双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验
双闭环直流调速控制系统MATLAB／Simulink建模与仿真
双闭环直流调速控制系统MATLAB／Simulink建模与仿真文章针对传统PID直流电机调速系统转速超调量过高、调节时间不理想的问题，设计了一种双闭环直流电机调速控制系统。
建立了双闭环直流电机调速系统的数学模型，并对控制器参数进行了整定。
建立了系统Simulink模型并进行仿真，分析了系统在启动过程中的动态特性。
实验结果表明，相较于传统PID 直流电机调速控制系统，本双闭环直流调速控制系统可以消除超调量、有效缩短系统调节时间，具有更好的静态和动态性能。
标签：双闭环；直流调速；Simulink建模；仿真分析随着电机控制技术的不断发展，工业上对于电机的使用频率及动态性能的要求不断提高，直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一[1]。
传统PID直流调速控制系统存在超调量过高、调节时间缓慢等问题，导致系统的动态性能不理想，在一些对于工艺要求精准的情况下无法满足系统动态指标的要求。
如何解决控制系统中稳、快、准等各方面性能制约，以达到对于转速、电流控制指标的要求，始终是一个重要的讨论课题[2]。
文章针对上述问题，设计了一种双闭环直流调速控制系统，在传统PID直流调速系统的基础上，引入了电流调节器，以改善系统输出转速的动态性能，相对于传统PID调速系统，本系统有效降低了直流电机输出转速的超调量，明显提高了系统的静态和动态指标，具有更好的系统性能。
1 双闭环直流调速系统结构设计直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一，随着工业控制技术的不断发展，工程上对于直流电机调速系统的稳、准、快性能指标有了越来越苛刻的要求[3]。
双闭环控制系统是一种常用的复杂控制系统，是改善过程控制系统品质的一种有效方式，并在实际工程中得到了广泛应用[4]。
文章所设计双闭环调速系统结构如图1所示，从闭环结构上看，双闭环控制系统由两个负反馈闭环结构组成，电流调节器在里面（电流环）；转速调节器在外边，（速度环）。
为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，电流调节器ACR（Current Regulator）和转速调节器ASR（Speed Regulator），两者之间实行串级连接，其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器ACR的输出去控制晶闸管装置。
双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究
双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究摘要利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。
掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。
关键词：matlab；simulink；双闭环；电机；调速ABSTRUCTUsing simlink software of MATLAB and SimPowerSystems ,it is simple and manifest to simulate the ers can build up system model by graph,and run simulative program by pressing the menu of Simulink environment,whose result will display on the er’s capability of simulation will be fortified much with the learning of powerful SIMULINK tools.KEY WORD:matlab;simulink;Double closed loop;electric motor;speed regulation一引言：本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。
该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。
但电机的开环运行性能远远不能满足要求。
按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。
转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。
可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。
双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验
双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验电流环图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图 2.系统设计调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参数：直流电动机：，允许过载倍数；晶闸管装置：；电枢回路总电阻：；时间常数：，；反馈系数：，；反馈滤波时间常数：，。
2. 1 电流调节器的设计2. 1. 1 计算时间常数经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数TΣi = Ts + Toi = 0. 0067s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.018s。
2. 1. 2 确定电流调节器结构和参数根据性能指标要求σi ≤5 % , 保证稳态无误差。
把电流环校正成典型I 型系统,其传递函数为:WACR ( s) =Ki (τis + 1)/τis 式中Ki ,τi 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数. 其中τi = T1 = 0. 018s ,为满足的要求,应取K1TΣi = 0.5 因此: K1 =0.5/ TΣi= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1τi R/βKs=0.29故电流调节器的传递函数WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标σi = 4. 3 % ≤5 %满足设计要求。
2. 2 速度调节器的设计2 .2. 1 计算时间常数电流环等效时间常数:2 TΣi = 0. 0134s,转速环小时间常数: TΣn = 2 TΣi + Ton = 0. 0318s 2. 2. 2 确定转速调节器结构和参数在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(τns+ 1)/τns式中Kn ,τn 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:τn = hTΣn = 0. 159s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h2 T2Σn= 118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNτnβCe TmαR=( h + 1)βCe Tm/2 hαRTΣn,则Kn =11.15 经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量σn = 8. 3 % ≤10 % 满足设计要求. 为保证电流调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6～+ 6。
双闭环直流调速控制系统仿真模型的建立与分析
作业5：双闭环直流调速控制系统仿真模型的建立与分析
一、模型的建立
从simulink库中找到搭建模型的元件，要用到如下元件：DC-Motor（直流电动机）、AC voltage source（交流电压源）、Universal Bridge（通用桥臂）、Step、PID Controller（PID 控制器）、Tranfser Fcn（传递函数）以及其他一些模块。
搭建好的模型图如图5-1所示。
图5-1 基于电气原理图的双闭环直流调速控制系统模型
二、仿真结果分析
仿真算法选用ode15s，仿真时间为0~10s，其他参数为默认值。
1、设置step参数
①直流电动机空载启动时情况
直流电动机TL端连接常数0. 设置完参数后，进行仿真运行。
点击scope ，查看波形。
下图为电机转速w、转矩Te、电枢电流Ia的波形图。
②直流电机突加负载情况分析
直流电动机TL端连接阶跃信号step1.Step1参数设置如下图所示。
设置完参数后，进行仿真运行。
点击scope ，查看波形。
下图为电机转速w、转矩Te、电枢电流Ia的波形图。
综合以上图形，当给定信号设置为8时，电机速度无论是在空载，还是突加负载情况下都能最终稳定在800rpm 。
我们可以分析得出，设置的转速调节器ASR 、电流调节器ACR 参数基本上能满足闭环控制的稳态精度、系统的快速性也比较良好。
Matlab_Simulink仿真技术在双闭环直流调速实验教学中的应用
1 双闭环不可逆调速系统的组成及工作原理
1 . 1 系统组成 转速、 电流双闭环不可逆直流调速系统的电路原理 图如图 1所示 , 其简化的结构图如图 2 所示 。图中: * U n 为转速给定信号 (电压信号形式 ); Un 为转速反馈信 号; U n 转速偏差信号; ASR 转速调节器; U 为电流给 定的电压信号; U i 为电流反馈信号; U i 为电流偏差信 号; ACR 为电流调节器; Uct为晶闸管整流桥的脉冲触发 控制信号; GT 为脉冲触发装置; TG 为测速发电机; TA 为电流互感器; UPE 为三相全控桥式晶闸管整流器。
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实
验
室
研
究 与
探
索
第 30卷
化 , 电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡 [ 1 3] 负载电流 。但是 , 双闭环直 流调速系统硬 件的电 气结构复杂 , 在研究和设计的过程中 , 许多参数的选择 需要 反复调试 , 需要 工作人员 花费大量 的时间 和精 力 。而运用计算 机仿真技术对系 统进行仿真 , 可 以方便地对参数进行设置 , 得到合理的参数组合, 为系 统的实现提供理论依据。鉴于上述理由 , 本文提出 1 种面向控制系统电气原理结构图的转速、 电流双闭环 不可逆直 流调 速系 统 仿真 的新 方法。使用 M atlab / Si m ulink 中的 S i m P ow erSystem s工具箱
图 2 中 , 电流调节器 ACR 和电流检测反馈回路构 成了电流环 ; 转速调节器 ASR 和转速检测反馈环节构 成了转速环 , 所以称作双闭环直流调速系统。从闭环 结构上看, 转速环包围电流环 , 电流环在里面, 称作内 环 ; 转速环在外边 , 称作外环。在电路中, 转速环 ASR 和电流环 ACR 串联, 再由 ACR 的输出去控制三相全 控桥式晶闸管整流器 UPE 的触发器。
双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告一、系统结构设计双闭环直流调速系统由两个闭环控制组成，分别是速度子环和电流子环。
速度子环负责监测电机的转速，并根据设定值与实际转速的误差，输出电流指令给电流子环。
电流子环负责监测电机的电流，并根据电流指令与实际电流的误差，输出电压指令给电机驱动器，实现对电机转速的精确控制。
二、参数选择在进行双闭环直流调速系统的设计之前，需选择合适的控制参数。
根据实际的电机参数和转速要求，确定速度环和电流环的比例增益和积分时间常数等参数。
同时，还需根据电机的动态特性和负载特性，选取合适的速度和电流传感器。
三、控制策略速度子环采用PID控制器，通过计算速度误差、积分误差和微分误差，生成电流指令，并传递给电流子环。
电流子环也采用PID控制器，通过计算电流误差、积分误差和微分误差，生成电压指令，并输出给电机驱动器。
四、仿真实验为了验证双闭环直流调速系统的性能，进行了仿真实验。
首先，通过Matlab/Simulink建立双闭环直流调速系统的模型，并设置不同转速和负载条件，对系统进行仿真。
然后，通过调整控制参数，观察系统响应速度、稳定性和抗干扰性等指标的变化。
五、仿真结果分析根据仿真实验的结果可以看出，双闭环直流调速系统能够实现对电机转速的精确控制。
当系统负载发生变化时，速度子环能够快速调整电流指令，使电机转速保持稳定。
同时，电流子环能够根据速度子环的电流指令，快速调整电压指令，以满足实际转速的要求。
此外，通过调整控制参数，可以改善系统的响应速度和稳定性。
六、总结双闭环直流调速系统是一种高精度的电机调速方案，通过双重反馈控制实现对电机转速的精确控制。
本文介绍了该系统的设计与仿真实验，包括系统结构设计、参数选择、控制策略及仿真结果等。
仿真实验结果表明，双闭环直流调速系统具有良好的控制性能，能够满足实际转速的要求。
双闭环直流调速系统的Simulink仿真研究
双闭环直流调速系统的Simulink仿真研究作者：袁丹鹤来源：《现代商贸工业》2018年第32期摘要：对基于桥式可逆PWM变换器的双闭环直流调速系统进行了研究，并建立了其数学模型。
按工程设计方法对调节器进行了设计并计算了相关参数，最后用Simulink对系统进行了仿真研究，得到转速和电流的输出波形，具有一定的参考意义。
关键词：桥式可逆PWM变换器；双闭环直流调速；工程设计方法；仿真研究中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/ki.1672.3198.2018.32.1101 引言直流电动机具有调速性能好和起动力矩大的特点。
因其可以在重负载的条件下实现平滑而均匀的无级调速，具有较宽的调速范围和可以均匀实现转速的调节而得到广泛的应用。
而脉宽调制（PWM）控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。
在实际工程的应用中，电动机转速、电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统。
2 系统结构与数学模型双闭环直流调速系统的系统结构如图1所示。
其中，ASR（Automatic Speed Regulator）为转速调节器，ACR（Automatic Current Regulator）为电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换器，U*n是转速给定电压，U*i是电流给定电压，Un是转速反馈电压，Ui是电流反馈电压。
从图中可以看出，为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，用来引入转速和电流两个负反馈从而实现转速和电流的调节。
两个调节器之间实行串级连接，ASR的输出作为ACR的输入，然后用ACR的输出来控制电力电子变换器。
由于电流环在里面，所以被称为内环；同理，转速环被称为外环。
而在设计上一般要求系统在稳态下实现无静差调速，以及需要较好的动态性能，选择 PI 调节器作为转速和电流调节器可以达到设计要求的动、静态性能。
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验24、SIMULINK建模我们借助SIMULINK，根据上节理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如下所示：图7 双闭环调速系统的动态结构图（1）系统动态结构的simulink建模①启动计算机，进入MATLAB系统检查计算机电源是否已经连接，插座开关是否打开，确定计算机已接通，按下计算机电压按钮，打开显示器开关，启动计算机。
打开Windows开始菜单，选择程序，选择MATAB6.5.1，选择并点击MATAB6.5.1，启动MATAB程序，如图8，点击后得到下图9：图8选择MATAB程序图9 MATAB6.5.1界面点击smulink 中的continuous,选择transfor Fc n（传递函数）就可以编辑系统的传递函数模型了，如图10。
图10 smulink界面②系统设置选择smulink界面左上角的白色图标既建立了一个新的simulink模型，系统地仿真与验证将在这个新模型中完成，可以看到在simulink目录下还有很多的子目录，里面有许多我们这个仿真实验中要用的模块，这里不再一一介绍，自介绍最重要的传递函数模块的设置，其他所需模块参数的摄制过程与之类似。
将transfor Fc n（传递函数）模块用鼠标左键拖入新模型后双击transfor Fc n（传递函数）模块得到图11，开始编辑此模块的属性。
图11参数表与模型建立参数对话栏第一和第二项就是我们需要设置的传递函数的分子与分母，如我们需要设置电流环的控制器的传递函数：0.01810.0181()0.2920.0180.062ACR s s W s s s++=⋅=，这在对话栏的第一栏写如：[0.018 1]，第二栏为：[0.062 0]。
点击OK ，参数设置完成。
如图12。
图12传递函数参数设置设置完所有模块的参数后将模块连接起来既得到图7所示的系统仿真模型。
在这里需要注意的是，当我们按照理论设计的仿真模型得到的实验波形与理想的波形有很大的出入。
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双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验
魏小景张晓娇刘姣
（自动化0602班）
摘要：采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计，选择调节器结构，进行参数的计算和校验;给出系统动态结构图，建立起动、抗负载扰动的Matlab Simulink 仿真模型.分析系统起动的转速和电流的仿真波形 ,并进行调试 ,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善。
关键词:双闭环调速系统;调节器;Matlab Simulink建模仿真
1.引言
双闭环直流调速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，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器。
调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。
本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab/Sim-ulink进行仿真。
2.基本原理和系统建模
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,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 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GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环,这样就形了转速、
图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图
3.系统设计
调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参数：直流电动机：220,13.6,1480/m in,0.131/(/m in)e V A r C V r =，允许过载倍数1.5λ=；晶闸管装置：76s K =；电枢回路总电阻： 6.58R =Ω；时间常数：0.018l T s =，
0.25m T s =；反馈系数：0.00337/(/min)V r α=，0.4/V A β=；反馈滤波时间常数：0.005oi T s =，0.005on T s =。
3. 1 电流调节器的设计 3. 1. 1 计算时间常数
经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数T Σi = Ts + Toi = 0. 0067s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.018s 。
3. 1. 2 确定电流调节器结构和参数
根据性能指标要求σi ≤5 % , 保证稳态无误差。
把电流环校正成典型I 型系统,其传递函数为:WACR ( s) =Ki (τis + 1)/τis
式中Ki ,τi 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数. 其中τi = T1 = 0. 018s ,为满足的要求,应取K1T Σi = 0. 5 因此: K1 =0.5/ T Σi= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1τi R/βKs=0.29故电流调节器的传递函数WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s 经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标σi = 4. 3 % ≤5 %满足设计要求。
3. 2 速度调节器的设计 3 .2. 1 计算时间常数
电流环等效时间常数:2 T Σi = 0. 0134s
转速环小时间常数: T Σn = 2 T Σi + Ton = 0. 0318s 3. 2. 2 确定转速调节器结构和参数
在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(τns + 1)/τns 式中Kn ,τn 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:τn = hT Σn = 0. 159s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h 2 T 2Σn=
118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNτnβCe TmαR=( h + 1)βCe Tm/2 hαRTΣn,则Kn =11.15
经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量σn = 8. 3 % ≤10 % 满足设计要求. 为保证电流调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6～+ 6。
4. Simulink 仿真试验及结果分析
4. 1 系统起动过程的仿真
4. 1. 1 构建仿真模型
Simulink是MA T LAB 的一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，Simulink 为用户提供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台。
只需根据所建立的数学模型从Simulink 模块库中选取合适的模块组合在一起,并根据一些具体要求设置好各模块参数即可进行仿真.根据图1和上面计算出的相关参数,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型，如图2所示。
图2 双闭环调速系统的模块图
4. 1. 2 仿真
运行Simulink 仿真模型，输出示波器，得出转速的仿真曲线，如图3所示。
施加阶跃信号，如图4所示。
得双闭环调速系统在负载特变扰动的情况下,转速环的阶跃扰动响应曲线，如图5所示。
图5 扰动后的输出转速n波形图
4.2 结果分析：由上诉波形图分析可知，仿真后的转速输出虽然时间相应符合要求但是超调很大，需要对调节器进行改进。
适当减小转速调节器的比例系数和时间常数牺牲调节时间可以减小超调，所以取Kn=7, τn=6.3s得如下的输出波形，如图6.所示。
图6 校正后的输出转速n波形图
抗扰性能也比较好，如图7所示。
图7 校正后的抗扰性能
转速环和电流环输出下所示。
转速环电流环
图8 校正后的转速环、电流环输出
综上所述，这个调速系统起动特性好、超调量、抗扰性好，设计比较合理。
5.结论
本文通过直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，对电流调节器和转速调节器进行的设计，选择了调节器的类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和分析。
在充分发挥电机过载能力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工程中有一定的应用价值。
造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因，总结如下几点：
（a）工程设计方法在推导过程中做了许多近似的处理，而这些简化处理在一定的条件下才能成立。
（b）仿真实验在建立模型过程中忽略了许多非线性因素和次要因素。
（c）用Matlab/simulink软件是控制系统的一种功能完善，实现系统控制容易，构造模型简单的强大的动态仿真工具。
该方法经济又方便，能大大缩短科研开发的速度，提高开发效率，同时可以尝试不同的控制策略，进行优化设计。