自动控制系统双闭环直流调速系统稳态结构汇总

双闭环直流调速系统电路原理
一、双闭环直流调速系统简介
双闭环直流调速系统，通常称为DCS，是一种用于控制和调节电动机
转速的电子系统，它能够准确地检测电机的转速，以调整电机驱动器输出
功率，并为电机提供良好的调节性能、低噪声、低抖动和优异的精度。

它
通常由稳态调节器、反馈传感器、控制器、执行器等组成。

双闭环直流速系统，具有以下几个电路：1.平衡节回路：由半桥变流器、电流变换器、电流放大器、PID控制器、可变阻器等组成，以实现基
于比例环节的节；2.电压控制回路：由可前置增益电路、放大器、变速器、可谐滤波器以及PID控制器组成，以实现节；3.转矩控制回路：由电阻模块、电容模块、放大器和可谐滤波器组成，以实现节；4.转速控制回路：
由反馈传感器、放大器、可谐滤波器和PID控制器组成，以实现节；5.电
流控制回路：由电流放大器和可谐滤波器组成，以实现节；6.位置控制回路：由反馈传感器、放大器，可谐滤波器和专用控制器组成，以实现节；7.整回路：由电位器。

要求：1. 转速调节器ASR 具有抗干扰滤波能力，典型Ⅱ型系统设计。

2. 电流调节器ACR 具有很强的调节能力，按典型Ⅰ型系统设计。

3. 稳态指标：无静差。

4. 动态指标：电流超调量σi ≤15%；空载起动到额定转速时的转速超调量σn ≤10%。

基本参数如下：直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，Ce=0.127Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5。

晶闸管装置放大系数：Ks=35。

电枢回路总电阻：R=0.2。

时间常数：T l =0.03s ，Tm=0.18s 。

电流反馈系数：β=0.05V /A （≈10V/1.5Inom ）。

转速反馈系数：α=0.007Vmin/r （≈10V/Nnom ）。

一、电流调节器设计其中*i U 为电流给定电压，d I β-为电流负反馈电压，c U 为电力电子变换器的控制电压。

电流调节器参数选择1.确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为0.0017s T s =。

2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即0.002oi T s =。

3）电流环小时间常数之和0.0037i s oi T T T s ∑=+=。

2.选择电流调节器结构根据设计要求：稳态无静差,超调量5%i σ≤，可按典型I 型系统设计电路调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器其传递函数为：(1)()i i ACR i K s W s sττ+= 电磁时间常数0.03l T s =。

检查对电源电压的抗扰性能：0.038.10.0037l i T s T s∑==，参照典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。

3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：0.03i l T s τ==。

电流环开环增益：要求5%i σ≤时，应取0.5I i K T ∑=，因此10.50.5135.10.0037I i K s T s -∑=== ACR 的比例系数为135.10.030.20.4632350.05I i i s K R K K τβ⨯⨯===⨯ 4.检验近似条件电流环截至频率：1135.1ci I K s ω-==1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件111196.1330.0017ci s s T sω-==>⨯ 满足近似条件。

引言在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。

另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。

生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。

电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速．在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。

近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。

目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。

我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。

所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。

首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。

电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。

因此，调速技术一直是研究的热点。

一 双闭环直流调速系统介绍1.1闭环调速系统的组成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。

目录目录 (1)第一章双闭环调速系统的组成 (2)第一节系统电路原理图 (2)第二节系统的稳态结构图 (3)第三节系统的动态结构图 (5)第二章双闭环系统调节器的设计 (8)第一节电流调节器的设计 (9)第二节转速调节器的设计 (13)第三章系统的仿真 (18)参考文献 (19)总结 (19)第一章 双闭环调速系统的组成第一节 系统电路原理图转速、电流双闭环调速系统的原理图如图1-1所示，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。

为了获得良好的静、动态特性，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI 调节器，其原理图如图所示。

在图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们都是按照触发装置GT 的控制电压U ct 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

两个调节器输出都带有限幅，ASR 的输出限幅什im U 决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值im U ，对就电机的最大电流；电流调节器ACR 输出限幅电压cm U 限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

图1-1双闭环直流调速系统电路原理第二节 系统的稳态结构图转速电流双闭环调速系统的稳态结构图如图1-2所示，PI 调节器的稳态特性一般存在两种状况：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与输出的联系，相当于使该调节器开环。

当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压ΔU 在稳定时总是零。

在实际运行时，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状况。

1、转速调节器不饱和稳态时，两个调节器的输入偏差电压都是零，因此di *i 0n *n I U U n n U U βαα=====式中α，β —— 转速和电流反馈系数由第一个关系式可得0*nn U n ==α从而得到图1-3静特性的CA 段。

摘要：直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。

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。

此设计利用晶闸管、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。

该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

关键词： 直流电机 晶闸管 直流调速系统 ACR ASR 双闭环系统一、设计题目V —M 双闭环直流调速系统二、目的意义：本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“拖动控制系统”之后进行的一个实践性教学环节。

通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和部分专业课对“拖动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程设计问题，并为毕业设计奠定基础。

双闭环拖动控制系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。

本专业学生应充分掌握双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并且初步掌握设计的方法和步骤，同时增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力以及刻苦钻研的工作作风。

本设计以直流电动机为被控对象，设计一套双闭环无静差拖动控制系统。

三、电动机参数和设计要求直流电动机参数：KWP N 28=，VU N 220=，AI N 136=，min/1460r n N =，Ω=2.0a R 。

V-M双闭环直流调速系统前⾔直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是⼯业⽣产过程中应⽤最⼴的电⽓传动装置之⼀。

⼴泛地应⽤于轧钢机、冶⾦、印刷、⾦属切削机床等许多领域的⾃动控制系统中。

它通常采⽤三相全控桥式整流电路对电动机进⾏供电，从⽽控制电动机的转速，传统的控制系统采⽤模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在⼀定程度上满⾜了⽣产要求。

V-M双闭环直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），系统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud，从⽽实现平滑调速。

本次课设⽤实际电动机和整流装置数据对V-M双闭环直流调速系统进⾏设计，建模与仿真。

V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1设计任务初始条件及要求1.1初始条件（1）技术数据：直流电动机：P N=27KW, U N=220V , I N=136A , n N=1500r/min ,最⼤允许电流I dbl=1.5I N ,三相全控整流装置：K s=40电枢回路总电阻R=0. 5Ω，电动势系数：C e= 0.132V.min/r系统主电路：T m=0.18s ，T l=0.03s滤波时间常数：T oi=0.002s , T on=0.01s,其他参数：U nm*=10V , U im*=10V , U cm=10V（2）技术指标稳态指标：⽆静差动态指标：电流超调量：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤10%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s1.2要求完成的任务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) 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) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作⽤,(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。

双闭环直流调速系统姓名：学号：专业：电气工程及其自动化日期：2015年12月23日摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

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。

该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器双闭环直流调速系统的设计双闭环直流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, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。

转速调节器ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。

由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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 ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

双闭环直流调速系统框图双闭环直流调速系统电路原理图一．本设计预设的参数直流电动机：220V，136A, 1500r/min, Ce=0.136Vmin/r晶闸管装置放大系数：K s=40电枢回路总电阻：R=0.5欧时间常数：T l=0.015s, T m=0.2s, 转速滤波环节时间常数T on取0.01s 电压调节和电流调节器的给定电压为8V系统稳态无静差，电流超调量σi≤5%; 空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。