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设计及仿真
双闭环直流调速系统设计及仿真一转速、电流双闭环控制系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。
这种理想的起动过程如图1所示。
nnt图1 转速调节系统理想起动过程为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。
根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。
因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。
这里实际提到了两个控制阶段。
起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。
如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。
如图2所示。
图2 双闭环直流调速控制系统原理图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。
如图3所示。
图3 双闭环直流调速系统动态结构图在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。
因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要而定。
滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。
所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。
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，其时间常数用表示[2]。
二双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。
双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。
由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
双闭环直流调速系统的设计与仿真开题报告
南京工程学院自动化学院毕业设计开题报告课题名称：双闭环直流调速系统的设计与仿真研究姓名：吴杰班级：10 自动化 1指导教师：张贞艳所在系部：自动化学院专业名称：自动化南京工程学院2014 年3 月毕业设计（论文）开题报告毕业设计的内容和意义一、毕业设计的内容（包括技术要求、图标要求以及工作要求等）：1. 简单闭环调速系统系统的性能分析，其中包括单闭环有、无静差转速负反馈调速系统以及带电流截止转速负反馈调速系统的性能分析。
通过比较它们的性能分析结果，得出它们的不足之处，从而引出双闭环直流调速系统。
2. 双闭环直流调速系统的设计，其中包括建立双闭环调速系统的方框图以及仿真模型。
并且通过仿真分析结果，与简单的闭环调速仿真分析进行比较，从而得出双闭环直流调速优越性。
3. 双闭环V-M系统的设计，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。
4. 双闭环PWM-M调速系统设计，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结构分析等。
二、毕业设计的意义1. 根据MATLAB/Simulink 仿真平台，研究双闭环直流调速系统的性能。
双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用[1]。
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[2]。
2. 通过比较单闭环有、无静差转速负反馈调速系统和带电流截止负反馈调速系统的仿真结果，从而得到它们各自的不足之处，从而突出双闭环直流调速系统的优越性以及必要性。
3. 通过对双闭环V-M系统和双闭环PWM-M调速系统这两种典型双闭环调速系统的的仿真分析，帮助我们更好的了解和应用双闭环直流调速系统。
4. 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。
基于Matlab的V-M双闭环直流调速系统设计及仿真报告(1)
基于Matlab的双闭环调速系统设计报告目录一、摘要 (2)二、总体方案设计 (3)1、控制原理2、控制结构图三、参数计算 (5)1、静态参数设计计算2、动态参数设计计算四、稳定性分析 (8)1、基于经典自控理论得分析2、利用MATLAB辅助分析A、利用根轨迹分析B、在频域内分析奈氏曲线：bode图利用单输入单输出仿真工具箱分析用Simulink仿真五、系统校正 (14)1、系统校正的工具2、调节器的选择3、校正环节的设计4、限流装置的选择六、系统验证 (15)1、分析系统的各项指标2、单位阶跃响应3、Simulink仿真系统验证系统运行情况七、心得体会 (20)八、参考文献 (20)一、摘要运动控制课是后续于自动控制原理课的课程，是更加接近本专业实现应用的一门课程。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。
本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。
另外，设计过程中还要以matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。
二、总体方案设计1、控制原理根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。
所以，设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。
这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。
所以，更具体的原理图如下：图2、单闭环直流调速系统具体原理图2、控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。
实验1转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真
实验1 转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真
一、实验目的
加深对它励式直流电机工作原理的理解，学会使用仿真软件MATLAB中的SIMULINK模块，搭建三相桥式可控整流电路模型和三相桥式驱动电路——6脉冲驱动发生器，并且将其与直流电机的双闭环控制相结合，并利用仿真模型，分析在直流电机开环时的仿真波形，以及在双闭环的原理和在此控制下的相关波形。
二、实验系统组成及工作原理
转速电流双波换控制直流系统的原理电路
三、实验所需软、硬件设备及仪器
（1）计算机（装有windows XP以上操作系统）；
（2）MATLAB 6.1版本以上软件；
四、实验内容
直流电机的转速电流双闭环控制，电源的相电压为220V的三相交流，励磁绕组电压为220V的直流。
首先观测直流电机在开环控制，空载下的转速，电枢电流，励磁电流以及转矩的波形，其次在空载下，加上双闭环控制电路，控制三相整流桥的触发角，从而达到调整励磁电流的目的，直至电机稳定工作，得到相关波形，最后给电机加载，观察波形的变化。
α°）
（1）开环控制（30
=
（2）双闭环控制（α由控制器的输出得到）
（3）加载时，双闭环控制下的波形
五、步骤及方法
六、课后思考与总结
（1）撰写仿真实验报告；
（2）采用双闭环控制的目的；
（3）在转速、电流双闭环直流调速系统中，如要改变电动机的转速，通常可以调节哪些参数？。
双闭环控制的直流脉宽调速系统(H桥)实验报告(2014)
正转时，闭环控制特性 n = f(Ug)
n（rpm）
1172 1100 1000 902 791 692 594
Ug（V）
4.06 3.78 3.41 3.07 2.69 2.35 2.02
反转时，闭环控制特性 n = f(Ug)
n（rpm）
1168 1096 997
Ug（V）
4.02 3.77 3.43
实验名称：双闭环控制的直流脉宽调速系统（H 桥）
实验目的：
1． 了解 PMW 全桥直流调速系统的工作原理。 2． 分析电流环与速度环在直流调速系统中的作用。
实验仪器设备：
1．DJK01 电源控制屏； 2．DJK08 可调电阻、电容箱； 3．DJK09 单相调压与可调负载； 4．DJK17 双闭环 H 桥 DC/DC 变换直流调速系统； 5．DD03-2 电机导轨、测速发电机及转速表； 6．DJ13-1 直流发电机； 7．DJ15 直流并励发电机； 8．D42 三相可调电阻； 9．慢扫描示波器； 10．万用表。
实验数据及结果：
系统的开环特性 n =f（Id）
n（rpm）
1130
Id（A）
0.9
1160 0.8
1190 0.7
1225 0.58
1265 0.45
1288 0.4
1300 0.37
电动机转速接近 n=l200rpm，闭环机械特性 n =f(Id)
n（rpm）
1168 1146 1116 1101
Ug 不变，改变 RG 使 Id 逐渐下降，测出相应的转速 n 及电流平均值 Id。 2．系统闭环特性的测定：将电流反馈量调节电位器调到最高端。 转向选择开关拨至“正向”，Ug >0，电动机启动后，测量测速发电机输出电压，将高电 位端接入速度反馈的 T1 端，低电位端接入 T2 端，以保证速度反馈为负值。 闭环机械特性的测定： 1) 调节给定 Ug 、转速反馈和电流反馈调节电位器使电机转速 n=1200rpm，这时 Un
双闭环不可逆直流调速系统实验报告
双闭环不可逆直流调速系统实验报告公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]双闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(1)了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
(2)掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。
(3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。
为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。
双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。
实验系统的原理框图组成如下：启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。
系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。
“速度调节器”、“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。
“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制αmax的目的。
在本实验中DJK04上的“调节器I”作为“速度调节器”使用，“调节器II”作为“电流调节器”使用；若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。
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。
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。
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。
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。
三相可调电阻器。
⒌ MEL –⒌ MEL – 11 11 11 电容箱。
电容箱。
电容箱。
⒍ 直流电动机–发电机–测速机组。
⒍ 直流电动机–发电机–测速机组。
⒎ 万用表。
⒎ 万用表。
⒏ 双踪示波器。
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。
双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
TGn ASR ACR U *n + -U n U i U *i + - U c TAV M + -U d I dUP E L- 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。
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TG n
ASR ACR U *n + - U n U i U *i + - U c TA V M + - U d I d UPE L - 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。
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 转速、电流双闭环调速系统 5、电机参数及设计要求 电机参数
直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，= • min/r ，允许过载倍数=，晶闸管装置放大系数：=40
电枢回路总电阻：R=
时间常数：=, =
电流反馈系数：=A 转速反馈系数：= V • min/r
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
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=；
2）电流滤波时间常数=；
3）电流环小时间常数之和=+=；
（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
==<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：==。
电流环开环增益：要求5%时，取=，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=
1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为>，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：<，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：>，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=时，可得= =;
当KT=时，可得= =
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=；
2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取=；
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
1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于>,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>，所以满足近似条件。
3）核算转速超调量
当h=5时，=%，而==，因此
=%<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。
如图为电流环的仿真模型，图为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。
图 电流环的仿真模型
图 转速环的仿真模型
8、仿真结果分析 当取=，=时，电流环阶跃响应快，超调量小。
图 电流环仿真结果 当=，=时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。
图无超调的仿真结果
当=，=时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。
图超调量较大的仿真结果
当=，=时，图中“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。
图转速环空载高速起动波形图
当=，=时，图中“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。
图转速环满载高速起动波形图
当=，=时，图中“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。