直流电机双闭环调速系统设计.

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录1 绪论 (1)1.1课题研究背景 (1)1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1)2 直流电机双闭环调速系统 (3)2.1直流电动机的起动与调速 (3)2.2直流调速系统的性能指标 (3)2.2.1静态性能指标 (3)2.2.2动态的性能指标 (4)2.3双闭环直流调速系统的组成 (6)3 双闭环直流调速系统的设计 (8)3.1电流调节器的设计 (8)3.2转速调节器的设计 (10)3.3闭环动态结构框图设计 (12)3.4设计实例 (12)3.4.1设计电流调节器 (13)3.4.2设计转速调节器 (15)4.Matlab仿真 (17)4.1仿真结果分析 (19)5 结论 (20)参考文献 (21)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论1.1课题研究背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。

这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。

有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。

然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。

因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。

1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。

采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。

此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。

因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。

直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。

并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊生产领域。

在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。

但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。

第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。

本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2 直流电机双闭环调速系统2.1直流电动机的起动与调速（1）直流电动机的起动直流电动机接通电源以后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。

直流电机的起动条件应满足以下原则：①起动转矩要大于负载转矩；②起动电流限制在安全范围以内；③起动设备投资要经济适用，设备运行要安全可靠，起动时间要短。

（2）直流电动机速度的调节①改变电枢供电电压U②减弱励磁磁通Φ③改变电枢回路电阻R从以上三种方法的介绍中可知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。

变电阻只可以实现有级调速；弱磁调速虽然可以实现平滑调速，但它可调节的范围不太大，经常要和调压方式配合，在额定转速以上可作较小范围的弱磁升速。

因此，调压调速为自动控制系统主要调速方式，本论文正是采用此方法来设计系统。

2.2直流调速系统的性能指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。

静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。

抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。

2.2.1静态性能指标（1）调速范围生产机械要求电动机在额定负载运转时，提供的最高运转速度m axn与最低运转速度m inn之比，称为调速范围，用符号D表示，即minmaxnnD=（2-6）（2）静差率当电机拖动系统在某一转速下运转时，系统从理想空载转速n至额定负载时转速降落了Nn∆与理想空载转速n之比，叫做静差率s，即nns N∆=（2-7）┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊用百分数可表示为%100⨯∆=nns N（2-8）由以上可知，静差率能反映拖动系统在负载变化时调速的稳定性。

它与机械特性的硬度有关，机械特性越硬，静差率就越小，转速稳定度就越高。

但是静差率与特性硬度又是不同的。

变压调速系统在不同转速的情况下机械特性是相互平行的，对于相同硬度的机械特性，理想空载时转速越低，静差率就越大，转速相对稳定度也越差。

由此可见，调速范围与静差率这两项指标之间的关系不是相互独立的，它们必须一起被提出时才有意义。

若调速的额定速降一样，则运转的越慢，静差率就越大。

在低速的情况下，如果静差率能符合设计要求，那么静差率在高速运转时就更能满足要求了。

所以，在调速系统中，静差率指标的基准就是最低速运转时所能达到的参数。

2.2.2动态的性能指标拖动系统动态过程的性能指标是生产工艺流程要求对控制系统动态指标的要求经折算与量化后得到的。

在自动化系统中，动态指标是指跟踪给定信号的跟随性能指标和抗扰动信号的鲁棒性能指标。

（1）系统跟随性指标在参考输入信号R(t)的作用下，跟随性能指标可用来描述系统输出量C(t)的变化。

当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。

通常以输出量的初始值为零，在阶跃变化下的过渡过程中给定信号作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。

一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值∞C的偏差越小越好，达到∞C的时间越快越好。

常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：①上升时间rt在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零开始第一次上升到稳态值∞C所经过的时间称为阶跃响应的上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2-4。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图2-1 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标②超调量σ在典型的阶跃响应跟随系统中，超调量输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示：%100max⨯-=∞∞CCCσ（2-10）③调节时间st系统整个调节过程的快慢的衡量可以用调节时间来衡量。

在原则上，应该是从阶跃变化开始到输出量完全稳定下来为止所需的时间。

在线性控制系统中，理论上∞=t才是真正的稳定，然而在实际系统中，因为各种非线性因素的存在，过渡过程到一定时间就终止了。

因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取%5±(或取%2±)的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2-4。

（2）抗扰动能力性能指标控制系统在稳定运行时，突加负载的阶跃扰动后的动态响应过程作为典型的抗扰过程，并定义抗扰动能力动态性能指标，如图2-5所示。

常用的抗扰动能力性能指标为动态降落和恢复时间：①动态降落maxC∆系统在稳定条件下运行时，突加一定数值的扰动（如负载扰动）后引起转速降落的最大值maxC∆叫做动态降落，常用maxC∆与输出量的原稳态值1∞C之比的百分数%100/1max⨯∆∞CC来表示（或用某基准值bC的百分数%100/max⨯∆bCC来表示）。

在动态降落后输出量逐渐恢复，达新的稳态值2∞C，┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊)(21∞∞-CC是系统在该扰动作用下的稳态误差，即静差。

一般情况下，动态降落大于稳态误差。

调速系统在突加额定负载扰动时转速的动态降落叫做动态降落m axn∆。

②恢复时间vt从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值2∞C之差进入某基准量bC的%5±(或取%2±)范围之内所需的时间，定义为恢复时间vt，其中bC称为抗扰指标中输出量的基准值。

实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。

一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

C图2-2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标2.3双闭环直流调速系统的组成双闭环直流调速系统中存在转速、电流两个调节器，分别调节转速和电流，并引入转速和电流负反馈。

在二两者中采用嵌套（或称串级）联接，如图2-6所示。

将转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再将电流调节器的输出控制电力电子变换器UPE。

从系统结构上来看，电流环在里边，称作内环；转速环在外面，称作外环。

这样就构成转速、电流双闭环直流调速系统。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图2-3 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR─转速调节器 ACR─电流调节器 TG─测速发电机TA─电流互感器 UPE─电力电子变换器*nU─转速给定电压nU─转速反馈电压*iU─电流给定电压iU─电流反馈电压┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3 双闭环直流调速系统的设计双闭环调速系统属于多环控制系统，每一环都有调节器，构成一个完整的闭环系统。