1、1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 王金良 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23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
2、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
3、 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 ,额定电流 ；20VU136IA额定转速 , ，n146rpm.2in/eVrC允许过载倍数 ；.5晶闸管装置放大系数 ；0sK电枢回路总电阻 ；.R时间常数 ；0.3,18lmssT电流反馈系数 ；5/VA转速反馈系数 =0.00666Vmin/r。4（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
4、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
5、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5三、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
6、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所示： （1）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：6直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数 =1.5； 晶闸管装置放大系数：Ks = 40； 电枢回路总电阻：R = 0.5 ； 时间常数： Ti = 0.03s， Tm = 0.18s； 电流反馈系数： = 0.05 V/A ； 转速反馈系数： = 0.07 Vmin/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
7、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 (12)Toi=3.33ms,因此我们取Toi=2ms=0.002s. 3）电流环小时间常数之和 Ti 。按小时间常数近似处理，取Ti=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：7=Ki+Kp/s1）电流调节器超前时间常数为：i=Tl=0.
8、03s。 2）电流环开环增益 Ki：Ki=KT/Ti =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 / s 4、在 Simulink 模型窗口工具栏里的 Simulation Configurati
9、on 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。（2）电流环的仿真图形8KT=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 4.3% 。 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所示：sWACR9（1）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
10、间常数1）电流环的等效时间常 数 1/Ki。由上面可知取 KiTi = 0.5，则1/Ki = 2Ti = 0.0074s2）转速滤波时间常数 Ton=0.01s ；3）转速环小时间常数 Tn=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）将框的阶跃输入将 Step time 设为 0，Initial value 设为 0，Final value 设为 10；（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 ；s48.137.WASR10sIdL（
11、3）框的 Saturation 将其上界（upper）和下界（lower）分别设置为 10 和-10；（4）框的函数式为 /(Tons+1) = 0.00666/(0.01s+1) ；（5）框的函数式 1/Ce = 1/0.132 = 7.576 ；（6）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
12、time 设为 1，Initial value 设为 0，Final value 设为100。(二)转速环的系统仿真1、空载起动时,阶跃信号 Step1 的 Final value 输入设为 0,仿真波形如图所示：2、满载起动时，阶跃信号 Step1 的 Final value 设为 136,仿真波形如图所示：113、抗干扰性的测试，将阶跃信号 Step1 的 Step time 设置为 1，将 Initial value 设置为 0，将 Final value 设置为 100（或其他 1 到 136 均可做干扰） ，其他设置不变，仿真如图所示：四、小结与体会12这次课程设计中，在 Matlab 仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是 simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。本次课程设计让我们对电力拖动自动控制系统-运动控制系统的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解，对此设计加深了认识。通过 matlab 的仿真，使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。参考文献1阮毅.电力拖动自动控制系统-运动控制系统.北京：机械工业出版社，2009
