转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真课程设计
转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计(专业课程设计报告格式)
专业课程设计报告（级本科）题目：转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计学院：学院专业：班级：姓名：学号：同组同学：设计时间：评定成绩：指导教师：年月大学专业课程设计任务书含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器(3)选择电流调节器参数要求%5%≤i σ时，应取5.0=∑i I T K ，因此s K i l I T T 11.1350037.05.0-==∑=于是，013.14005.05.003.01.135=⨯⨯⨯==Ks R K K i Ii βτ。
(4)校验近似条件 要求sci T 31<ω，现ci s s s T ω>=⨯=--111.1960017.03131。
要求l m ci T T 13≥ω，现ci l m s s T T ω<=⨯=--11243.45.011313。
要求oi s ci T T 131≤ω，现ci oi s s s T T ω>=⨯=--118.180002.00017.0131131(5)计算电流调节器电阻和电容 取Ω=k R 400，则Ω=Ω⨯==k k R K R n n 52.4040013.10 取Ω=k R n 40F F R C iii μτ75.0104003.03=⨯==取F μ75.0 F F R T C oi oi μμ2.0101040002.044630=⨯⨯⨯== 取F μ2.0 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为%5%3.4%<=i σ，故满足设计要求。
2.2转速环的设计 (1)确定时间常数电流环等效时间常数为s T i 0074.02=∑。
根据所用发电机纹波情况，取转速滤波时间常数s T on 01.0=。
转速小时间常数近似处理，取s T T T on i n 0174.02=+∑=∑。
(2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为()ss K s W n n nASR ττ1+=含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器(3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5=h ，则s s hT n n 087.00174.05=⨯=∑=τ222224.3960174.0252621--=⨯⨯=∑+=s s T h h K nN 则 ()7.11174.05.0007.01018.0132.005.0621=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∑+=nme n RT h T C h K αβ(4)检验近似条件115.34087.04.396--=⨯==s s K n N cn τω。
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
即可得 ASR 的比例系数为K n =
= 2×3×0.01×0.18×0.02666 = 7.71
4×0.0236×0.196×0.12
二、电流环的仿真
电流环的仿真模型如图所示，其中晶闸管整流装置输出电流可逆。
3
在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（Saturation） ，它来自于 Discontinuities 组， 双击该模块， 把饱和的上 下界参数分别设置为本 例题的限幅值+10 和-10， 如图所示。 在 按 工 程 设 计 方法 设计电流环时， 暂不考虑 反电动势变化的动态影 响， 而在如图所示的电流 环的仿真模型中， 已经把 反电动势的影响考虑进 去， 它可以得到更真实的 仿真结果。 选中 Simulink 模型窗 口 的 Simulation→Configuratio n Parameters 菜单项， 把 Start time 和 Stop time 栏目分别填写为 0.0s 和 0.5s。 启动仿真过程， 启动 Scope 工具条中的自动刻度调整示波器模块所显示的曲线，得到如下图所示曲线。 如上图的 PI 蚕食是根据题中计算结果设定的，参数关系是 KT=0.5。在此基础上利用仿 真模型， 可以观察 PI 参数对跟随性能指标的影响趋势， 找到符合工程要求的更适合的参数。
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，设计者要选择 ASR 和 ACR 两个调节器的 PI 参数，有效的方法是使用调节器的工程设计方法。 工程设计是在一定的近似条件下得到的，再用 MATLAB 仿真软件进行仿真，可以根据仿 真结果对设计参数进行必要的修正和调整。
一、转速、电流反馈控制直流调速系统仿真框图及参数
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真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：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。
电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=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 =7.2V 。
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i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。
试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 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。
（一）实验参数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： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。
实验四--直流调速系统仿真与设计
实验四 直流调速系统仿真与设计一、 实验目的1、掌握连续部分的程序实现方法；2、熟悉仿真程序的编写方法。
二、 实验内容一转速、电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，已知电动机参数为：N P =200W ，N U =48V ，N I =4A ，额定转速 500r/min ，电枢电阻Ra=6.5欧，电枢回路总电阻R=8欧，允许电流过载倍数2λ=，电势系数C 0.12min/e V r =•，电磁时间常数s T l 015.0=，机电时间常数s T m 2.0=，电流反馈滤波时间常数s T oi 001.0=，转速反馈滤波时间常数s T on 005.0=。
设调节器输入输出电压**nm im cm U U U 10V ===，调节器输入电阻Ω=k R 400。
已计算出电力晶体管D202的开关频率f 1kHz =，PWM 环节的放大倍数s K 4.8=。
试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量i5%σ≤；空载起动到额定转速时的转速超调量n20%σ≤；过渡过程时间s t 0.1s ≤。
建立系统的仿真模型，并进行仿真验证。
一、 设计计算 1. 稳态参数计算根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V电流反馈系数；A V A VI U im /25.14210nom *=⨯==λβ转速反馈系数：r V r Vn U nm min/02.0min/50010max *⋅===α2. 电流环设计（1）确定时间常数电流滤波时间常数T oi =0.2ms ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑（2）选择电流调节器结构电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。
电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为ss K s W i i i ACR ττ1)(+=（3）选择调节器参数超前时间常数：i τ=T L =0.008s电流环超调量为σi ≤5%，电流环开环增益：应取5.0=∑i I T K ，则I K =i T ∑5.0=0003.05.0=1666.67于是，电流调节器比例系数为0.00881666.6717.781.25 4.8i i I s R K K K τβ⨯=⋅=⨯=⨯（4）检验近似条件电流环截止频率ci ω=I K =1666. 67 1/s1） 近似条件1：ci ω ≤sT 31现在，s T 31=0003.01=3333.33>ci ω，满足近似条件。
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;;。
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真运动控制实验报告
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真 一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、闭环直流调速系统稳态参数的计算 1）额定负载时的稳态速降应为：m i n/12.6min /)02.01(1002.03000)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数： r V r V n R I U C N a N N e min/071.0min/3000087.03.87220⋅=⋅⨯-=-=闭环系统额定速降为：min /97.106min /071.0087.03.87r r C R I n e N op =⨯==∆闭环系统的开环放大系数为：5.16112.697.1061=-≥-∆∆=clop n n K003.0/max max n ==n U α3）计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数K p 为:5.16/e p ≥=s K KC K α电枢回路的总电感为0.0032H电磁时间常数为037.0/l ==R L T 27/1l ==τK4)电流截止负反馈 四加电网扰动（第8s电压220→240）负载扰动给定值扰动五、将PI调节器参数改变1.电网扰动（第8s电压220→240）2.负载扰动3.给定值扰动转速、电流双闭环直流调速系统设计与仿真一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、电流调节器ACR 参数计算允许电流过载倍数λ=2；设调节器输入输出电压im nm **U U ==10V ，电力电子开关频率为f=l kHz ．首先计算电流反馈系数β和转速反馈系数α：06.0 I n im *==ββλU N U n nm *α= α=0.003s T 001.0s = ，电流环小时间常数为s T T T oi 002.0s i =+=∑电流调节器超前时间常数为s T K l i 015.0/1i ===τ 而对电流环开环增益局l K =250/5.0=∑i T ，于是ACR 的比例系数为：94.4/i l i ==s K R K K βτ 四、转速调节器ASR 参数计算 选中频段宽度h=5。
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
综合训练项目一题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真学期：专业:班级：姓名：学号：指导教师：辽宁工程技术大学成绩评定表评定标准评定指标标准评定合格不合格调节器设计方案正确性仿真模型搭建参数选择仿真结果设计报告\答辩内容充实图表清晰答辩效果总成绩日期年月日综合训练项目一题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真目的：通过仿真，学生可以对各模块性能、电路连接情况有所了解并直观地看到仿真结果；通过对仿真参数进行调整，可以使学生了解参数变化对系统性能的影响。
要求：针对知识单元二的转速、电流双闭环直流调速系统的调节器工程设计方法，利用MATLAB/simulink 中的电力系统工具箱搭建系统仿真模型，验证调节器工程设计方法得到的参数并合理调节参数，利用该模型学生可以分析双闭环直流调速系统的启动性能、系统突加减变负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况以及系统抗电网电压等各种扰动下的速度响应。
任务: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：直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，Ce=0.132V ·min/r,允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s k =；电枢回路总电阻0.5R =Ω，0.0017s T s =，电磁时间常数0.03l T s =，机电时间常数0.18m T s =，电流反馈滤波时间常数0.002oi T s =，电流反馈系数0.05/V A β=，转速反馈系数0.05min/V r α=∙，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%n σ=。
1、采用工程设计方法设计电流调节器和速度调节器,建立各自的动态数学模型；2、用MATLAB/Simulink 仿真软件建立电流环仿真模型；3、分析电流环不同参数下的仿真曲线；4、用MATLAB 建立转速环仿真模型；5、分析转速环空载启动、满载启动、抗扰波形图仿真曲线；转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真46、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。
2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真
仿真的起 始时间
结束时间修 改为0.6秒
图2-54 SIMULINK仿真控制参数对话框
17
自动刻度
启动Scope工具条中的“自动刻度”按 钮。把当前窗中信号的最大最小值为 纵坐标的上下限，得到清晰的图形。
图2-55
修改控制参数后的仿真结果
18
2.6.4 调节器参数的调整
K p 0.25
1 3
2
2.6.1 转速负反馈闭环调速系统仿真框图及参数
直流电动机：额定电压 U N 220V ，
额定电流 I dN 55 A ,额定转速 nN 1000 r/ m，in
电动机电势系数 Ce 0.192V min/ r
晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系 数 K s 44 ，滞后时间常数Ts 0.00167 s ，
关于直流电动机调速系统的PI设计，将 在第3章中作详细的论述。
21
系统转速的响应是 无超调、但调节时 间很长；
图2-56 无超调的仿真结果
19
K p 0.8
1 15
系统转速的响应 的超调较大、但 快速性较好。
图2-57 超调量较大的仿真结果
20
SIMULINK软件的仿真方法为系统设计 提供了仿真平台，可以选择合适的PI参 数，满足系统的跟随性能指标。
在《自动控制理论》课程中讨论了多种 PI调节器的设计方法，MATLAB也为它 们的实现提供了模块。
单击某模块，选取Format→Rotate Block菜单项 可使模块旋转90°；选取Format→Flip Block菜 单项可使模块翻转。
把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标 的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至 分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分 支线的绘制。
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本科课程设计题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真姓名学院专业电气工程及其自动化年级学号指导教师2013 年1月11日目录摘要 (3)一、设计的题目及任务 (3)（一）概述..........................................................................................................................错误!未定义书签。
（二）仿真题目..................................................................................................................错误!未定义书签。
（三）要完成的任务..........................................................................................................错误!未定义书签。
二、双闭环直流调速系统的组成 (4)三、MATLAB计算、建立及仿真 (5)一）、设计思路 (5)二）、电流调节器（内环）的设计 (5)（一）电流环各个模块的参数设置................................................................................错误!未定义书签。
（二）电流环在不同参数时的仿真图形 (8)三）、转速调节器（外环）的设计 (10)（一）转速环各个模块的参数设置 (11)（二）转速环的系统仿真 (12)四、小结与体会......................................................................................................................错误!未定义书签。
参考文献..................................................................................................................................错误!未定义书签。
致谢........................................................................................................................................错误!未定义书签。
转速、电流反馈控制直流调速系统仿真摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。
本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink 对系统进行仿真。
关键词：双闭环调速、转速、电流、Simulink一、 设计的题目及任务（一）概述本次仿真设计需要用到的是Simulink 仿真方法，Simulink 是Matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
（二）仿真题目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：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =； 额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅， 允许过载倍数 1.5λ=； 晶闸管装置放大系数40s K =； 电枢回路总电阻0.5R =Ω； 时间常数0.03,0.18l m s s T T ==； 电流反馈系数0.05/V A β=； 转速反馈系数α=0.00666Vmin/r 。
（三）要完成的任务1）用MATLAB建立电流环仿真模型；2）分析电流环不同参数下的仿真曲线；3）用MATLAB建立转速环仿真模型；4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线。
二、双闭环直流调速系统的组成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，二者之间实行串级连接，如图1所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。
因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
双闭环调速系统的结构图如：图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构图三、MATLAB计算、建立及仿真一）、设计思路设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。
1、从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统。
2、再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。
3、电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。
二）、电流调节器（内环）的设计matlab 的电流环的整体仿真模型如图2所示：图2其中各模块按题目要求设置如下图3所示：图3（一）电流环各个模块的参数设置已知题目：双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路的参数如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks = 40；电枢回路总电阻：R = 0.5 Ω；时间常数： Ti = 0.03s， Tm = 0.18s；电流反馈系数：β= 0.05 V/A ；转速反馈系数：α = 0.07 V·min/r。
1、确定时间常数1）整流装置滞后的时间 Ts。
按表 1 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）来设置，表1如下所示：表1由表可知三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.00167s。
2）电流滤波时间常数Toi。
由上表知道Tsmax=3.33，为了基本滤平波头，应有 (1~2)Toi=3.33ms,因此我们取Toi=2ms=0.002s.3）电流环小时间常数之和TΣi 。
按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+Toi=0.00367s。
2、各模块的设置（除ACR 模块）将各模块的参数输入图1的电流环各模块中即可得到图2所示的仿真模型；3、ACR 参数设置ACR 的传递函数式为：即：=Ki+Kp/s1）电流调节器超前时间常数为：τi=Tl=0.03s。
2）电流环开环增益Ki：Ki=KT/TΣi=KT/0.00367其中参数关系KT按表2如下所示：表23)KT=0.5时PI 传函 W = Ki + Kp / s = 0.5/0.00367 + （0.5/0.00367）/0.03s= 1.0134 + 33.78 / s同理：KT=0.25时PI 传函 W = Ki + Kp / s = 0.5067 + 16.89 / s KT=1时PI 传函 W = Ki + Kp / s =2.027 + 67.567 / s4、在Simulink 模型窗口工具栏里的Simulation ——>Configuration Parameters 菜单项可以更改Start time 和Stop time 的值按需要分别设为0.0s 和 0.05s 或0.1s 。
（二）电流环在不同参数时的仿真图形1）KT=0.25时，ACR 中的PI 调节器的传递函数为=0.5067 + 16.89 / s ，按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图4所示： 其超调量σ=0%，即无超调量。
图42）KT=0.39时，ACR 中的PI 调节器的传递函数为=0.79 + 26.35 / s ，按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图5所示： 其超调量 满足σ≦1.5% 。
图5()s W ACR ()s W ACR3）KT=0.5时，ACR 中的PI 调节器的传递函数为=1.0134 + 33.78 / s ，按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图6所示： 其超调量 满足σ≦4.3% 。
图64）KT=0.69时，ACR 中的PI 调节器的传递函数为=1.4 + 46.62 / s ，按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图7所示： 其超调量 σ≦9.5% 较大。
图75）KT=1时，ACR 中的PI 调节器的传递函数为=2.027 + 67.567 / s ，按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图8所示： 其超调量 满足σ≦16.3% 。
图8 总结：从以上各电流环的图形得出KT 越大时上升时间越快，但同时超调量也比较大，当KT=0.5时，各项动态参数较合理。
()s W ACR ()s W ACR ()s W ACR三）、转速调节器（外环）的设计matlab 的转速环的整体仿真模型如图9所示：图9图10()s I dL ()s I dL （一）转速环各个模块的参数设置由电流环的仿真知电流环的参数取KT=0.5时超调量满足综合条件，电流环模块的值保持不变。
1、确定时间常数1）电流环的等效时间常数 1/Ki 。
由上面可知取 KiT Σi = 0.5，则1/Ki = 2T Σi = 0.0074s2）转速滤波时间常数 Ton=0.01s ；3）转速环小时间常数T Σn=1/Ki+Ton=0.0174s ；2、除去电流环各模块按图10所示编号设置如下：（1）将①框的阶跃输入将Step time 设为0，Initial value 设为0，Final value 设为10；（2）②框对应结构图中的ASR 模块，由例题3-2得到的结果，其传递函数设置为即Gain3设置为11.7，Gain4设置为134.48 ；（3）③框的Saturation 将其上界（upper ）和下界（lower ）分别设置为10和-10；（4）④框的函数式为α/(Tons+1) = 0.00666/(0.01s+1) ；（5）⑥框的函数式 1/Ce = 1/0.132 = 7.576 ；（6）⑤框的阶跃信号按要求输入：将Step time 设为0，Initial value 设为0；空载（负载电流为0）时，阶跃信号Step1的Final value 设为0；满载（负载电流为136）时，阶跃信号Step1的Final value 设为136 （电动机的额定电流为136 A ）；做干扰测试时，将Step time 设为1，Initial value 设为0，Final value 设为100。