双闭环系统课程设计

1 双闭环系统的设计

1.1 设计内容

第一，双闭环直流电动机控制系统设计。

分析系统工作原理，进行系统总体设计。

分析设计出控制系统框图，控制系统动态结构图，控制系统稳态结构图，双闭环直流电动机控制系统原理图设计。

根据系统框图和任务分解结果，进行典型环节和模块电路的设计。

设计转速电流环电路，触发电路驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可），控制主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等），检测及给定电路。

第二，控制系统各单元参数测试和计算。

测出各环节的放大倍数及时间常数，在确定调速范围D=１０时比较开环、单环和双环时的动态响应。

第三，PID控制算法的确定。

以仿真结果或实验结果为根本依据，结合理论，确定合理的PID控制策略和控制参数。

第五，MATLAB仿真验证。

利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真，同时将结果在示波器上显示出来，以验证设计的正确性。

第六，设计要求：

为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好（可选做）的直流双闭环系统。已知系统中直流电动机主要数据如下：

(1)一台直流电机，直流电机额定数据：PN=60KW，UN=220V，IN=308A，nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=0.18Ω。电磁时间常数Tl＝0.012ｓ，机电时间常数Tm＝0.12ｓ，电动机系数Ce＝0.196V·min/r。

(2)主要技术指标：调速范围0~1000r/min，电流过载倍数λ=1.1，系统静特性良好，无静差。

(3)动态性能指标：空载起动到额定转速超调量δn＜10%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s。

1.2 系统主电路设计

直流调速系统常用的直流电源有

三种：旋转变流机组；静止式可控整流

器；直流斩波器或脉宽调制变换器。

机组供电的直流调速系统在20世

纪60年代以前曾广泛地使用着，但该

系统需要旋转变流机组，至少包含两台

与调速电动机容量相当的旋转电机还

图1-1V—M系统原理图

要仪态励磁发电机，因此设备多，体

积大，费用高，效率低。

1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图1-1晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统)的原理图。通过调节处罚装置GT 的控制电压c U 来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压d U ，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。

直流斩波器-电动机系统的原理图示于图1-2，其中VT 用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压U S 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形()u f t =，如图3.3所示,好像是电源电压U S 在on t 时间内被接上,又在(T--on t )时间内被斩断,故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为

on d S S t

U U U T

ρ== （1-1）

式中 T------功率开关器件的开关周期； on t ------开通时间；

ρ------占空比，on on t T t f ρ==，其中f 为开关频率。

图1-2 直流斩波器-电动机系统原理图 图1-3 波形图

因此，根据本设计的要求应选择第一个可控直流电源。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。主电路原理图如图1-4所示

三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。晶闸管的控制角都是 ，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，只有这样才能使电路正常工作。

为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流等保护装置。

1.2.1 主电路的设计

1.2.1.1变流变压器的设计

一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。

这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。S 为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，

1

U为一次侧电压,

1

I为一次

侧电流,

2

S为变压器二次侧的容量，

2

U为二次侧电压，

2

I为二次侧的电流，

1

m、2

m为相数。

为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定

之后，晶闸管交流侧的电压

2

U只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计

算整流变压器次级电压

2

U。

1.2.1.2整流元件晶闸管的选型

图1-4 主电路原理图

选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压TM U 和额定电流)(AV T I

1.2.1.3 电抗器的设计

（1）交流侧电抗器的选择 为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。 （2）直流侧电抗器的选择

直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。

1.2.1.4 保护电路的设计

(1)过电压保护

通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。

压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。 5晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

①触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

②触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us 。 ③所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

④应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

理想的触发脉冲电流波形如图1-5。

图1-5 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 12~t t -----脉冲前沿上升时间（1s μ≤）

13~t t ----强脉冲宽度 M I ---强脉冲幅值（3~5GT GT I I ） 14~t t ---脉冲宽度 I --脉冲平顶幅值（1.5~2GT GT I I ）

1.2.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成

双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,这就需要一个电流截止负反馈系统。

由图1-6启动电流的变化特性可知，在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值dm I , 并且保持不变, 在这个条件下, 转速n 得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负 载所需的电流fz I 值,对应这种要求可控硅整流 器的电压在启动一开始时应为dm I R ∑, 随着转速n 的上升,dm e U I R C n ∑=+ 也上升, 达到稳转速时, fz e U I R C n ∑=+。这就要求在启动过程中把电动机

的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大

值dm I , 并保持不变。这就要求一个电流调节

器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。

图1-7 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

（注: ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —直流测速发电机 TA —电流互感器 UPE —电力电子装置 Un*—转速给定电压 Un —转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui —电流反馈电压）

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，二者之间实行串级联接，如图5-2所示。这就是说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

图1-6 启动电流的变化特性

器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

1.2.3双闭环直流调速系统的静特性分析

分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。②不饱和——输出未达到限幅值。即PI 的作用使输入偏差电压U ?在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：

第一，转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此*0n U n n α

==，而得到下图3.5静特性的CA 段。

第二，转速调节器饱和： 输出达到限幅值*

im U ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节

系统。稳态时 *im

d dm U I I β==，从而得到下图3.8静特性的AB 段。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI

d dm I I < ASR 主导，表现为转速无静差

d dm I I = ACR 主导，表现为电流无静差（过电流保护）

1.2.4双闭环直流调速系统的稳态结构图

如下图1-9表示双闭环直流调速系统的动态框图，图中()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函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

在起动过程有三个特点：①随着ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR 饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR 不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特征。②准时间最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，是起动过程尽可能的最快。③转速超调： 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI 调节器的特性，只有使转速超调，ASR 的输入偏差电压为负值，才能使ASR 退出饱和。即采用PI 调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。

图1-9 双闭环调速系统的动态结构框图

oi T —电流反馈滤波时间常数 on T —转速反馈滤波时间常数

在实际动态系统中，常增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oi T 按需要选定，以滤平电流检测信号为准然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用on T 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上加入时间常数为on T 的给定滤波环节。

2 主电路及驱动电路器件的选择2.1变压器设计

2.1 变压器参数设计、计算

影响2U 值的因素有：

第一，2U 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的max d I 。 第二，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用T V 表示。

第三，变压器漏抗的存在会产生换相压降。 第四，平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。

第五，电枢电阻的压降。

综合以上因素得到的2U 精确表达式为：

max

2max

[1(

1)]%[]

100d N a T

d

d K d

I U r nU I U I CU A B I ε+-+=

-?

式中N U 为电动机额定电压；20U U A d =

；0

d d U U

B α= 及

C （见表3-1）；N

N a U R I r ∑

=

，N I 为电动及额定电流，∑R 为电动机电枢电路总电阻；T nU 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；ε为电网电压波动系数，通常取0.9 1.05~，供电质量较差，电压波动较大的情况ε应取较小值；

%K U 为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取5%=K U ，100～1000千伏安的变压器取%510K U =~；max d I -- 负载电流最大值；max d dN I I λ=所

以max d dN I

I λ=,λ表示允许过载倍数。

2U 也可以用下述简化公式计算

2U =（1.0-1.2）B A Ua

ε

或 2U =（1.2-1.5）A

Ua

其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，a

U 为整流输出电压。

对于本设计，为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得2U 应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角α应取300为宜。

9.0=ε，34.2=A ，2

3

30cos cos =

==O B α，5.0=C ,5%=K U ，（其中

A 、

B 、

C 可以查表3-1中三相全控桥），N N a U R I r ∑=

3080.18

0.252220

?==

表2-1 变流变压器的计算系数

数据来源：第四版《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》，机械工业出版社

把已知条件代入式（2-1）可得结果：

max

2max [1(

1)]%[]100d N a T

d d K d

I U r nU I U I CU A B I ε+-+=

-?22010.2521.1121+-+???

??

=124.8V

根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的22/I d K I I =，即可得二次侧电流的有效值22I d K I I ?=，从而求出变压器二次侧容量2222S m U I =。而一次相电流有效值21I I =/()21/U U ，所以一次侧容量 =1S 2222I U m S =。一次相电压有效值1U 取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为

121

()2

S S S =

+222I U m =

对于本设计2I K 816.0= , 2m =3 ，

22I d K I I ?==2I N K I ??λ 1.12200.816197.472=??= A

121

()2

S S S =

+222I U m =3124.8197.47273.93KVA =??=

设计时留取一定的裕量，可以取容量为80KV A ?的整流变压器。

2.2晶闸管参数的设计与选型、计算

对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压222.45RM U U =， 而考虑到电网电压的波

动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则晶闸管额定电压TM U 计算结果：

(2~3)(2~3) 2.45124.8611.52~917.28TM RM U U V ==??= 取 900V 。

晶闸管额定电流)(AV T I 的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。 已知 max 1.1308=338.8d N I I A λ==?

==max 31d VT I I 196.6A

可得晶闸管的额定电流)(AV T I 计算结果 ：

()(1.5~2)

187.83~250.451.57

VT

T AV I I A == 取250A 上网查询器件可选择 晶闸管型号KP-800，参数如下：

额定电流：80A~250A 额定电压：568.7V 频率：50Hz

2.3电抗器的设计、计算

实际要接入的平波电抗器电感K L 2

min

0.693

=0.35k d U L I =mH （min d I 取额定电流的8%） 2.4保护电路的设计

压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。 在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图2-1所示。

图2-1 二次侧过电压压敏电阻保护

压敏电阻额定电压的选择可按下式计算： ?≥

9

.0~8.01ε

mA U 压敏电阻承受的额定电压峰值

式中 1mA U ------压敏电阻的额定电压， VYJ 型压敏电阻的额定电压有：100V 、

200V 、440、760V 、1000V 等；ε为电网电压升高系数，可取10.1~05.1。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角α=300时输出电压d U α。由此可转化成

αcos 69

.0~8.005

.121U U mA ?≥

可得压敏电阻额定电压

1 1.05124.8308.86~347.470.8~0.9mA U V ≥=

所以压敏电阻额定电压取500v 型压敏电阻。

在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次

侧过电流保护，保护原理图2-2如下：

图2-2 一次侧过电流保护电路

1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。 本课题设计中变压器的一次侧的线电压为380V ，熔断器额定电压可选择

400V 。

2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流1I

1221/U U I I ==197.472124.8/38064.85A ?=

熔断器额定电流 =≤16.1I I FU 103.77A 因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V ，额定电流选174A 。

2.5触发电路的设计

本设计是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O ，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图2-3。

(1~3脚为6路单脉冲输入)

(15~10脚为6路双脉冲输出)

至VT1

至VT2

至VT3

至VT4

至VT5

至VT6

图2-3 三相全控桥整流电路的集成触发电路

3 ASR 、ACR 的设计

3.1电流调节器的设计

3.1.1电流调节器的设计时间常数的确定

整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s 。 电流滤波时间常数oi T 。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）oi T =3.3ms ，因此取oi T =2ms=0.002s 。

电流环小时间常数之和i T ∑。按小时间常数近似处理，取=Ts+Toi=0.0037s i T ∑。

3.1.2. 选择电流调节器的结构

根据设计要求5%i σ≤，并保证稳态电流无静差，可按典型I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型调节器，其传递函数为

()(1)

i i ACR s i K s W s ττ+= （3-1）

式中 i K ------电流调节器的比例系数；

i τ-------电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能：

i l T T ∑02.80037

.00297.0==，参照表5-1的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。

数据来源：第四版《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》，机械工业出版社

3.1.3 计算电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数： l i T =τ=0.012s ，取=0.0025s oi T 电流开环增益：要求5%i σ≤时，取0.5I i K T ∑=，0.0042i T ∑=

所以 10.5

119.9I i

K s T -∑=

= 于是，ACR 的比例系数为 β

τs i I i K R

K K =

0.3125= 式中，β为电流反馈系数其值为*

/()0.0236n

N U I βλ≈=V/A ； α为电流反馈系数其值为*

max /(n )0.01nm U α≈=V·min/r ；

晶闸管装置放大系数Ks=35。

3.1.4 校验近似条件

电流环截止频率：1119.9ci I K s ω-==

1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

111199.6330.00167ci s s T s

ω-==>? 满足近似条件

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

l m T T 1

3

=11379.05690.120.012ci s ω-=

3）电流环小时间常数近似处理条件 11111

163.14330.001670.0025ci s oi s T T s s

ω-==>?

满足近似条件

3.1.5 计算调节器电阻和电容

由图3-3，按所用运算放大器取R 0=40k Ω，各电阻和电容值为

012.54i i R K R k =?=Ω 取12.5k Ω

60.957310i

i i

C F R τ-=

=? 取0.96F μ

40.25oi oi T

C F R μ== 取0.25F μ

照上述参数，电流环可以达到的动态跟随 性能指标为 4.3%5%i =<，满足设计要求

图3-3 ACR 调节器

3.2转速调节器的设计

3.2.1 确定时间常数

（1）电流环等效时间常数1/K I 。由前述已知，0.5I i K T ∑=，则

1

20.0083i I

T s K ∑== （2）转速滤波时间常数on T ，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.015s on T . （3）转速环小时间常数n T ∑。按小时间常数近似处理，取

1

0.0233n on I T T s K ∑=+= 3.2.2 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数式为

(1)

()n n ASR n K s W s s

ττ+=

3.2.3 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR 的超前时间常数为

=h =0.1184s n n T τ∑ 则转速环开环增益

K 2

22

1220.282N n

h s h T -∑+=

=

可得ASR 的比例系数为

()182e m

n n

h C T K h R T βα∑∑+=

=

3.2.4检验近似条件

转速截止频率为 11

25.71N

cn K s ωω-=

=

（1）电流环传递函数简化条件为

156.5233cn s ω-=> 满足简化条件 （2）转速环小时间常数近似处理条件为

129.8cn s ω-=> 满足近似条件

3.2.5计算调节器电阻和电容

根据图5-4 所示，取040R k =Ω，则 0317.26n n R K R k ==Ω 取320k Ω

6 0.3678310n n n C F R τ

-==?取0.37uF

4 1.5on on T

C F R μ== 取1.5F μ

3.2.6校核转速超调量

当h=5时，查表5-2典型∏型系统阶跃输入跟随性能指标得，37.6%n σ=，不能满足设计要求。实际上，由于表5-2是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。

表5-2 典型II 型系统阶跃输入跟随性能指标（按M 准则确定参数关系） h 3 4 5 6 7 8 9 10 σ 52.60% 43.60% 37.60% 33.20% 29.80% 27.20% 25.00% 23.30% /r t T 2.4 2.65 2.85 3 3.1 3.2 3.3 3.35 /s t T 12.15 11.65 9.55 10.45 11.3 12.25 13.25 14.2 k 3 2 2 1 1 1 1 1

数据来源：第四版《电力拖动自动控制系统——运动控制系统）》，机械工业出版社

h 3 4 5 6 7 8 9 10 max /b C C ? 72.20% 77.50% 81.20% 84.00% 86.30% 88.10% 89.60% 90.80% /m t T 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40 /v t T 13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85

数据来源：第四版《电力拖动自动控制系统——运动控制系统）》，机械工业出版社

设理想空载起动时，负载系数0=Z ，已知,94A I N =，min /1000r n N =，

5.1=λ,Ω=∑81.0R ，r V C e m in/.2059.0=，s T m 427.0=，0.0174n T s ∑=。当5

=h 时，由表5-3查得，%2.81/max =?b C C 而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

m n

N b b b n T T n n Z C C n n C C ∑?-???

? ???=????? ???=*)(2*max max λσ 图3-4 ASR 调节器

式中 电机中总电阻 Ω=+=∑81.0R R R a 调速系统开环机械特性的额定稳态速降

min /79.3692059

.081.094r C R I n e N N =?==?

*n 为基准值，对应为额定转速min /1000r n N =

计算得

3080.18

0.0233

0.196281.2% 1.19.8%10000.12

n σ?=????=%10< 能满足设计要求

3.2.7 校核动态最大速降

设计指标要求动态最大速降8%~10%n ?≤。在实际系统中，n ?可定义为相

对于额定转速时的动态速降max N

n

n ?。

由max

max b b

C n n C ??=?，

()0.0233

22 1.1282.8571120.8/min 0.12n b N m T n z n r T λ∑?=-?=???=；

查表可知，max b

C

C ?=81.2%，所以

max 81.2%120.898.1/min n r ?=?=

max 98.1100%9.81%10%1000

N n n n ??==?=< 能满足设计要求

4 MATLAB仿真结果及电路接线图

4.1 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真

通过对整个控制电路的设计，用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真。

首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4-1所示：

图4-1 双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图

把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图6-2。

图4-2 双闭环直流调速系统动态结构框图

图4-3 双闭环直流调速系统电路框图