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双闭环设计与仿真

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摘要作为电力传动的主要动力设备，根据不同的工作要求，对转速有特殊限制来满足特定的生产需求。

直流电动机控制性能好，加上双闭环调速的介入，使启动性能和抗干扰性能大大改善。

做好双闭环调速系统的研究十分重要。

目前直流电动机的调速较多采用了电流和转速双闭环控制。

且转速调节器采用了PI调节，既可以保证动态稳定，而且可以消除静态误差，另外通过引入电流截至负反馈还能限制电流冲击。

电流和转速分开控制，从而得到了较好的动静态特性。

依据电流和转速两个调节器构成直流电动机双闭环调速系统，建立数学模型，分析启动过程和抗干扰调解过程，并依据要求设计电流调节器和转速调节器，在进行必要的硬件电路的设计与调试，最后运用MATLAB软件进行电流环和转速环的动作仿真。

关键词：双闭环，直流电动机调速，电流调节器，转速调节器,MATLABABSTRACTAs the main motive power transmission equipment, according to the different requirements of speed limit, to meet the special needs of specific production. Dc motor control performance is good, plus double closed loop speed regulation, make start-up performance and anti-jamming performance improved. Do double closed loop speed regulation system of study is very important.Currently the dc current and speed is more USES double closed loop speed. And the speed regulator USES PI, can guarantee dynamic stability, and can eliminate static error, through introducing the current negative feedback can also limited by current shock. Current and speed control, separate to obtain better dynamic and static characteristics.According to the current and speed regulator constitute two dc double closed loop speed regulation system, the mathematical model is analyzed, and the anti-interference mediation process start-up process, and according to the requirements and the design of speed regulator, current regulator in the hardware circuit to the design and debug, finally using MATLAB software current loop and the movement speed loop simulation.KEY WORDS: double closed loop speed, DC current regulator, the speed regulator ，MATLAB目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 ................................................................................................................................................ I II 第一章绪论 . (1)2.1 双闭环调速系统的结构 (2)2.2 双闭环控调速系统的启动过程 (3)2.3 双闭环调速系统抗干扰调节过程 (5)第三章电流和转速调节器的设计与选择 (6)3.1 双闭环调速系统数学模型的建立 (6)3.2 系统的固有参数 (6)3.3 电流调节器设计 (7)3.3.1 电流环结构的简化 (7)3.3.2 确定时间常数 (8)3.3.3 选择电流调节器结构与参数 (8)3.3.4 校验近似条件 (9)3.4 转速调节器的设计 (10)3.4.1 转速环的结构简化 (10)3.4.2 确定时间常数 (11)3.4.3 选择转速调节器结构与参数 (12)3.4.4 近似校验 (12)第四章系统硬件设计 (13)4.1 主电路的设计 (13)4.2 触发电路 (13)4.3 控制电路的设计 (15)4.4 反馈和保护电路 (16)第五章双闭环调速系统仿真 (17)5.1 仿真模型的建立 (17)5.2 电流闭环控制系统仿真 (21)5.3 转速环的仿真设计 (24)第六章结论 (27)参考文献 (28)致谢 (29)第一章绪论在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力传动装置。

如在机械工业，冶金工业，化学工业中，机床，挖掘工业，轧钢机，起重机械，抽水机，鼓风机等都是应用电动机作为原动机去拖动。

电机是随着生产发展而产生和发展的。

随着对生产工艺，产品质量要求的不断提高和产品的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动控制。

现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要求与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来。

在这一系统中，可对生产机械进行自动控制，如实现自动控制启动，制动，调速自动维持转速转矩或功率为恒定值，从而保证更好的满足生产要求。

对可调速的传动系统，按照传动电动机的类型可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。

交流电动机具有结构简单，价格低廉，维修简便等优点，但调速较为困难。

在交流调速电动机没有获得的重大突破之前，直流调速系统在工业应用中占有重要地位。

虽然直流电动机较交流电动机结构复杂，价格高，维修麻烦，但是它具有较大的起动转矩和良好的其制动性能，以及易于在较宽的范围内实现平滑调速。

所以目前绝大多数对调速较高的生产机械，仍采用直流电动机来传动。

直流调速系统按照控制方式的不同分为开环系统和闭环系统。

开环控制系统的机械性能较软满足不了较高的调速性能指标。

单闭环调速系统中，转速调节器采用PI调节器后不仅可以保证动态稳定，而且可以消除静态误差，另外通过引入电流截至负反馈还能限制电流冲击。

但是，系统的动态性能还是不能让人满意，因为这种利用直流电动机过负载能力的条件下不能做到快速响应。

对扰动的抑制能力也较差，因此器应用范围受到限制。

在单闭环控制系统中，转速偏差只能控制电机的端电压，无法对电枢电流进行控制，这样，在启动或输入电压电流有较大变化时，将导致电动机电枢电流有明显的突变，但衰减又很慢，如此就很难满足快速启动和抗干扰的指标要求。

在电动机快速启动的动态工程中务必保证有最大的电枢电流，所以在对转速控制的同时还要做好对电流的控制。

这时电流负反馈就能很好的保证在过渡过程中保持电流允许最大值。

然而，在同一个反馈回路中同时引进转速负反馈和电流负反馈，两者相互制约，不但不能得到较好的动态波形，还会影响到稳速时的静特性。

为了克服以上单闭环调速系统的不足，把转速和电流分开控制，设置转速和电流俩个调节器，并把外环的转速调节器的输出作为内环电流调节器的输入响应，这就形成了转速，电流双闭环控制。

双闭环调速系统较单闭环调速系统具有动态响应快，抗干扰能力强等优点。

第二章 双闭环调速系统的结构和工作过程2.1 双闭环调速系统的结构图2.1 双闭环调速系统示意图如图中，转速反馈连接一个调节器构成整个系统的外环，即转速反馈环，这个调节器成为转速调节器，用ASR 表示。

在转速反馈环内还有一个连接另一个调节器的电流反馈环，这个调节器称电调节器，用ACR 表示。

转速调节器ASR 力图使系统跟踪给定转速，而电流调节器ACR 可以保证在启动过程中保证电枢电流为最大允许电流，在带负债运行时，可以按照给定的电流来调节电枢电流，使电枢电流按照要求变动。

图中位于电流反馈回路中的TA 是电流互感器，交变电流通过电流互感器隔离，然后整流变为直流电压作为电流调节器的反馈输入电压。

TG 为测速发电机，用与跟踪电动机的转速，并以电压形式Un 反馈。

Un*给定电压。

d U , d I 分别为电枢电压和电枢电流。

图2.2 双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。

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c U 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压Ucm 限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm 。

2.2 双闭环控调速系统的启动过程设输入的转速给定信号Un*是阶跃的，则启动过程根据电流的变化规律分为3个阶段：（1）.电枢电流迅速上升阶段启动初始。

ASR 的给定端突加一个阶跃信号Un*。

由于电动机的惯性较大，只有当d I > l I 时，电机才会开始转动。

由于转动缓慢，也就是n U 增长缓慢。

作为转速调节器PI 调节作用，在n U *- n U >0的作用下，达到饱和，ASR 立即输出一个限赋值- m i U *，c U 和 d U 迅速上升，从而d I 迅速上升并超过l I ，电动机开始转动，n U 跟着上升，但是n U <n U *的情况下，ASR 始终保持输出- m i U *，从而转速成非线性增长。

（2）.电枢电流在保持最大整定电流的阶段，是启动的主要加速阶段。

在这一阶段，ASR 始终处于饱和状态，输出为最大整定电流信号- m i U *，经过电流调节器的调节作用，力图使m i U 达到m i U *，从而保证电枢电流d I 始终保持最大整定电流。

拖动系统是恒定电流拖动系统，直到n 上升到要求转速为止。

在这段时间，电流调节器繁忙的进行调节，当n 上升的过程，反电动势也相应上升，随之d U 下降，d I 下降。

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双闭环直流调速系统设计及仿真

双闭环直流调速系统设计及仿真

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。

双闭环直流调速系统的设计与仿真分析

双闭环直流调速系统的设计与仿真分析

双闭环直流调速系统的设计与仿真分析摘要：本文简要介绍了双闭环直流调速系统的组成与基本工作原理，并对双闭环转速、直流调速系统设计展开分析论述，阐明了双闭环直流调速系统的模型仿真。

关键词：双闭环;直流调速系统;仿真直流电动机因易于控制，起、制动、运行方便等特征在生活中的应用范围较广。

近年来，经济的增长推动了该调速系统在我国经济市场中的进一步发展，很多高性能高调速设备均需使用该系统（包括直流电力推进、海洋钻机、金属切割机床、纺织、造纸、轧钢、高层电梯、矿山采掘等），设备运行时，对调速系统的性能要求均较高，需弄清双闭环直流调速系统的基本工作原理，并对其进行仿真分析，使其更好为现代经济的发展服务。

1.双闭环直流调速系统组成与工作原理双闭环直流调速系统中有两个调节器，即电流ACR调节器与转速ASR调节器，两种调节器可对系统的电流与设备转速造成影响，若二者串联，且均带输出限幅电路，限幅值依次可为Usim与Ucm。

因调速系统的关键性被控量为转速，因而需将转速负反馈组成的环视作外环，这可让电动机转速无误的跟随给定电压，再将电流负反馈生成的环视作内环，以让设备在最大电流节约下，使得整个转速过渡过程得到最佳控制。

整个双闭环直流调速系统工作原理图如下所示：图1双闭环直流调速系统工作原理从上图中双闭环直流调速系统工作原理图可知，电动机的转速与给定电压之间的关系紧密，且受给定电压影响，调速系统的速度调节器ASR的输入偏差电压即△usr=usn-ufn，ASR的输出电压usi可视作整个调节系统的给定信号，电流调节器的输入偏差电压计算公式即为△ucr=-usi+ufi，ACR的输出电压Uc可视作直流调速系统的控制电压。

在系统运行过程中，若控制电压Uc改变，就可直接影响触发器控制角α与系统运行时的输出电压Udo，进而改变和控制电动机的转速，可自由调节、改变其运行速度[1]。

2.双闭环转速、直流调速系统设计在调速系统中，若要保证转速与电流负反馈均各自发挥相应作用，就应在系统的正确位置处安装两个调节器，用以快速调节转速与电流，并将二者串联。

最新双闭环直流调速系统的设计与仿真设计

最新双闭环直流调速系统的设计与仿真设计

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]。

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真直流电机双闭环调速系统是一种常见的控制系统，常用于工业生产中对电机速度的精确控制。

本文将基于MATLAB软件进行直流电机双闭环调速系统的设计与仿真，包括系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等方面。

文章将以1200字以上的篇幅进行详细阐述。

一、系统设计直流电机双闭环调速系统由速度环和电流环构成。

速度环控制系统的输入为速度设定值和电机实际速度，输出为电机期望电压；电流环控制系统的输入为速度环输出的电压和电机实际电流，输出为电机实际电压。

通过控制电机的期望电压和实际电压，达到对电机速度的调控。

二、参数设置在进行系统仿真之前，需要确定系统中各个参数的值。

包括电机的额定转矩、额定电压、电感、电阻等参数，以及控制环节的比例增益、积分增益、微分增益等参数。

这些参数的选择会影响系统的稳定性和动态性能，需要根据实际情况进行调整。

三、控制策略选择常见的控制策略包括PID控制、PI控制、PD控制等。

在直流电机双闭环调速系统中，可以选择PID控制策略。

PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节组成，可以提高系统的稳定性和响应速度。

四、系统仿真在MATLAB中进行直流电机双闭环调速系统的仿真，可以使用Simulink模块进行搭建。

根据系统设计和参数设置，搭建速度环和电流环的控制器，连接电机实际速度和电机实际电流的反馈信号，输入速度设定值和电机期望电流，输出电机期望电压。

通过仿真可以得到系统的动态响应曲线，评估系统的性能。

五、性能分析在仿真结果中，可以分析系统的静态误差、超调量、调整时间等指标，评估系统的控制性能。

通过参数调整和控制策略更改等方式，可以优化系统的控制性能，使系统达到更好的调速效果。

总结：本文基于MATLAB软件对直流电机双闭环调速系统进行了设计与仿真。

通过系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等步骤，可以得到直流电机双闭环调速系统的动态响应曲线，并通过参数调整和控制策略更改等方式，优化系统的控制性能。