第六章 闭环调速系统调节器的工程设计方法

双闭环调速系统调节器设计及matlab 仿真验证1 设计内容及要求1.1 设计内容不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式整流电路，系统的基本数据如下：直流电动机：750nom U V =，760nom I A =，375m in nom n r =，1.82min e C V r =，允许过载倍数 1.5λ=；时间常数：0.031L T s =，0.112m T s =；晶闸管放大倍数：75s K =；主回路总电阻：0.14R =Ω；额定转速时的给定电压*10n U V =，调节器ASR 、ACR 饱和输出回路电压*10im U V =，10cm U V =。

1.2 设计要求(1)控制电路的设计，包括系统参数的选取、电流环的设计，速度环的设计。

(2)稳态要求：稳态无静差。

(3)动态要求：电流超调量5%i σ≤，空载启动到额定转速时的转速超调量10%n σ≤。

(4)用matlab 对双闭环系统仿真，绘制调速系统稳定运转时转速环突然断线仿真框图。

(5)撰写设计说明书。

2 双闭环直流调速系统的工作原理双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

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。

2.1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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接。

如图1所示，即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR 和ACR 一般都采用PI 调节器。

双闭环直流调速系统设计一、系统组成与数学建模1）系统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）联接如下图所示。

L+-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。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。

图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压U c为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

2）数学建模图中W ASR(s)和W ACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

如果采用PI调节器，则有ss K s W i i iACR 1)(ττ+= ss K s W n n nASR 1)(ττ+=二、 设计方法采用工程设计法 1、设计方法的原则： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记；双闭环直流调速系统的动态结构图（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

2、工程设计方法的基本思路:（1）选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。

（2）设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为∏∏==++=n1i irm1j j )1()1()(s T ss K s W τ上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。

根据 r=0，1，2，……等不同数值，分别称作0型、I 型、Ⅱ型、……系统。

广西工学院鹿山学院电力拖动自动控制系统课程设计设计题目：V-M不可逆双闭环直流调速系统系别：电子信息与控制工程系专业班级：自动化091姓名：刘帅学号：20092349日期：2012年6月5日内容摘要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。

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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。

晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

而转速、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。

双闭环直流调速系统即速度和电流双环直流调速系统，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。

又采用电流截止负载环节，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，起动的时间久比较长。

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，电流双环直流调速系统。

关键词：双闭环直流调速系统MATLAB目录第1章《电力拖动自动控制系统》设计任务书 (3)第2章设计方案的选择 (4)第3章主电路选型和闭环系统的组成 (5)3.1整体设计 (5)3.2主电路 (5)3.3双闭环直流调速系统的静态特性 (6)3.4闭环调速系统 (7)3.5电机形式的确定 (10)3.6晶闸管结构型式的确定 (11)3.7闭环调速系统的组成 (11)第4章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 (12)4.1整流变压器容量计算 (12)4.2晶闸管的电流、电压定额计算 (13)4.3平波电抗器电感量计算 (13)4.4保护电路的设计计算 (14)第5章驱动控制电路的选型设计 (17)5.1 集成触发电路 (17)5.2 三相桥式全控整流电路分析 (18)第6章双闭环系统调节器的动态设计 (19)6.1 电流调节器的设计 (19)6.2 转速调节器的设计 (21)6.3 检测电路参数设置 (23)电气原理总图及其波形图 (24)第7章MATLAB/SIMULINK仿真软件 (25)7.1仿真软件介绍 (25)7.2 仿真软件操作过程 (26)第8章仿真设计 (27)8.1 仿真波形图 (29)第9章仿真结果分析 (32)设计总结 (32)参考文献 (33)第一章《电力拖动自动控制系统》设计任务书一．设计题目：V-M不可逆双闭环直流调速系统设计二．技术数据直流他励电动机：额定功率 1.1n P KW =，额定电压220n U V =，额定电流136n I A =，额定转速1460/min n n r =，磁极对数2P =，励磁电压220f U V =，励磁电流 1.5f I A =，电枢电阻0.21a R =Ω，电枢电感210a L mH =，磁场与电枢互感840af L mH =，整流器内阻0.5rec R =Ω，2222.5GD Nm =，平波电抗器20d L mH =。

1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，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。

双闭环控制那么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应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。

其良好的动态性能主要表达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展深入的探讨和研究。

本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。

整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。

共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。

变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。

三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。

为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。

三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。

第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性采用PI 调节的单个转速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，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。

电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。

在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形示于图2-1b 。

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。

2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图2-2所示。

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。

转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，图2-3。

两个调节器的输出都是带限幅+TG nASRACRU*n+ -U nU iU*i+-U cTAM+-U dI dUPE-MT图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构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 —电力电子变换器内外ni2作用的，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 。

按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统一．设计内容及相关参数：已知晶闸管－直流电动机双环调速系统（V-M）整流装置采用三相桥式线路，已知参数为:直流电动机：P N=10kW，U N=220V，I N=136A，n N=1500r/min，Ce=0.228V/r.minλ=1.2V-M系统主电路总电阻：R=0.863Ω电枢回路电磁时间常数：T l =0.028s系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数：T m=0.383s 系统测速反馈系数α=0.0041v·min/r系统电流反馈系数β=0.028V/A触发整流装置的放大系数：K s=30三相桥式平均失控时间：T s=0.00167s电流环滤波时间常数：T oi=0.005s转速环滤波时间常数：T on=0.005s二、设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量σi%=5％；空载起动到额定转速时的转速超调量σn%=10％。

第一章题目的意义及个人对题目的理解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，提出了更高的要求，这就要大量使用调速系统。

由于直流电动机的调速和转矩控制性能好，从20世纪30年代起就开始使用，其中最典型的是转速电流双闭环控制的直流调速系统。

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。

其控制规律、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。

在闭环控制的直流系统中表明，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，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。

根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。

调节器的工程设计方法一、掌握系统的动态性能指标自动掌握系统的动态性能指标包括：跟随性能指标抗扰性能指标1. 对给定输入跟随力量的性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化状况可用跟随性能指标来描述。

常用的阶跃响应跟随性能指标有:·tr — 上升时间·σ — 超调量·ts — 调整时间2. 对扰动输入反抗力量的性能指标系统：稳态运行→受扰→稳态抗扰性能指标标志着掌握系统反抗扰动的力量。

常用的抗扰性能指标有·Cmax — 动态降落·tv — 恢复时间一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。

二、突加扰动的动态过程和抗扰性能指标1. 典型I型系统① 结构图与传递函数式中T — 系统的惯性时间常数（系统固有，不变）；K — 系统的开环增益（可变）。

② 开环对数频率特性③ 性能特性典型的I型系统结构简洁，其对数幅频特性的中频段以–20 dB/dec 的斜率穿越0dB 线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就肯定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数满意或于是，相角稳定裕度对于给定作用的跟随性是一阶无静差，σ%较小，但抗扰力量稍差。

2.典型Ⅱ型系统① 结构图和传递函数是Ⅱ型系统中最简洁且稳定的结构。

很多采纳PI调整器的调速系统和随动系统都可以成这种结构形式。

② 开环对数频率特性或对于给定作用的跟随性是二阶无静差，而且可以得到比较好的抗扰性能，但σ% 较大。

典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系（ξ与KT的关系听从于式（*））详细选择参数时，应依据系统工艺要求选择参数以满意性能指标。

典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系（1）稳态抗扰性能指标：由于扰动输入为阶跃信号，其输出为无静差。

即，系统受扰后可完全恢复。

（2）动态抗扰性能指标典型I 型系统扰动F 作用下的典型I 型系统a）上图是在扰动F 作用下的典型I 型系统，其中，W1 (s)是扰动作用点前面部分的传递函数，后面部分是W2 (s) 。

双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真验证1设计内容及要求1.1初始条件:不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式整流电路，系统的基本数据如下：直流电动机:75Onom U V =, 760nom I A =, 375min nom n r =, 1.82min e C V r =,允许过载倍数1.5入时间常数:0.031L T s =, 0.112m T s =晶闸管放大倍数：75s K =;主回路总电阻：0.14R = Q额定转速时的给定电压*10n U V =,调节器ASR、ACR饱和输出回路电压10im U V =, 10cm U V =。

1.2 设计要求稳态指标:稳态无静差。

动态指标:电流超调量5%i cW空载启动到额定转速时的转速超调量10%n C丢2双闭环直流调速系统的工作原理转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。

对于经常正、反转运行的调速系统，在起动（或制动过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减速运行。

当达到稳态转速时,最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转 入稳态运行。

采 用单闭环调速系统是无法实现的，因而只能采用转速和电流两个 调节器。

2.1双闭环直流调速系统的组成为了使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，分别引 入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流负反馈以调节转速和电流 实行嵌套连接。

如下图所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用用转速环采用PI 调节器进行调节。

同时电流内环也采用相应的 PI 调节器也能实现 很好的动、静态特性。

2.2双闭环直流调速系统的数学模型通过相应处理可以得到相应的双闭环直流调速系统的动态结构图如下+-者之间电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 。

由于题目要求稳态无静差，因而调节器必须采用相应的积分器调节器，故相应其中（ASR W s 和（ACR W s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递环视。