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基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真1

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基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真

宋友志

摘要：本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink 进行直流电动机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真。最后显示控制系统模型以及仿真结果并加以分析。

关键词：转速环；电流环；调节器；Simulink

Designation and Simulation of Double Loop DC Motor Control System

Based on Matlab

Abstract:This paper introduces a design method of DC system based on engineering, according

to its working principle,analyzing the dynamic process and the parameters designation

detailedly,modeling and simulating were carried out to the dual closed-

loop control system of the direct current motor by using Simulink.In the end,

analyzing the simulation results.

Key words:loop of revolution rate;loop of current;regulator;Simulink

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。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 图1 转速调节系统理想起动过程

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0 n

dmi

dli n

t 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。

MASRACRGnGTVTAL*nUnUnU*iUiUiUctUdI0dU

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oiT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onT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*nU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。

第Ⅰ阶段：0～t1是电流上升阶段。突加给定电压*nU后，通过两个调节器的控制作用，使ctU、0dU、dI都上升，当dLdII后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压nnnUUU*数值较大并使其输出达到饱和值*imU，强迫电流dI迅速上升。当dmdII时，*imiUU，电流调节器ACR的作用使dI不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。

图4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形

第Ⅱ阶段：t1～t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定*imU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又nCIRUeddd0，n↑→0dU↑→ctU↑，这样才能保持dI=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压iiiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流mdU0也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。

第Ⅲ阶段：t2以后是转速调节阶段。此时*nn，*nnUU，0nU，但由于积分作用，**imiUU，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当*nn时，0nU，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压*iU迅速下降，dI也迅速下降。但由于dLdII，在一段时间内，转速仍继续增加。当dLdII时，LeTT，0dtdn，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流dI也出现一段小与dLI的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使dI尽快地跟随ASR的输出量*iU，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：

 饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。

 准时间最优控制。Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。

 转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压nU为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。

三. 双闭环直流调速系统工程设计举例

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全控整流电路，基本数据如下：

1.直流电动机：VUN220、AIN136、min/1460rnN，)min/(132.01•rVCe，允许过载倍数λ=1.5；

2.晶闸管装置放大系数：40sK；

3.电枢回路总电阻：R=0.5Ω； 4.时间常数：sTl03.0，sTm18.0；

5.电流反馈系数：AVIUNim/05.01365.1105.1*；

6.转速反馈系数：)min/(007.01460101*rVnUNnm。

设计要求：①静态指标：无静差；②动态指标：电流超调量%5i，空载起动到额定转速时的转速超调量%10n。

在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节[3]。由于典型Ⅰ型系统的跟随性能由于典型Ⅱ型系统，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能优于典型Ⅰ型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型Ⅰ型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型Ⅱ型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型Ⅰ系统和典型Ⅱ系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：

 对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。

 根据具体情况选定预期特性，即典型Ⅰ系统或典型Ⅱ系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。

 根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。

 画出相应的调节器参数，并确定有关RC网络参数。

 校验。

（一）电流环的设计

1.确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数sT。三相桥式电路的平均失控时间sTs017.0；

（2）电流滤波时间常数oiT。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有msToi33.32~1，因此取smsToi002.02；

（3）电流环小时间常数iT。按小时间常数近似处理，取sTTToisi0037.0。

2.确定将电流环设计成何种典型系统 根据设计要求%5i，而且1011.80037.003.0ilTT，因此，电流环可按典型Ⅰ型系统设计。

3.电流调节器的结构选择

电流调节器选用PI型，其传递函数为：ssKsWiiiACR1

4.选择电流调节器参数

ACR超前时间常数：sTli03.0；

电流环开环增益：因为要求%5i，故应取5.0iITK，因此

11.1350037.05.05.0sTKiI

于是，ACR的比例系数为013.14005.05.003.01.135siIiKRKK。

5.计算电流调节器的电路参数

电流调节器原理如图5所示，按所用运算放大器，取KR400，各电阻和+-+

βIdR0/2R0/2R0/2R0/2RiRbalCiCoiCoiUctUi*

图5 电流调节器原理图

电容值计算如下：

KRKRii52.4040013.10，取K40；

FRCiii75.01040003.03，取F75.0； FRTCoioi2.01040002.04430，取F2.0。

6.校验近似条件

电流环截止频率11.135sKIi

（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足sciT31。

因为cissT11.1960017.03131，所以满足近似条件。

（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足lmciTT13。

现在cilmsTT182.4003.018.01313，满足近似条件。

（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件oisciTT131。

现在cioissTT18.180002.0017.0131131，满足近似条件。

（二）转速环的设计

1.确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为sTi0074.02；

（2）转速滤波时间常数onT。根据所用测速发电机纹波情况，取sTon01.0；

（3）转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取sTTTonin0174.02。

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双闭环直流调速系统的设计

双闭环直流调速系统的设计

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。

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Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 TG n ASR ACR U*n

+ - Un Ui

U*i

+ - Uc TA

V

M +

- Ud Id

UPE L

- M

T+

图3-2 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 内环

外环

2）数学建模

图中WASR(s)和WACR(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

ssKsWiiiACR1)(

ssKsWnnnASR1)(

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电路原理图 + + - +

- M

TG +

- +

-

RP2 n U*n R0

R0 Uc Ui TA

L

Id Ri Ci

Ud + + - R0

R0 Rn Cn

ASR ACR

LM GT V RP1

Un U*i LM

M

TUPE

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；

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统设计

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统设计

I 摘 要

直流电机双闭环调速系统是一个复杂的自动控制系统，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，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文从直流电机的基本特性进行双闭环直流电机设计，最后用实际系统进行工程设计，并采用MATLAB/SIMULINK进行仿真。

对于直流电机双闭环调速系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。本文对直流电机双闭环调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验，根据给出和计算出的相应参数，建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使直流电机双闭环调速系统趋于完善、合理。仿真结果证明了该方法的可行性和合理性。

关键词：直流调速，双闭环系统，电流调节器，转速调节器，计算机仿真

II Abstract

The double closed loop direct current velocity modulation system is a complex

automatic control system, is in the present direct current velocity modulation system

mainstream equipment, has the velocity modulation scope width, the stability is good,

the steady fast precision higher merit, in the theory and the practice aspect all is the

quite mature system, in drives in the domain to play the extremely vital role.

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。通过本文的内容，读者可以了解到直流电机双闭环调速系统的设计与仿真方法，并可以应用到实际工程中。

双闭环不可逆直流调速系统课程设计心得(matlab仿真设计)【模版】

双闭环不可逆直流调速系统课程设计心得(matlab仿真设计)【模版】

cheng

cheng 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计(matlab simulink 仿真)

前言

许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。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调节器的单闭环的调速系统可以再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，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止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，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。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度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。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。