01V.min/r。

对应额定转速时的给定电压Un*=10V。

二、仿真模型的建立进入MATLAB界面，单击工具栏中的SIMULINK图标，打开SIMULINK的模块浏览器窗口。

如图2-1所示。

图2-1 SIMULINK模块浏览器窗口1、打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中的新模型图标或选择File→New→Model菜单项打开模型编辑窗口。

2、复制相关模块：图2-1中的左边模块为所需的子模块库图标，右边为相应子模块库里的子模块。

双击子模块库图标，将所需的子模块拖入模型编辑窗口。

如图2-2所示，图2-2 模型编辑窗口3、修改模块参数：双击模块图标，在弹出的对话框中根据所给的要求修改模块参数。

如图2-3示，图2-3 模型编辑窗口4、模块连接：鼠标左键单击以连接各模块。

把相应的参数数据送人图2-3，其中PI调节器的值暂定为Kp=0.56,1/t=11.43。

最终生成图2-4所示的比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型。

图2-4 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型三、仿真模型的运行1、仿真过程的启动：单击模型编辑窗口中工具栏的运行按钮或者选择Simulation→Start菜单项，可启动仿真过程，再双击Scope 模块就可以显示仿真结果。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真 一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、闭环直流调速系统稳态参数的计算 1）额定负载时的稳态速降应为：m i n/12.6min /)02.01(1002.03000)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数： r V r V n R I U C N a N N e min/071.0min/3000087.03.87220⋅=⋅⨯-=-=闭环系统额定速降为：min /97.106min /071.0087.03.87r r C R I n e N op =⨯==∆闭环系统的开环放大系数为：5.16112.697.1061=-≥-∆∆=clop n n K003.0/max max n ==n U α3）计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数K p 为:5.16/e p ≥=s K KC K α电枢回路的总电感为0.0032H电磁时间常数为037.0/l ==R L T 27/1l ==τK4)电流截止负反馈 四加电网扰动（第8s电压220→240）负载扰动给定值扰动五、将PI调节器参数改变1.电网扰动（第8s电压220→240）2.负载扰动3.给定值扰动转速、电流双闭环直流调速系统设计与仿真一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、电流调节器ACR 参数计算允许电流过载倍数λ=2；设调节器输入输出电压im nm **U U ==10V ，电力电子开关频率为f=l kHz ．首先计算电流反馈系数β和转速反馈系数α：06.0 I n im *==ββλU N U n nm *α= α=0.003s T 001.0s = ，电流环小时间常数为s T T T oi 002.0s i =+=∑电流调节器超前时间常数为s T K l i 015.0/1i ===τ 而对电流环开环增益局l K =250/5.0=∑i T ，于是ACR 的比例系数为：94.4/i l i ==s K R K K βτ 四、转速调节器ASR 参数计算 选中频段宽度h=5。

《运动控制系统》课程设计转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计专业：****年级：****学号：***姓名：***指导老师：***转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计一、设计目的1、应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

2、应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

二、系统设计参数直流电动机控制系统设计参数：（直流电动机(3) ）输出功率为:5.5Kw电枢额定电压220V 电枢额定电流30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH电机机电时间常数1S电枢允许过载系数 =1.5 额定转速970rpm直流电动机控制系统设计参数环境条件：电网额定电压:380/220V; 电网电压波动:10%; 环境温度:-40~+40摄氏度; 环境湿度:10~90%.控制系统性能指标： 电流超调量小于等于5%; 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;调速范围D ＝20; 静差率小于等于0.03.1、设计内容和数据资料某直流电动机拖动的机械装置系统。

主电动机技术数据为：V U N 220=,A I N 30=，m in 970r n N =，电枢回路总电阻Ω=2.0R ，机电时间常数s T m 1=，电动势转速比r V C e m in 221.0•=，Ks=40，ms T l 5.0=，Ts=0.0017ms ，电流反馈系数A V 85.0=β，转速反馈系数r V m in 5.1•=α，试对该系统进行初步设计。

2、 技术指标要求电动机能够实现可逆运行。

转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真基本数据如下：1.直流电动机：V U N 220=、A I N 136=、min/1460r n N =)min /(132.01-∙=r V C e ，允许过载倍数λ=1.5；2.晶闸管装置放大系数：40=s K ；电枢回路总电阻：R=0.5Ω；4.时间常数：s T l 03.0=，s T m 18.0=；电流反馈系数A V I U Nim /05.05.1*==β；转速反馈系数：)min /(007.01460101*-⋅===r V n U N nm α无静差，电流超调量%5≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%10≤n σ。

一、电流环仿真图1电流环仿真模型图2仿真结果图3无超调图4较大超调二、双闭环仿真仿真结果显示在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，因为电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，为一个线性渐增的扰动量，系统做不到无静差。

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，构成转速、电流双闭环调速系统。

图5双闭环调速系统仿真模型图6转速环空载高速起动图7转速环满载高速起动图8转速环抗扰波形三、分析总结双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程的波形。

按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。

从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。

带PI调节器的双闭环调速系统还有转速必超调的特点。

在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流；ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。

与带电流截止负反馈的直流调速系统相比，双闭环控制直流调速系统充分利用电机允许的过载能力，在转速上升阶段始终保持电机允许电流的最大值，使电机转速以最大加速度上升；在到达稳定转速后，电流又能在短时间内降下来，使转矩与负载相平衡从而稳态运行，有良好的起动性能。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的设计和仿真1.设计原理带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统由速度反馈环和电流反馈环组成。

其基本原理是，通过测量电机驱动器的输出转速，并与给定的转速进行比较，从而产生误差信号。

误差信号经过比例、积分和微分三个环节进行处理后，作为电机驱动器的控制量，用于调节电机的输入电压。

具体的设计步骤如下：(1)确定电机的调速要求和性能指标，包括稳态误差、调速范围、动态响应时间等。

(2)根据电机的参数和特性曲线，确定理想的速度控制系统传递函数。

(3)选择合适的调节器类型和参数，并确定反馈信号的获取方式。

(4)设计速度环和电流环的控制回路，包括比例、积分和微分环节的参数设置。

(5)进行系统稳态和动态性能的仿真和分析。

2.仿真过程在进行仿真前，需要先确定电机的参数和特性曲线，并建立相应的数学模型。

然后，在Simulink等软件中搭建整个调速系统的模型。

具体步骤如下：(1)根据电机的特性曲线确定电机的传递函数模型，例如：Gs=1/(Js+B)其中，Gs为电机的机械转速传递函数，J为转动惯量，B为阻尼系数。

(2)设计速度环的控制回路，包括比例环节、积分环节和微分环节。

通常采用PID控制器，其传递函数为：Gc=Kp+Ki/s+Kd*s其中，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分环节的增益。

(3)设计电流环的控制回路，采用电流截止负反馈的方式。

电流环的控制器传递函数为：Gc=Kc*(1+s*Rf)其中，Kc为增益，Rf为电流截止反馈的滤波器。

(4)将速度环和电流环相连接，构成整个闭环控制系统。

(5)进行系统的仿真，观察系统的稳态和动态响应，并根据需要进行参数调整和优化。

3.仿真结果和分析根据以上步骤进行仿真后，可以得到系统的稳态和动态响应曲线。

通过观察和分析这些曲线，可以评估系统的性能和效果。

首先，可以通过误差曲线来评估系统的稳态性能，即在给定转速下是否存在稳态误差。

如果误差较大，需要调整PID控制器的参数来改善系统的稳定性。

转速电流双闭环直流调速系统仿真摘要：本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对MATLAB 软件的使用。

系统模型由晶闸管- 直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。

主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI 调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。

控制电路设置两个PI 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。

二者实行嵌套连接，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形成转速电流UPE，双闭环直流调速系统。

在Simulink 中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。

通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。

关键词：双闭环直流调速系统，MATLAB/SIMULINK 仿真，ASR，ACR 。

课程概述：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。

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。

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，是目前直流调速系统中的主流设备。

具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。

在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。

本人此次设计的步骤主要是:查阅相关的资料、书籍，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。

转速和电流调节器的计算和设计给予详细介绍。

每一步设计都会给出相应的原理图，并进行分析。

最后用学过的MATLAB/SIMULINK进行仿真，给出模块搭建及仿真图形的结果。

目录第1章系统总体设计 (1)1.1设计任务 (1)1.2设计要求 (1)1.3设计的基本思路 (1)第2章整体电路分析 (4)2.1电流调节器的设计 (4)2.2转速调节器的设计 (7)第3章硬件电路图及保护电路的设计 (10)3.1系统主电路图绘制 (10)3.2晶闸管的保护与选择 (10)3.3 整流变压器的选择 (13)3.4触发电路的设计 (14)3.5.电动机的励磁回路 (15)第4章MATLAB仿真 (16)结论 (19)参考资料 (20)第1章 系统总体设计1.1 设计任务设计一个V-M 转速、电流双闭环直流调速系统，相关数据：电动机参数：N P =40kw 、N U =300v 、N I =148A 、N n =910rpm 、f U =220v 、dm I =296A 、 2GD =1.00kg ⋅2m 、a R =0.08Ω、a L =2.05mH ；其它参数：整流侧内阻n R =0.092Ω、整流变压器漏感T L =7.5mH ，电抗器直流电阻H R =0.15Ω、电抗器电感H L =4.0mH 、负载2GD 折算值=9 kg ⋅2m ；电流、转速滤波时间常数参考教材例题数据。

转速。

电流反馈控制直流调速系统的仿真1.电流环仿真设计
1）根据工程设计的方法将电流环校成典型Ⅰ系统，典型Ⅰ系统的跟随性较好，超调量较小。

T=Toi=Ts=0.037s 。

K I=1/ T=135.1；
T=0.03s ；
Ki=1.013T=0.03
根据上述的设计参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σ=4.3%<5%，符合设计要求动态框架图：
（1）以KT=0.5.T=0.03电流波形
（2）利用仿真模型观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势以KT=0.25的关系式按典型I型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为
0.5067+16.89/s，得到电流环的阶跃响应仿真结果,无超调，但上升时间长。

电流环输出波形
（3）调整以K=1.0的关系式得到PI调节器的传递函数为
2.027+67.567/s，得到电流环阶跃响应仿真图，超调大，但上升时间
短。

总结：从以上各电流环的图形得出KT越大时上升时间越快，但同时超调量也比较大，当KT=0.5时，各项动态参数较合理。

2速度环的系统仿真
速度环的仿真模型
1）转速环空载高速启动波形图取KT=0.5，h=5
2)转速环满载高速启动波形图，启动时间延长，退饱和和超调量减少
3）转速环的抗扰波形图，空载稳定运行时突然加额定负载的转速与电流的响应曲线。

实验四转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。

学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。

二、实验器材PC机一台，MATLAB软件三、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流I d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。

转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下：直流电动机：额定电压U N = 220 V，额定电流I dN =136 A，额定转速n N = 1460r/min，电动机电势系数C e= 0.132 V·min/r，允许过载倍数λ=1.5。

晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。

电枢回路总电阻R =0.5Ω，电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数T m = 0.18 s，整流装置滞后时间常数T s=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。

电流反馈系数β=0.05V/A（≈10V/1.5I N)。

四、实验内容1、电流环的仿真。

参考教材P90中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。

图1电流环的仿真模型2、按照表1中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i ，观察电流环输出电枢电流I d 的响应曲线，记录电枢电流I d 的超调量、响应时间、稳态值等参数，是否存在静差？分析原因。

表1 比例积分系数t/sI d /A不同比例系数Kp 和积分系数Ki 时的电枢电流曲线表1不同比例系数K p 和积分系数K i 的电枢电流数据对比分析：由表1可知，不同的比例系数K p 和积分系数K i 会影响系统的电枢电流且系统存在静差，原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，电动机反电动势是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差。