智能061
双闭环直流电机调速
——控制理论课程设计
刁义勇
09
南京工程学院
课程设计任务书
课程名称自动控制理论
院（系、部、中心）电力工程学院
专业智能建筑电气
班级智能061 起止日期 2007年12月22日
至2008年1月4日
指导教师李先允
1．课程设计应达到的目的
通过课程设计，检验学生是否掌握自动控制的基本理论和系统设计方法，训练学生设计控制系统和使用仿真软件的能力。
2．课程设计题目及要求---直流电机的控制与调速（实物模型）
图转速、电流双闭环调速原理图
图示为转速、电流双闭环调速系统原理图，为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR（均为PI调节器），其输入输出设有限幅电路。
设计内容：
1．对直流电机调速系统进行仿真建模；
2．分别设计电流环与转速环的PI控制器，控制电机的转速，并利用MATLAB语言仿真，画出转速和电流的动态响应曲线；改变PI控制器的参数，讨论对控制效果的影响；
3．静态指标：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%。
5．课程设计进度安排
起止日期工作内容
2007年12月22日～23日12月24日～12月25日
2008年12月26日
～2009年1月1日
1月2日布置任务，解释题目，查阅资料数学建模
仿真研究，编写报告，
答辩
6．成绩考核办法
平时考核占10%；答辩占30%；报告质量占60%
教研室审查意见：
教研室主任签字：
年月日院（系、部、中心）意见：
主管领导签字：
年月日
一、设计目的
1、了解双闭环直流电机调速系统的原理、组成及主要单元部件的功能；
2、掌握双闭环直流电机调速系统的调试步骤、方法及参数设定；
3、研究PI参数对电机调速的影响；
4、通过课程设计，加深和巩固对直流调速及相关课程知识的理解和应用；
5、掌握Matlab仿真软件的使用方法。
二、基本思路
设计多环控制系统的一般原则是：先从内环开始设计和选择调节器，每一闭环都将内环作为本环的一个环节来设计和选择本环的调节器，直到设计完整个系统。这种结构为工程设计及调试工作带来了极大的方便。双闭环调速系统是多闭环控制系统中应用较广的系统。先从电流环(内环)开始,根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。然后，把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，再用同样的方法完成转速环设计。
图1-双闭环调速系统的动态结构图。
图1中设置了电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流成分，需加低通滤波,其滤波时间常数Toi按需要而定。滤波信号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延迟。所以在给定信号通道中加人一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电动机得到的转速反馈电压含有电动机的换向纹波，因此也需要滤波,其时间常数用Ton表示。
三、设计过程
（一）电流环的设计
电流环的控制对象由电枢回路形成的大惯性环节与晶闸管变流装置、触发装置、电流检测和反馈滤波等一些小惯性环节群组成。若要系统超调小、跟随性能好为主，可校正成典型工型系统；若要具有较好的抗扰性能为主，则应选择典型Ⅱ型系统。一般情况下，当控制系统的两个时间常数之比T1/T∑i ≤10时，典型工型系统的恢复时间还是可以接受的,因此,多按典型工型系统设计电流环。
1、电流环结构的简化
图的虚框中就是电流环的结构图。实际系统中，电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比反电势E快得多。E对电流环来说，是一个变化缓慢的扰动，可以认为E基本不变。忽略E的影响。使电流环的结构简化。见图2
图2-电流环结构化简1
再将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效地置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。见图3
图3-电流环结构化简2
最后考虑反馈滤波时间常数Toi和晶闸管变流装置平均延迟时间常数Ts都比T1小得多，可以当作小惯性环节处理，并取T∑j＝Toi十Ts。电流环的结构图最终简化如图4，可知电流环控制对象的传递函数中具有两个惯性环节。
图4-电流环结构化简3
2、电流调节器类型选择及参数计算
按典型I型系统设计电流环
按典型I型系统设计电流环，调节器的类型应选择PI调节器，其传递函数为
W pi(s)=βK iτi s+1
τi s
取τ＝T1，电流环的结构图为典型I型系统的型式，一般情况下，δ≤5%时，取Ki·T∑i＝0.5 或ξ＝0.707选择调节器参数。电流环开环放大系数为
K I=βK i K s
τi R =0.51
T∑i
K i=0.5R
Ksβ×T1
T∑i
K I=ωci
可以看出，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率ωci与T∑i的关系满足小惯性群的近似条件心d<3、校验
具体计算时必须检验以下条件：
ωci≤1/(3Ts)
ωci=3√1/(TmT1)
ωci≤1
√1/(TsToi)
3
（二）转速环的设计
1、电流环的等效闭环传递函数
前面已指出，在设计转速调节器时，应把已设计好的电流环看作是转速环中节，因此，需求出电流环的闭环等效传递函数。
电流环的等效传递函数为例来介绍转速环的设计，求得电流环的闭环传递函数为
转速环的截止频率ωcn一般较低，因此可得：
由于K I=0.5/T∑i，故有：
近似条件为：
取整后可得：
电流环本来是一个二阶振荡环节，其阻尼比ξ＝0.707，无阻尼自然振荡周期为 1.414T∑i，但是当转速环截止频率ωcn较低时，原系统和近似系统只有高频段的一些差别。
于是，电流环的近似等效闭环传递函数为
式中2T∑i勺大小，随调节器参数选择方法不同要作相应的变化。
2、转速调节器结构的选择
电流环用其等效传递函数代替后，整个转速调节系统的动态结构图如图5所示。
图5 转速环结构图
同理，将其等效为单位负反馈的形式，即把给定滤波器和反馈滤波器等效地移到环内，且近似处理为小惯性环节
