运动控制系统双闭环直流调速系统仿真
最新双闭环直流调速系统的设计与仿真设计
双闭环直流调速系统的设计与仿真设计本科毕业设计（论文）题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真研究Graduation 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。
在本设计中，我加入了三种简单的单闭环直流调速系统，并且通过对它们进行仿真分析，比较找出了它们的不足之处，从而更明显地体现了双闭环直流调速系统的优越性。
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 actualproject ,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]。
双闭环直流调速控制系统仿真.
目录第一章概述................................................... - 1 -仿真意义.......................................................... - 1 -本设计内容及要求.................................................. - 2 -第二章双闭环直流调速系统的工作原理............................... - 3 -双闭环直流调速系统的介绍.. (3)双闭环直流调速系统的组成 (4)双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (5)双闭环直流调速系统的起动过程分析 (6)双闭环直流调速系统的动态性能分析 (8)双闭环直流调速系统的动态性能指标 (10)双闭环直流调速系统的频域分析 (12)第三章双闭环直流调速系统的数学模型............................... - 14 -直流电动机建模.. (14)晶闸管触发和整流装置传递函数 (16)按工程设计方法设计双闭环系统调节器 (18)电流调节器的设计 .............................................. - 18 -转速调节器的设计 .............................................. - 22 -第四章 SIMULINK环境中的系统建模、仿真结果及分析.................. - 27 -电流环的MATLAB计算及仿真 (28)电流内环的SIMULINK动态结构图 ................................. - 28 -电流环阶跃响应的MATLAB计算及仿真 ............................. - 28 -电流环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真 ....................... - 30 -电流环频域分析的MATLAB计算及仿真 ............................. - 32 -转速环的MATLAB计算及仿真 (33)转速外环的SIMULINK动态结构图................................. - 33 -转速环阶跃响应的MATLAB计算及仿真............................. - 34 -转速环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真....................... - 35 -转速环频域分析的MATLAB计算及仿真............................. - 37 -第五章结论...................................................... - 39 -参考文献......................................................... - 40 -致谢............................................................. - 41 -附录............................................................. - 42 -第一章概述仿真意义对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。
运动控制系统双闭环直流调速系统仿真
本科生课程论文课程名称运动控制系统学院机自学院专业电气工程及其自动化学号 1212XXXX学生姓名翟自协指导教师杨影分数题目：双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析，仿真时间10s。
具体要求如下：在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：P N=60kW，U N=220V，I N=308 A，n N=1000 r/min ，电动势系数C e=0.196 V·min/r ，主回路总电阻R=0.18Ω，变换器的放大倍数K s=35。
电磁时间常数T l=0.012s，机电时间常数T m=0.12s，电流反馈滤波时间常数T oi=0.0025s，转速反馈滤波时间常数T on=0.015s。
额定转速时的给定电压(U n∗)N=10V，调节器ASR，ACR饱和输出电压U im∗= 8V ，U cm=7.98V。
系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量≤5% ，空载起动到额定转速时的转速超调量≤10%。
试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在以内)和转速反馈系数α。
（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR。
（3）在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。
给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。
（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。
并与仿真结果进行对比分析。
（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。
（6）在5s突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。
解：（1）β=U im∗I dm=8V1.1∗I N=8V339A=0.0236 V A⁄α=101000⁄=0.01V min r⁄（2）①电流调节器设计确定时间常数：a) T s=0.00333sb) T oi=0.0025sc) T∑i=T oi+T s=0.0025+0.00333=0.00583s电流调节器结构确定：因为σi≤5%，可按典型I型系统设计，选用PI调节器，W ACR(S)=K i(τi S+1)τi S电流调节器参数确定：τi=T l=0.012s，选K I T∑i=0.5 ，K I=0.5T∑i⁄=85.76 s−1，K i=K Iτi RK sβ=85.76×0.012×0.1835×0.0236=0.224校验等效条件：ωci=K I=85.76 s−1电力电子装置传递函数的近似条件：1 3T s =13×0.00333=101.01>ωci忽略反电势的影响的近似条件：3√1T m T l =3√10.12×0.012=79.06 s−1<ωci电流环小时间常数的近似条件：1 3√1T s T oi=13√10.00333×0.0025=115.52 s−1>ωci可见满足近似等效条件。
双闭环直流调速控制系统仿真
题目：双闭环直流调速控制系统仿真目录第一章概述- 2 -1.1 仿真意义- 2 -1.2 本设计内容及要求- 3 -第二章双闭环直流调速系统的工作原理- 4 -2.1双闭环直流调速系统的介绍-4-2.2双闭环直流调速系统的组成-5-2.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性-6-2.4双闭环直流调速系统的起动过程分析-7-2.5双闭环直流调速系统的动态性能分析-9-2.6双闭环直流调速系统的动态性能指标-11-2.7双闭环直流调速系统的频域分析-13-第三章双闭环直流调速系统的数学模型- 15 -3.1直流电动机建模-15-3.2晶闸管触发和整流装置传递函数-18-3.3按工程设计方法设计双闭环系统调节器-19-3.3.1电流调节器的设计- 20 -3.3.2转速调节器的设计- 24 -第四章SIMULINK环境中的系统建模、仿真结果及分析- 28 -4.1电流环的MATLAB计算及仿真-29-4.1.1电流内环的SIMULINK动态结构图- 29 -4.1.2电流环阶跃响应的MATLAB计算及仿真- 30 -4.1.3电流环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真- 32 -- 1 - / 414.1.4电流环频域分析的MATLAB计算及仿真- 33 -4.2转速环的MATLAB计算及仿真-34-4.2.1转速外环的SIMULINK动态结构图- 35 -4.2.2转速环阶跃响应的MATLAB计算及仿真- 35 -4.2.3转速环抗扰动响应过程的MATLAB计算机仿真- 37 -4.2.4转速环频域分析的MATLAB计算及仿真- 39 -第五章结论- 40 -参考文献错误!未定义书签。
致谢错误!未定义书签。
附录错误!未定义书签。
第一章概述1.1仿真意义对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。
然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的。
运动控制系统课程设计_双闭环PWM双极式直流调速系统的工程设计及仿真
I
双闭环 PWM 双极式直流调速系统的工程及仿真
1. 绪 论
1.1 课题概述
在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、 产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现 自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具 有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大， 能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速启动与制动和反转，能满足生 产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机 等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，到目前为止是调速系统的 主要形式。
3.5 锯齿波信号产生电路 ....................................................................................15 3.6 基于 EXB841 驱动电路设计 ....................................................................16 4. 系统参数的计算 .........................................................................................................19 4.1 电流调节器的设计 .........................................................................................19 4.2 转速调节器的设计 .........................................................................................21 5. 利用 MATLAB 建模并对所设计的系统进行仿真 .................................25 5.1 MATLAB 简要介绍.........................................................................................25 5.2 双闭环调速系统仿真模型图 ....................................................................26 总 结 .....................................................................................................................................28 参考文献 ................................................................................................................................29
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。
转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计
运动控制系统课程设计题目:转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计1. 设计题目转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计2. 设计任务已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下：1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r,允许过载倍数λ=2）晶闸管装置放大系数：K s=303）电枢回路总电阻：R=Ω4）时间常数：T l=,T m=,转速滤波环节时间常数T on取5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果;系统要求：1）稳态指标：无静差2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%3. 设计要求根据电力拖动自动控制理论,按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下：1）设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统；2）在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统；3）进行Simulink仿真,验证设计的有效性;4.设计内容1 设计思路：带转速负反馈的单闭环系统,由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压,以补偿电枢回路电阻压降的变化,所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降;当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量的偏差进行控制的,因此是有静差率的调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速,实现无静差调速;对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流,可以用附带电流截止负反馈作限流保护,但这并不能控制电流的动态波形;按反馈的控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变,采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程;另外,在单闭环调速系统中,用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难于进行调节器的参数调速;例如,在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中,同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节,调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质;按照电机理想运行特性,应该在启动过程中只有电流负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速反馈,双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时,转速负反馈起主要作用,当电流达到最大值时,电流负反馈起主要作用,得到电流的自动保护;2双闭环调速系统的组成：a.系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图;图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置;电流环在内,称之为内环；转速环在外,称之为外环;两个调节器输出都带有限幅,ASR的输出限幅什U im决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值U im,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm 限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角α;图2－1 双闭环调速系统电路原理图b.系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图,由于电流检测信号中常含有交流分量,须加低通滤波,其滤波时间常数T oi按需要选定;滤波环节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了延滞;为了平衡这一延滞作用,在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节;其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞,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电机的换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数用T on表示;根据和电流环一样的道理,在转速给定通道中也配上时间常数为T on的给定滤波环节;T oi—电流反馈滤波时间常数T on—转速反馈滤波时间常数图2－2双闭环调速系统的动态结构图3）按工程设计方法设计双闭环系统的ACR：设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始,一环一环地逐步向外扩展;在这里是：先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器;a.确定时间常数整流滤波时间常数T s,三相桥式电路的平均失控时间T s=；电流滤波时间常数T oi,三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本虑平波头,应有1～2Toi=,因此取Toi=2ms=；电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=T s+T oi=;b.选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%,并保证系统稳态电流无误差,因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI 型,其传递函数为: W ACR s =isis Ki ττ1+ c.校验近似条件电流环截止频率11.135-==s KI ci ω； 晶闸管装置传递函数近似条件为：13ci sw T ≤=,满足近似条件； 忽略反电动势对电流环影响的条件为：ci w ≥满足近似条件； 小时间常数近似条件处理条件为：ci w ≤=, 满足近似条件;d.计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示,按所用运算放大器取R 0=40kΩ,各电阻和电容值计算如下：,取30k; ,取;-图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：σi %=%<5%,满足设计4按工程设计方法设计双闭环系统的ASR ：a.确定时间常数电流环等效时间常数为20.0074i T s ∑=；转速滤波时间常数Ton ,根据所用测速发电机波纹情况,取Ton=； 转速环小时间常数n T ∑ 按小时间常数近似处理,取n T ∑=20.0174i T Ton s ∑+=;b ．选择转速调节器结构由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统设计速度环,故ASR 选用PI 调节器,其传递函数为：1()n ASR nn s W s K sττ+= c.计算速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则,取h=5,则ASR 的超前时间常数为：50.01740.087n n hT s τ∑==⨯=,转速环开环增益： 2224.39621-∑=+=s T h h K nN 于是,ASR 的比例系数: =d.校验近似条件由转速截止频率：15.341-===s n KN KNcn τωω; 电流环传递函数简化条件： ,满足简化条件; 转速环小时间常数近似条件为： ,满足近似条件;e.计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示,取040R k =Ω,则,取550k; ,取;图3－2含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器-按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：当h=5时,查表得%,虽然不满足设计要求,而实际上,突加阶跃给定时,ASR 饱和,应按退饱和的情况重新计算超调量,实际%,满足设计要求;5内、外开环对数幅频特性的比较图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上,其中各转折频率和截止频率依次为：13.2700037.011-==∑s i T ,151.570174.011-==∑s n T , 151.34-=s cn ω,15.11087.011-=s n τ; 以上频率一个比一个小,从计算过程可以看出,这是必然的规律;因此,这样设计的双闭环系统,外环一定比内环慢;一般来说,1150~100-=s ci ω,150~20-=s cn ω;从外环的响应速度受到限制,这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点;然而,这样一来,每个环本身都是稳定的,对系统的组成和调试工作非常有利;总之,多环系统的设计思想是：以稳为主,稳中求快;L/dBO1/-s ωiT ∑1ciωnT ∑1cn ωnτ1InI-电流内环 n-转速外环图4－1又闭环系统内环和外环的开环对数幅频特性－20－40－20－406 晶闸管的电压、电流定额计算a.晶闸管额定电压U N晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um ,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,即按下式选取U N ＝2～3Um ,式中系数2～3的取值应视运行条件,元件质量和对可靠性的要求程度而定;b.晶闸管额定电流I N为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流的有效值来计算其电流额定值;即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值;可按下式计算：I N =~2K fb I MAX ;式中计算系数K fb =Kf/由整流电路型式而定,Kf 为波形系数,Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数;当α=0时,三相全控桥电路K fb =,故计算的晶闸管额定电流为I N =~2K fb I MAX =~2 ××220×=～,取200A;7平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器的电感量时,要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中,扣除上述两种电感量;a.电枢电感量L M 按下式计算)(2103mH I Pn U K L NN N D M ⨯=P —电动机磁极对数,K D —计算系数,对一般无补偿电机：K D =8~12; b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感L B 按下式计算)(100%2mH I U U K L dK BB •= U 2—变压器次级相电压有效值,I d —晶闸管装置直流侧的额定负载电流,K B —与整流主电路形式有关的系数;c.变流器在最小输出电流I dmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算min2d I U K L •=, K 是与整流主电路形式有关的系数,三相全控桥K 取则L ＝mH.6）进行Simulink 仿真,验证设计的有效性a. 电流闭环的仿真如下图：为了研究系统的参数对动态性能的影响,分别取K I T ∑i =、、、,此时K I 的值也会随之变化,运行仿真,即可得不同K I 值的阶跃响应曲线：图6-1 KT=的阶跃响应曲线图6-2KT=的阶跃响应曲线图6-3 KT=的阶跃响应曲线图6-4 KT=的阶跃响应曲线由曲线可以看出如果要求动态响应快,可取KT=；如果要求系统超调小,则应把KT 的值取小些,可取KT<;无特殊要求,取折中值KT=,,称为最佳二阶系统;图6-1~图6-4反映了PI 调节器的参数对系统品质的影响趋势,在工程设计中,可以根据工艺的要求,直接修改PI 调节器的参数,找到一个在超调量和动态响应快慢上都较满意的电流环调节器;b. 转速环的仿真设计在增加转速环调节后,转速环开环传递函数如下： )1()1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ 校正后的调速系统动态结构框图如下所示：其中me n n N T C R K K βτα=;在matlab中搭建好系统的模型,如下图：转速环的仿真设计为满足系统在不同需求下的跟随性与抗扰行能要求,取h的之分别为：3、5、7、9. 用matlab仿真结果如下：图7-1h=3时的阶跃响应曲线图7-2h=5时的阶跃响应曲线图7-3h=7时的阶跃响应曲线图7-4h=9时的阶跃响应曲线由图可以看出：h值越小,动态降落也越小,恢复时间、调节时间也短,抗扰性能也越好,但是,从h<5以后,由于震荡剧烈h越小,恢复时间反而延长,综合起来看,h=5是最佳选择,也即最佳三阶系统;对电流环与转速环都是根据实际需要调节参数的,对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小,但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大,抗扰性能较好;5.设计心得a.通过该次设计,更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统的结构组成以及它的工作原理,加深了对开环、闭环有静差、无静差调速的理解---闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低的稳态误差;b.由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程,其基本思想是先内环再外环;在结构框图的处理过程中有多处近似处理,简化了传递函数,从而使问题得到简化,因此称为被称为“工程设计方法”,这意味着在实际的应用中,在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的;从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着一些列的变化显示人们人知的渐进性;仿真是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成的,仿真的直观的证明了最佳二阶、三阶系统的参数,并再一次体现了matlab在控制中的重要作用,的确是一个很强大的仿真工具;整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制相关知识理解程度,相当于也许经过证明的才是最可靠的;d.由于水平有限,设计中肯定有许多错误和不足的地方,敬请老师指正;6．参考文献【1】陈伯时,电力拖动自动控制系统;机械工业出版社;【2】李荣生,电气传动控制设计指导;;。
双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真基于直流电动机调速系统的研究
双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真基于直流电动机调速系统的研究摘要：本文研究了双闭环直流电动机调速系统的设计及MATLAB仿真。
首先介绍了直流电动机调速系统的基本原理，然后通过建立数学模型，设计了双闭环调速系统的控制器，并利用MATLAB进行了系统的仿真实验。
仿真结果表明，双闭环调速系统能够有效地提高电动机的调速性能，使其在不同负载条件下保持稳定的转速。
关键词：双闭环调速系统、直流电动机、MATLAB仿真1.引言直流电动机调速系统是工业自动化控制中的常用控制系统之一、它广泛应用于机械设备、工业生产线以及交通运输等领域。
传统的直流电动机调速系统采用单闭环控制，其调速性能较差，对负载扰动不敏感。
因此，研究双闭环直流电动机调速系统，对于提高电动机的调速性能具有重要意义。
2.直流电动机调速系统设计原理直流电动机调速系统是通过调节电源电压或者改变电动机绕组的接线方式来实现。
系统主要由电动机、控制器以及反馈元件组成。
在传统的单闭环调速系统中，控制器根据电机的转速反馈信号与给定的转速信号之差，产生输出信号控制电机的转速。
然而，单闭环调速系统对负载扰动不敏感，容易出现转速不稳定等问题。
双闭环调速系统是在传统的单闭环调速系统的基础上增加了一个速度环，用于对电机的速度进行闭环控制。
速度环通过调节电机的输出力矩，实现对电机转速的调节。
双闭环调速系统可以及时调整电机输出力矩，使电机在负载扰动下保持稳定的转速。
3.双闭环直流电动机调速系统的控制器设计双闭环直流电动机调速系统的控制器主要由速度环控制器和电流环控制器组成。
速度环控制器根据速度反馈信号与给定的速度信号之差，产生电压控制信号，用于控制电机的输出力矩。
电流环控制器根据电流反馈信号与给定的电流信号之差，产生电压控制信号，用于控制电机的转矩。
具体的控制器设计需要根据电机的数学模型和系统性能要求进行。
4.MATLAB仿真实验本文利用MATLAB软件对双闭环直流电动机调速系统进行了仿真实验。
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运动控制系统双闭环直流调速系统仿真TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-本科生课程论文课程名称运动控制系统学院机自学院专业电气工程及其自动化学号 1212XXXX学生姓名翟自协指导教师杨影分数题目：双闭环直流调速系统仿真对例题设计的双闭环系统进行设计和仿真分析，仿真时间10s 。
具体要求如下：在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为： P P =60kW ， P P =220V ，P P =308 A ， P P =1000 r/min ， 电动势系数 P P = V ·min/r ，主回路总电阻 R =Ω，变换器的放大倍数 P P =35。
电磁时间常数 P P =，机电时间常数 P P =，电流反馈滤波时间常数 P PP =，转速反馈滤波时间常数 P PP =。
额定转速时的给定电压(P P ∗)P =10V ，调节器ASR ，ACR 饱和输出电压P PP ∗= 8V ， P PP =。
系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量 ≤5% ，空载起动到额定转速时的转速超调量 ≤10%。
试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在 以内)和转速反馈系数α。
（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。
（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。
给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。
（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。
并与仿真结果进行对比分析。
（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。
（6）在5s突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。
解：（1）β=P PP∗P PP=8P1.1∗P P=8P339P=0.0236P P⁄α=101000⁄=0.01P PPP P⁄（2）①电流调节器设计确定时间常数：P) PP=0.00333PP) PPP=0.0025PP) P∑P=P PP+P P=0.0025+0.00333=0.00583P 电流调节器结构确定：因为P P≤5%，可按典型I型系统设计，选用PI调节器，P PPP(P)=P P(P P P+1)P P P电流调节器参数确定：P P=P P=0.012P，选P P P∑P=0.5，P P=0.5P∑P⁄=85.76P−1，P P=P P P P PP=85.76×0.012×0.18×.=0.224校验等效条件：P PP=P P=85.76P−1电力电子装置传递函数的近似条件：1 3P P =13×0.00333=101.01>P PP忽略反电势的影响的近似条件：3√1P P P P =3√10.12×0.012=79.06P−1<P PP电流环小时间常数的近似条件：1 3√1P P P PP=13√10.00333×0.0025=115.52P−1>P PP可见满足近似等效条件。
②速度调节器设计确定时间常数：a）电流环等效时间常数1P P:⁄因为P P P∑P=0.5则1P P⁄=2P∑P=2×0.00583=0.01166Pb）P PP=0.015Pc）P∑P=1P P⁄+P PP=0.01166+0.015=0.02666s 速度调节器结构确定：按照无静差的要求，应选用PI调节器，P PPP(P)=P P(P P P+1)P速度调节器参数确定：P P=PP∑P，取h=5，P P=PP∑P=0.1333PP P=P+12P2P∑P2=62×52×0.026662=168.82P−2P P=P P2PPPP∑P =2×5×0.01×0.18×0.02666=6.94校验等效条件：P PP=P P P1⁄=P P P P=168.82×0.1333=22.5P−1 a）电流环近似条件：1 3√P PP∑P=13√85.760.00583=40.43P−1>P PPb）转速环小时间常数近似：1√P PPP=1√85.76.=25.2P−1>P PP可见满足近似等效条件。
转速超调量的校验（空载Z=0）P P%=2∗(P PPPP P)(−P)P PP∗P∑PP P=2×81.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.026660.12=11.23%>10%转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。
因此需要重新设计。
查表，应取小一些的h，选h=3进行设计。
按h=3，速度调节器参数确定如下：P P=PP∑P=0.07998PP P=P+12P2P∑P=42×9×0.02666=312.656P−2P P=P P2PPPP∑P =2×3×0.01×0.18×0.02666=7.7校验等效条件：P PP=P P P1⁄=P P P P=312.656×0.07998=25P−1 a）电流环近似条件：1 3√P PP∑P=13√85.760.00583=40.43P−1>P PPb）转速环小时间常数近似：1√P PPP=1√85.76.=25.2P−1>P PP可见满足近似等效条件。
转速超调量的校验：P P%=2∗(P PPPP P)(−P)P PP∗P∑PP P=2×72.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.026660.12=9.97%<10%转速超调量的校验结果表明，上述设计符合要求。
（3）在matlab仿真平台下搭建系统仿真模型：①限幅时的仿真波形：a)转速：b)电流：c)转速调节器输出：d)转速调节器积分部分输出：②不限幅时的仿真波形：a)转速：b)电流：c)转速调节器输出：d)转速调节器积分部分输出：由上图可知，空载启动时转速的波形在限幅和不限幅上的区别还是很大的。
空载起动时转速波形的区别：①当转速调节器的积分部分不限幅时：振荡次数较于限幅时更多，超调比较大，起动时间更长，调节时间更加长。
②当转速调节器的积分部分限幅时：振荡次数少于不限幅时，超调较小，起动时间较短，调节时间较短。
引起区别的原因：当ASR转速调节器积分部分不限幅时，速度调节器达到限幅值时，转速还未达到额定转速，偏差均大于零，积分部分的输出一直在增大，这就导致使积分部分输出的值变得很大。
当转速达到额定转速时，积分调节器的输出不能立即变小，而是需要经过一段时间使积分调节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值。
在这段时间内调节器暂时失去调节功能，导致ASR在很长时间内都是限幅输出，电机转速一直在增加，所以ASR积分部分不限幅时，转速超调较大，起动时间较长，调节时间较长。
（4）40%额定负载起动到最低转速时：因为由题目要求带40%额定负载，所以P PP=PP PP=0.4×308=123.2PP P%=2×72.2%×(1.1−0.4)×308×0.180.196×1000×0.026660.12=6.35%仿真结果：P P%=1049−10001000=4.9%与估算结果相近。
（5）根据电机运动方程：PP2 375PPPP=P P−P PPP PP =P P(P PP−P PP)PP2375=P(P PP−P PP)P PPP2P375P P P P =(P PP−P PP)PP P P P所以，t=P P P P P∗(P PP−P PP)P=0.196×0.12×1000(1.1×308−0)×0.18=0.385P（6）在5s突加40%额定负载，转速仿真波形：电流仿真波形：转速调节器输出仿真波形：转速调节器积分部分输出仿真波形：分析：突加给定电压后，转速调节器很快进入饱和状态，输出恒定的限幅电压P PP ∗，使电机在恒流条件下启动，启动电流P P ≈P PP =P PP ∗P ⁄，而转速则按线性规律增长。
转速调节器一旦饱和，只有当转速上升到给定电压所对应的给定值P ∗时，反馈电压才与给定电压平衡，此后转速偏差电压P P 变为负值，使ASR 退饱和。
ASR 开始退饱和时，由于电动机电流P P 仍大于负载电流P PP ，电动机仍然加速，直到P P ≤P PP 时，转速才降低下来，因此启动过程中转速一定超调。
在5s 时突加40%额定负载扰动，即P PP =123.2P ，则转速受扰动，会有所下降，使电动机电流P P 升高。
直到P P >P PP 时电机转速才回升，同时电机电流下降，最后稳定在。
心得体会：由于之前课程对matlab 的熟悉使得这次仿真项目在matlab 使用部分顺利很多。
重点也是难点的是对双闭环直流调速系统的理解，充分理解转速环和直流环，还要学会各种参数的比较和计算，如何修改参数以达到题目的要求。
仿真部分也有遇到难题，比如由于参数设置问题导致波形与预想的效果相差甚远，而有些则只是范围内的误差。
总的来说，通过这次仿真项目，不仅仅学到了如何使用操作matlab ，更多的是系统的设计以及仿真思想。