带电压内环的三环直流调速系统
双闭环直流调速系统特性与原理
双闭环直流调速系统特性与原理双闭环直流调速系统是一种用于控制直流电动机转速的调速系统。
它由两个闭环控制回路组成，分别是转速外环和电流内环。
其中，转速外环控制直流电机的转速，通过调节电压来控制直流电机的转矩；而电流内环则控制直流电机的电流，通过调节电压来控制直流电机的转矩。
1.稳定性：双闭环控制系统能够有效地控制直流电动机的转速和电流，使其在运行过程中保持稳定的转矩输出。
通过转速外环对转速进行控制，可以实现精确的转速调节；而电流内环则能够控制电机的电流，防止过载和短路等故障。
2.响应速度：双闭环控制系统的转速外环具有较快的响应速度，能够实现快速的转速调节。
而电流内环的响应速度则相对较慢，主要起到电机保护的作用。
3.鲁棒性：双闭环控制系统具有较好的鲁棒性，能够对外部干扰和参数变化具有一定的抗干扰能力。
通过合理的控制策略和参数调整，可以提高系统的鲁棒性。
1.转速外环控制原理：转速外环将输出电压与给定的转速进行比较，得到转速误差，并通过调节电压反馈回内环控制器中。
转速外环控制器通常采用PI控制器，根据转速误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得转速误差趋于零，从而实现对直流电机转速的调节。
2.电流内环控制原理：电流内环控制器将输出电压与给定的电流进行比较，得到电流误差，并通过调节输出电压来控制电流。
电流内环控制器通常也采用PI控制器，根据电流误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得电流误差趋于零，从而实现对直流电机电流的调节。
3.反馈信号处理：双闭环直流调速系统中，转速和电流测量信号需要经过滤波和放大等处理，以便传递给控制器进行计算。
滤波器通常采用低通滤波器，用于去除高频噪声，放大器则用于放大信号强度。
4.控制指令处理：由上位机或人机界面输入的控制指令需要经过处理，包括限幅、线性化等，以确保输入信号符合控制系统的要求。
处理后的指令将送入控制器，进行计算和控制输出电压。
通过双闭环直流调速系统的控制，可以实现对直流电机的转速和电流的精确调节，并具有较好的稳定性、响应速度和鲁棒性，广泛应用于工业自动化领域。
运动控制系统第三章转速、电流双闭环直流调速系统
系统性能优化与改进
01
根据仿真结果的分析，找出系统性能的瓶颈和不足 之处。
02
提出优化方案，如改进控制算法、调整参数等，并 进行仿真实验验证优化效果。
03
对优化后的系统进行实际测试，评估优化效果的实 际表现。
05
CATALOGUE
实际应用与案例分析
实际应用中的问题与解决方案
01
02
03
问题1
系统调速范围有限。解决 方案：采用多级调速或使 用PWM控制技术，实现 更精细的调速控制。
运动控制系统第三 章转速、电流双闭 环直流调速系统
目 录
• 转速、电流双闭环直流调速系统概述 • 转速环设计 • 电流环设计 • 系统仿真与分析 • 实际应用与案例分析
01
CATALOGUE
转速、电流双闭环直流调速系统概述
系统组成与工作原理
系统组成
转速、电流双闭环直流调速系统由转速调节器、电流调节器和直流电机等组成 。
参数选择
需要根据系统的动态特性和稳定性要 求，合理选择调节器的比例系数、积 分时间和微分时间。
电流环的动态特性分析
动态特性
电流环的动态特性包括系统的稳定性、快速性和准确性等。
分析方法
通过建立电流环的数学模型，采用频域分析和时域分析等方法，对系统的动态特性进行 分析和优化。
04
CATALOGUE
系统仿真与分析
问题2
系统抗干扰能力差。解决 方案：加入滤波器或采用 隔离技术，减少外部干扰 对系统的影响。
问优化控制算法， 提高系统的动态响应速度 。
典型案例介绍与分析
案例1
某工厂的直流电机调速系统，采用转速、电流双闭环控制，实现 了高精度的速度控制，提高了生产效率。
直流调速器
1.直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。
同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。
直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；（最长用的一种方案）2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。
2.2双闭环直流调速系统的工作原理2.1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。
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。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。
但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。
当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。
在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形如图2-1b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
Pid控制直流双闭环调速系统ppt课件
比例部分
比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)
在模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作 出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量 向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 Kp ，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快， 控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生 振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当， 才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
直流双闭环调速系统
单闭环直流调速系统 同开环调速系统一样，转速闭环调速系统
中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制， 给定电压为零时，电机停止；给定电压增大 时，电机转速升高；给定电压减小时，电机 转速下降。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
整定方法
凑试法 临界比例法 经验法
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次 输出均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作 量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的 实际位置，如果计算机出现故障，输出的u将大幅度变 化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严 重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
直流电动机双闭环调速系统设计
1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。
方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。
转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。
方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。
2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。
相对于单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程的弱点。
双闭环控制那么很好的弥补了他的这一缺陷。
双闭环控制可实现转速和电流两种负反应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。
其良好的动态性能主要表达在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。
正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进展深入的探讨和研究。
本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。
整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。
共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。
变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。
三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。
为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。
三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。
1.7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统--1
电压负反馈信号的引出线应尽量靠近 电动机电枢两端。 电压反馈信号必须经过滤波
●
●
电压负反馈的调速系统不能弥补电枢 压降所造成的转速降落
Id
* Un ∆U + _ Un
Kp
Uc
Ks
பைடு நூலகம்
Udo +
Rpe _
Ud +
Ra _
E
n 1/Ce
γ
图 1－53 电压负反馈直流调速系统 － 稳态结构图
1.7.2 电流正反馈和补偿控制规律 电流正反馈和补偿控制规律
* K p K sU n
K p K s βI d
( R pe + Rs ) I d
K = γK P K S
电流正反馈作用的
K p K s βI d C e (1 + K )
项能够补偿两项
稳态速降， 稳态速降，当然就可以减小静差了
如果 1 + K − 1 + K − Ra = 0 就做到了无静差 无静差的条件：
K pKsβ
R pe + Rs
R + KRa β= = β cr K pKs
β cr
：临界电流反馈系数
R: 电枢回路总电阻， R
= R pe + R s + Ra
采样补偿控制的方法使静差为零， 采样补偿控制的方法使静差为零，叫做 “全补偿” 全补偿”
• “全补偿” 全补偿” 全补偿 • “欠补偿” 欠补偿” • “过补偿” 过补偿”
●
电流正反馈的作用又称作电流补偿控制
Id
Id β
U*
n
Rs+Rpe Ra
Ui + ∆U
电力拖动自动控制系统各章节介绍
电力拖动自动控制系统虽然主要介绍电机的控制，并且以转速控制为主要对象，但其应用并不局限于此。
在数控机床等伺服控制范畴的应用更为广泛，这类控制与调速控制上的控制学原理是一致的，因此老师增加了位置控制、张力控制等章节，扩大了传动控制的范围，增加了知识点。
电机的控制与温度、流量、压力等控制也有共性，老师在教学过程中适当的引导，有利于拓展我们的思路，有利于我们应用知识能力的培养。
突破自动化就是调速的局限，而把自动化的主要专业课电力拖动自动控制系统作为控制理论和计算机应用的典型示例来讲并扩大其复盖范围，对促进自动化专业的建设和改造有重要意义。
实验在电力拖动自动控制系统课中始终占重要的地位，也是系统课程教改的重点。
目前，学校已经开发了大型综合性的实验，并和课程设计相结合单独设课，对我们实践能力的培养起了重要的作用。
理论教学、实验教学以及课程设计的结合为我们自动化学生工程能力培养创造了良好的机制，也已经发挥了积极作用。
但是在运行中目前的教学形式和手段在激发学生的创造性方面尚显不足。
实验的条件是有限的，一组多人且受时间限制，训练往往不充分，我们要充分利用现有的实验设备，完成任务，达到学习的目标。
主要内容及学习要点：第一章绪论1、电力拖动控制系统的基本类型（1) 直流电机拖动控制系统的基本类型（2）交流电机拖动控制系统的基本类型2、现代电力拖动控制系统的物质基础第二章闭环控制得直流调速系统1、转速控制得要求和调速指标（1）调速范围D（2）静差率S（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系2、闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图3、开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较4、闭环系统能够减少稳态速降得实质5、反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）6、反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算7、截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性8、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数以及稳定条件9、PI调节器的设计10、无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构，积分调节器与比例调节器的区别，比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别11、无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算第三章多环控制的直流调速系统与调节器的工程设计方法1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图2、双闭环直流调速系统PI调节器在稳态时的特性：（1）饱和——输出达到限幅值（2）不饱和——输出未达到限幅值3、双闭环直流调速系统的静特性4、双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系、稳态工作点和稳态参数的计算5、双闭环直流调速系统启动过程中电流和转速的三个阶段：（1）电流上升阶段（2）恒流升速阶段（3）转速调节阶段6、双闭环直流调速系统的动态性能（1）动态跟随性能（2）动态抗绕性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动7、转速、电流两个调节器的作用8、调节器的工程设计方法的基本思路，以及典型Ⅰ、Ⅱ型系统的系统结构、参数和动态性能指标的关系9、按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器（1）电流调节器的设计①电流环的动态结构图②电流调节器的结构选择③电流调节器参数的选择（2）转速调节器的设计①转速环的动态结构图②转速调节器的结构选择③转速调节器参数的选择（3）电流调节器和转速调节器的实现10、双闭环直流调速系统中外环和内环的作用11、带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点第四章可逆控制和弱磁控制得直流调速系统1、晶闸管——电动机系统可逆线路的种类2、晶闸管——电动机系统回馈制动3、环流的概念、种类4、直流平均环流，α=β工作制配合控制得结构、特点、实现和作用5、产生脉动环流的原因，抑制的方法6、有环流可逆调速系统的基本结构，工作状态，以及正向制动过程的三个主要阶段（本组逆变阶段、它组反节制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点7、逻辑控制得无环流可逆调速系统的组成、原理框图、工作状态特点，以及无环流逻辑控制器的功能、组成和工作状况8、错位控制得无环流可逆调速系统的结构特点、工作状态，消除环流的原理，以及带电压内环的错位无环流系统的结构，内环的作用第五章基于稳态模型的异步电动机调速系统1、脉宽调制（PWM）变换器的作用、种类2、简单不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（二级管的虚流作用）3、有制动作用的不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（制动情况）、电压和电流波形分析4、双极式H型可逆PWM变换器的原理图、工作原理、特点5、脉宽调速系统的稳态分析6、双闭环直流脉宽调速系统的主要结构组成及各环节的功能，常用的脉宽调节器的种类第六章基于动态模型的异步电机调速系统1、交流异步电机变压调速系统（1）异步电机在不同电压下的机械特性（2）闭环控制得变压调速系统及其静特性2、电磁转差离合器调速系统的特点第七章绕线转子异步电机双馈调速系统1、异步电机串级调速原理及其基本类型2、串级调速时异步电机的机械特性3、转速、电流双闭环串级调速系统的组成、动态数学模型等4、串级调速系统的功率流程第八章同步电动机变压变频调速系统1、同步电动机的稳态模型与调速方法2、他控变频同步电动机调速系统3、自控变频同步电动机调速系统4、同步电动机矢量控制系统5、同步电动机直接转距控制系统。
转速电流反馈控制的直流调速系统
典型Ⅰ型系统的闭环传递函数为
K K 2 n W ( s) s (Ts 1) T Wcl ( s ) 2 2 K 1 K 1 W ( s) s 2 n s n 2 1 s s s (Ts 1) T T （3-12） K 1 1 式中，n T ——自然振荡角频率； 2 KT ——阻尼比。
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个 电流反馈环和电流调节器。 调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动 和抗电网电压扰动性能。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大 值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变 换器的最大输出电压； 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再 影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其 作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，为了实现电流的实时控制和快速跟随， 希望电流调节器不要进入饱和状态，因此只有转速调节 器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
起始时刻是n上升 到了给定值n*。
t
0 Id Idm
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
在第Ⅲ阶段中， ASR和 ACR都不饱和，ASR起主 导转速调节作用，而ACR 力图使Id尽快地跟随给定值 Ui*，电流内环是一个电流 随动子系统。
自动控制技术第三章 直流调速系统
第三章 直流调速系统
与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比， 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有 很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的 优越性。由图可见，晶闸管可控整流器的功率 放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶 体三极管来控制，不再像直流电动机那样需要 较大功率放大装置。在控制作用的快速性方面， 变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级， 这将会大大提高系统的动态性能。
直流斩波器的控制方式 b）脉冲频率调制
第三章 直流调速系统
用全控式器件实行开关控制时，多用脉冲宽度调制的控制方式，形成近年来 应用日益广泛的PWM装置—电动机系统，简称PWM调速系统或脉宽调速系统。
直流斩波器的控制方式 c）两点式控制
第三章 直流调速系统
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点： （1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就足以 获得脉动很小的直流电流，电枢电流容量连续，系统的低速运行平稳，调速范围 较宽，可达1∶10 000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即 相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。 （2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电动机相配合，系统可以获得很 宽的频带，因此快速响应性能好。动态抗干扰能力强。 （3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 因受到器件容量的限制，直流PWM调速系统目前只用于中、小功率的系统。
在静止可控整流方面，离子拖动系统是最早应用的静止变流装置供电的直流 调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还缩短了响应时间，但 汞弧整流器造价较高，维护麻烦，特别是水银如果泄漏，将会污染环境，危害人 体健康。
直流调速原理
TeN 图1-23 不同转速下的静差率
Te
静差率与机械特性硬度的区别（续）
• 例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%； 在100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占 100%，这时电动机已经停止转动，转速全部 降落完了。
调压调速特性曲线
I
（2）调阻调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。
n n0
nN n1 n2 n3
Ra R1 R2 R3
O
IL
调阻调速特性曲线
I
（3）调磁调速
在干线铁道电力机车、工矿电力机车、 城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力 牵引设备上，常采用直流串励或复励电动 机，由恒压直流电网供电，过去用切换电 枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调 速，在电阻中耗电很大。
1. 直流斩波器的基本结构
u
控制电路
+
+
Us
ton Ud
VT Us
_
VD
M M
_
O
T
a）原理图 b）电压波形图
t
性能比较（续）
理想起动过程波形 如图，这时，起动 电流呈方形波，转 速按线性增长。这 是在最大电流（转 矩）受限制时调速 系统所能获得的最 快的起动过程。
Id
Idm n
IdL
O
t
图2-1 b) 理想的快速起动过程
3. 解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动， 关键是要获得一段使电流保持为最大值 Idm的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量 的负反馈就可以保持该量基本不变，那 么，采用电流负反馈应该能够得到近似 的恒流过程。
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课程设计(论文) 题 目: 带电压内环的三环系统设计 学生姓名 专 业_ 学 号_ 班 级_ 指导教师 成 绩_ 一、设计目的和内容： 设计带电压内环的三环系统，完成理论的设计，通过matlab进行仿真调试，对参数进行调整，直至满足性能指标的要求。 二、性能指标要求： 转速电流的超调量小于5%，阶跃电压、阶跃负载扰动下的恢复时间小于0.05s。 三、小组成员： 四、实验步骤和内容： 1、测定直流电机各参数： 主要包括回路电阻、电感、电磁时间常数及机电时间常数的测量。 (1)电枢回路电阻测量 U/V I/A R/Ω 3 0.14 21.4 20.8 4 0.19 21.05 5 0.25 20 (2)电枢回路电感测量 U/V I/A Z/Ω L/H 12.7 0.065 195.38 0.6187 0.5516 21 0.101 207.92 0.6588
25 0.117 213.68 0.6773 Z=R+jwL w=2*pi*f f=50HZ L=sqrt(Z^2-R^2)/w (3)电机铭牌参数 型号 DJ15 直流（A） 1.20 励磁电流 I<0.13A 功率 185W 转速 1600r/min 绝缘等级 E 电压 220V 励磁电压 220V (4)利用matlab计算机电时间常数 U=200V，R=900Ω x=[0 0.18 0.3 0.36 0.46 0.54 0.64 0.78 0.9 1.06 1.32 1.44 1.7 1.94 2.24 2.48] y=[0 1.04 1.44 1.6 1.84 2 2.4 2.56 2.8 2.8 3.04 3.2 3.28 3.28 3.36 3.36] 利用cftool曲线拟合所得结果和图形如下： Linear model Poly6: f(x) = p1*x^6 + p2*x^5 + p3*x^4 + p4*x^3 + p5*x^2 + p6*x + p7 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = -0.1277 (-0.664, 0.4085) p2 = 1.048 (-2.892, 4.989) p3 = -3.46 (-14.38, 7.463) p4 = 6.177 (-7.978, 20.33) p5 = -7.234 (-15.81, 1.34) p6 = 6.405 (4.306, 8.503) p7 = 0.0203 (-0.1485, 0.1891) 测速电机终值3.36v 电机转速规律n=nz+(nst-nz)*e^(-t/Ttm) nst=0 n=nz(1-e^(-t/Ttm)) Ttm应为3.36*0.632=2.1235v时所对应的时间 将matlab中的拟合曲线进行局部放大得图形如下：
可读得相应时间为0.554s即Ttm=0.554s 电磁时间常数Tta=RaLa=0.5516/20.8=0.0265s Ttm>4*Tta 与理论结果基本符合。 2、理论设计：整体框架的设计、各环节传递函数的的计算和参数的整定 依据控制系统设计原则，首先画出转速——电流——电压三闭环的结构示意图，由结构示意图画出稳态结构图，依据结构图从内环到外环逐环进行设计，确定各部分的参数和传递函数，最后确定系统的动态结构图，进行仿真设计。 确定各相关参数，对结构图进行等效和简化。带电压内环的三环系统结构示意图如下：
对电压内环进行简化： 电压内环简化处理后的系统结构图如下：
忽略晶闸管内阻和平波电抗器的电感，Ra=R,Tla=Tl, 结构图中)1()1(TlSRTlaSRa项可以忽
略，简化后整个控制系统的结构图如下：
1TsSKs 1TovS 1TovS )1()1(TlSRTlaSRa vS1 1/1TlaSRa 计算相关参数：电枢电阻R=20.8Ω,忽略晶闸管内阻和平波电抗器的电感，电磁时间常数Tl=L/R=0.56/20.8=0.027，U=IaRa+Ea Ce=(U-IaRa)/n=(140-0.14*20)/894=0.153
晶闸管传递函数：1TsS
Ks，查表可得三相桥式滤波电路的平均失控时间Ts=0.00167s,取放大系
数Ks=30。 各反馈通道反馈系数的确定：=Un/nmax=3.65/1600=0.002 = 3.65/(1.5*In)2.03
=1/Ks=0.037
依据经验值可得各环节电流滤波时间常数：Ton=0.01s ，Toi=0.002s ，Tov=0.002s 。
(1) 电压环设计 电压调节器AVR选用I调节器 Gv(S)=vS1, 积分电路如下图所示：
取R3=0.1R4，得=R3/(R3+R4) =0.09,v=0.2s,得到：
Tv=KsRavR=0.016s，
ASR ACR AVR 1TsSKs 1/1TlaSRa TmSRaCe
1
1TovS
1TonS
1ToiS 电压环小时间常数：vT=Ts+Tov=0.00167+0.002=0.00367s 带入以上各参数可得到电压环闭环传递函数：
)()(SUvSId=)1)(1)(1(/vSTTvSTlSRaKs=)100367.0)(1016.0)(1027.0(44.1SSS
(2) 电流环设计： 电流调节器ACR选用PI调节器 ，设传递函数为 Gi(S)=iSiSKi)1(,忽略电压环闭环传递函数中的小惯性环节，将电流环校正成典型一型系统 ，依据超调量要求查表取=4.3%时 KT=0.5，参数配合取i=T1=Tl=0.027s ，电流环小时间常数：
T=Tv+Toi=0.02s，电流环开环增益KI=0.5/T=25,PI调节器比例系数Ki=KsiRKI=0.23。
得PI调节器传递函数：Wacr(S)=0.23*(0.027S+1)/(0.027S) (3)转速环的设计：
转速调节器ASR选用PI调节器，传递函数Gn(S)=nSnSKn)1(,将转速环校正成典型
二型系统，电流环等小时间常数：1/KI=2Ti=0.04, 转速环小时间常数：Tn=2Ti+Ton=0.05s
按抗扰性较好的原则，取h=5。则ASR的超前时间常数n=h*Tn=0.25,转速系统开
环增益KN=2^**2^21nThh=48 PI调节器的比例系数： Kn=nRThCeTmh2)1(=(6*2.03*0.153*0.554)/(2*5*0.002*20.8*0.05)=49.7 得PI传递函数：Wasr(S)=49.7*(0.25S+1)/(0.25S) 依据以上各调节器的传递函数和相关参数可确定系统的动态结构图，对系统进行仿真和调试。 五、matlab仿真： 利用matlab中的simulink对系统进行仿真，加扰动后的仿真电路图如图表(1)所示：在仿真的过程中应注意对积分进行限幅。对调节器的比例积分环节进行分离，因为转速调节器是工作在限幅饱和状态，故要在仿真模型中真实的反映出来，注意积分门限值的设定，应填写积分饱和值。 因为各反馈环节中存在滤波延时，在各环的输入给定值时也应加上相应的延时环节。参数的调整是通过将外环先断开，给内环相应的输入，从内环开始一环一环的进行调整，不断调整各调节器的比例系数和时间常数以及相应的一些参数直到得到满足性能的指标的输出波形。当内环得到比较理想的输出后再加入一个外环继续调整，如此直到整个系统的输出得到符合性能指标要求的波形。 在实际调整的过程中当转速输出的超调量基本满足要求后，调整PI的参数对上升时间的影响不大，此时上升时间约为4S，远远超过了指标要求的允许值，此时通过改变机电时间常数Tm，将Tm逐渐减小使得上升时间逐渐减小，而系统超调量基本保持在5%左右。通过调整Tm最终使得上升时间减小为0.5s。对Tm对上升时间的影响进行分析，可能的原因是所测得的电机时间常数偏大，在实验测定电机时间常数的时候我们在电路中串进了900Ω的电阻，相当于电机在重载的情况下进行运行，使得所测得的电机时间常数偏大。而且在实际计算的过程中并未考虑串联电阻的影响，所以减小电机时间常数可能使得参数的配合更加合适，得到的结果更加符合预期的结果。 对电路加入扰动后运行可以验证电路对一定的外部扰动具有抑制作用，通过短暂的调节时间系统能够迅速回到稳定值。 系统仿真模型：
图表 1 加扰动前后转速输出波形如下： 加扰动前后电压环输出波形如下： 加扰动前后的电流输出波形如下： 仿真后计算可得转速输出超调量为4.68%能达到性能指标的要求，而上升时间为0.5s与性能指标的要求相差还比较大，说明系统设计的还不够完善，各参数的配合可能也未达到最优。
六、设计小结及感想： (1)、通过对控制系统的设计，巩固了自动控制原理中所学的理论知识并对其进行了应用。 (2)、掌握了控制系统设计和调试的一般过程，都是由内环到外环逐步进行，外环的设计和调试是建立在内环的基础之上。 (3)、在控制系统设计的过程中近似和忽略是两个非常有效的手段，对一些对系统影响较小的参数和环节进行近似和忽略能使的设计过程大大简化。 (4)、在控制系统的设计过程中有许多前人的经验可以为我所用，能简化许多参数的计算和设计的复杂性。 (5)、掌握了将一般的闭环系统校正成为典型一型和二型系统的一般的方法。 (5)、在设计的过程中通过上网查找资料和翻看相关书籍温习了电机的相关知识，也学到了许多新的知识。 (6)、学会了对系统进行仿真和调试方法，仿真中应使得各环节能尽可能的反映真实的系统，对真实系统中存在的各种问题也应在仿真中尽可能的体现出来。 (7)、对控制系统的调试是一个比较繁琐的过程，因为各参数的计算中用比较多的近似和忽略，可能需要调整的参数较多，需要耐心和细心，而且需要理论知识的指导，明白各参数变化对系统各项性能指标的影响才能较快的完成调试。