双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

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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。

双闭环直流调速系统的设计与仿真

南京工程学院本科毕业设计（论文）题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真研究专业：自动化班级： 10自动化1 学号: 20100710132 学生姓名：吴杰指导教师：张贞艳起讫日期：2014.2～2014.5Graduation 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。

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 actual project ,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]。

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。

基于DSP的双闭环直流电机调速实验系统设计共3篇

基于DSP的双闭环直流电机调速实验系统设计共3篇基于DSP的双闭环直流电机调速实验系统设计1双闭环直流电机调速实验系统设计直流电机调速是现代工业自动化控制领域中的一个重要应用。

直流电机调速系统一般采用PID控制器。

双闭环控制是PID控制器的一种改进，它既可以保证控制系统对速度的精度也可以对电机电流进行控制。

本文将介绍基于DSP的双闭环直流电机调速实验系统的设计。

硬件设计1.直流电机及驱动器直流电机是转换为机械能的电能转换的主要设备之一。

在实验中选择一台小型直流电机，以其低功率，小体积，易于控制为主要考虑因素。

驱动器采用直流调速电机控制器。

2. 双闭环控制器双闭环控制器是PID控制器的一种改进，它可以对电机电流进行控制，保证控制系统对速度的精度。

在本实验中，我们采用STM32系列单片机，该单片机集成了内置的PID控制器和模糊控制算法，可方便地实现双闭环控制。

3. 光电编码器和减速器光电编码器和减速器也是直流电机调速系统的重要组成部分。

光电编码器主要用于检测电机的转速或转角，减速器可以通过降低电机的转速来提高电机性能。

软件设计1. 算法设计基于DSP的直流电机调速系统中主要采用PID控制算法，该算法是通过调节三个参数，即比例、积分、微分调节来控制电机的速度。

PID控制器会不断地进行调节，使电机的输出保持在所需的速度范围内。

2. 软件运行本实验系统采用C语言编写，在DSP芯片中使用程序存储器存储程序，其中包含了PID控制器的算法，通过用户输入所需的速度值，根据PID 算法进行调节，实现电机的精确控制。

实验结果分析通过实验结果可以看出，基于DSP的双闭环直流电机调速实验系统控制精度高，控制范围广，动态响应速度快，能够满足直流电机调速系统的要求。

在多次测试中，实验系统的控制误差小于1%，性能稳定可靠。

结论本文介绍了基于DSP的双闭环直流电机调速实验系统的设计。

实验系统采用了STM32系列单片机，集成了内置的PID控制器和模糊控制算法，通过硬件和软件的结合，实现了电机的精确控制。

双闭环直流电动机调速系统

04
系统软件设计
控制算法设计
算法选择
算法实现
根据系统需求，选择合适的控制算法，如PID控制、模糊控制等。
将控制算法用编程语言实现，并集成到系统中。
算法参数整定
根据系统性能指标，对控制算法的参数进行整定，以实现最优控制效果。
调节器设计
调节器类型选择
根据系统需求，选择合适的调节器类型，如PI调节器、PID调节器等。
在不同负载和干扰条件下测试系统的性能，验证系统的鲁棒性。
06
结论与展望
工作总结
针对系统中的关键问题，如电流和速度的动态调节、超调抑制等，进行了深入研究和改进。
针对实际应用中可能出现的各种干扰和不确定性因素，进行了充分的考虑和实验验证，提高了系统的鲁棒
性和适应性。
实现了双闭环直流电动机调速系统的优化设计，提高了系统的稳定性和动态响应性能。
通过对实验数据的分析和比较，验证了所设计的双闭环直流电动机调速系统的可行性和优越性。
研究展望
进一步研究双闭环直流电动机调速系统的控制策略，提高系
统的动态性能和稳定性。
针对实际应用中的复杂环境和工况，开展更为广泛和深入的实验研究，验证系统的可靠性
和实用性。
探索双闭环直流电动机调速系统在智能制造、机器人等领域的应用前景，为相关领域的发展提供技术支持和解决方案。
功率驱动模块
总结词
控制直流电动机的启动、停止和方向。
详细描述
功率驱动模块是双闭环直流电动机调速系统的核心部分，负责控制直流电动机的启动、停止和方向。它通常由电力电子器件（如晶体管、可控硅等）组成，通过控制电动机的输入电压或电流来实现对电动机的速度和方向的控制。功率驱动模块还需要具备过流保护、过压保护和欠压保护等功能，以确保电动机和整个系统的

双闭环直流调速系统课程设计(matlab仿真设计)

Hefei University电子信息与电气工程系自动化专业控制系统数字仿真与CAD课程报告课题：直流电动机双闭环调速系统仿真班级：08自动化（1）班*名：**0805070073朱彤0805070068李方舟0805070053指导老师：***摘要：双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

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调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。

然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。

关键词：直流电机调速系统仿真MatlabAbstract: Double closed loop ( speed loop, current loop DC speed control system ) is a kind of current application is wide, economic, applicable power transmission system.The paper presents the derive ationof engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop in details. Then，a demo is designed and simulated by Matlab/Simulink to study the influence resulted from the details of the derivation，which has been ignored in the speed regulation system. The reason of difference between the engineeringdesign and the real conditions is given to help working out theoptimaldesigninpractice. Keywords: DC motor Speed regulation system Simulation Matlab一、双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

双闭环直流调速系统实验

实验一实验二实验三实验四实验五实验五实验五双闭环直流调速系统实验双闭环直流调速系统实验一．实验目的一．实验目的⒈ 熟悉双闭环直流调速系统的组成、工作原理、调试方法。

⒉ 了解双闭环直流调速系统的静态和动态特性。

二．实验设备二．实验设备⒈ MCL –⒈ MCL – 31 31 31 低压控制电路及仪表。

低压控制电路及仪表。

⒉ MCL –⒉ MCL – 32 32 32 电源控制屏。

电源控制屏。

⒊ MCL –⒊ MCL – 33 33 33 触发电路及晶闸管主回路。

触发电路及晶闸管主回路。

⒋ MEL –⒋ MEL – 0303 03 三相可调电阻器。

三相可调电阻器。

⒌ MEL –⒌ MEL – 11 11 11 电容箱。

电容箱。

⒍ 直流电动机–发电机–测速机组。

⒎ 万用表。

⒏ 双踪示波器。

三．三．实验原理实验原理在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。

触发装置。

电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统。

双闭环直流调速系统原理图如下图所示。

速系统原理图如下图所示。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用采用 PI PI PI 调节器。

转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速跟随其给定电压变调节器。

转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速跟随其给定电压变化，稳态时实现转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

最大电流。

电流调节器电流调节器使电流紧紧跟随其电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中能够获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

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U *n
+ -
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-
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M T 双闭环直流调速系统的设计与仿真
1、实验目的
1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。

2．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。

3．掌握调节器的工程设计及仿真方法。

2、实验内容
1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析
3、实验要求
用电机参数建立相应仿真模型进行仿真
4、双闭环直流调速系统组成及工作原理
晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机—发电机组等组成。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压U ct 作为触发器的移相控制电压，改变U ct 的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

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，二者之间实行嵌套联接，如图4.1。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE 。

在结构上，电流环作为内环，转速环作为外环，形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态特性，转速和电流两个调节器采用PI 调节器。

图4.1 转速、电流双闭环调速系统
5、电机参数及设计要求 5.1电机参数
直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，=0.192V • min/r ，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：=40
电枢回路总电阻：R=0.5 时间常数
：=0.00167s,
=0.075s
电流反馈系数：=0.05V/A
转速反馈系数：=0.007 V • min/r
5.2设计要求
要求电流超调量5%，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。

6、调节器的工程设计
6.1电流调节器ACR的设计
（1）确定电流环时间常数
1）装置滞后时间常数=0.0017s；
2）电流滤波时间常数=0.002s；
3）电流环小时间常数之和=+=0.0037s；
（2）选择电流调节结构
根据设计要求5%，并且保证稳态电流无差，电流环的控制对象是双惯性型的，且=0.03/0.0037=8.11<10，故校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
式中—电流调节器的比例系数；
—电流调节器的超前时间常数。

（3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：==0.03s。

电流环开环增益：要求5%时，取=0.5，因此
于是，ACR的比例系数为
（4）校验近似条件
电流环截止频率=135.1
1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为196.1>，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：40.82<，所以满足近似条件；
3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：180.8>，所以满足近似条件。

按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。

同理，当KT=0.25时，可得=0.5067 =16.89;
当KT=1.0时，可得=2.027 =67.567
6.2转速调节器ASR的设计
（1）确定转速环时间常数
1）电流环等效时间常数为=0.0074s；
2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s；
3）转速环小时间常数=+；
（2）转速调节器的结构选择
由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环，转速调节器选用比例积分调节器（PI），其传递函数为
式中—电流调节器的比例系数；
—电流调节器的超前时间常数。

（3）选择转速调节器参数
按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为
，
转速开环增益为
所以转速调节器的比例系数为
（4）校验近似条件
转速环截止频率34.5
1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于63.7>,所以满足简化条件；
2）校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件：由于38.7>，所以满足近似条件。

3）核算转速超调量
当h=5时，=81.2%，而==515.2rpm，因此
=8.31%<10%
能满足设计要求。

7、仿真模型的建立
利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台，建立仿真模型。

如图7.1为电流环的仿真模型，图7.2为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。

图7.1 电流环的仿真模型图7.2 转速环的仿真模型
8、仿真结果分析
当取=1.013，=33.77时，电流环阶跃响应快，超调量小。

图8.1 电流环仿真结果
当
=0.5067，
=16.89时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。

_
图8.2 无超调的仿真结果
当=2.027，=67.567时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。

图8.3 超调量较大的仿真结果
当=11.7，=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为0，“final value”值为10，代表空载状态，此时系统起动速度快，退饱和超调量较大。

图8.4 转速环空载高速起动波形图
当=11.7，=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为0，“final value”值为136，代表满载状态，此时系统起动时间延长，退饱和超调量减小。

图8.5 转速环满载高速起动波形图
当=11.7，=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为1，“final value”值为10，加入扰动瞬间系统曲线有波动，但迅速恢复稳定。

图8.6 转速环的抗扰波形图
通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。

为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。

经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标。

9、心得体会
利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台对直流调速系统进行理论设计与调试，使得系统的性能分析过程简单且直观。

通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简
化，缩短了产品的开发设计周期。

该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。

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