1、西北民族大学运动控制课程设计转速电流双闭环直流调速系统学 院：电气工程学院 班 级：09 年级自动化 2 班 姓 名：王 伟 指导老师：吴 韬 2012 年 12 月 25 日西北民族大学0目 录摘要.2关键词.2设计要求.2引言.2双闭环调速系统的原理.2双闭环调速系统的优点 .3转速、电流双闭环控制系统.4电流环与转速环的设计 10双闭环调速系统在 Simulink 环境下的仿真13小结 13致谢 14参考文献.14西北民族大学 1基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统设计摘要：本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于 PID 控制的转
2、速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用 Simulink 对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。关键词：双闭环控制系统；Simulink；电流控制环；转速控制环；设计要求：1.利用所学知识设计转速电流双闭环直流调速系统； 2.设计过程中详细说明系统组成,详细说明电流环和转速环调节器的设计过程； 3.使用 MATLAB 软件编写调试程序,分析内环电流和电机转速的输出特性； 4.要有详细原理说明和设计过程，方案以 WORD文档的形式给出； 5.课程总结,总结该课程的主要内容与相关实际应用。1.引言调速系统是当今电力拖
3、动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在 20 世纪 40 年代采用的是发电机电动机系统，又称放大机控制的发电机电动机组系统。这种系统在 40 年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50 年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50 年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。近几
4、年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无西北民族大学 2限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。2.直流双闭环系统的原理ASR（速度调节器）根据速度指令 Un*和速度反馈 Un 的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号 Ui*（对于直流电动机来说
5、，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。ACR(电流调节器)根据 Ui*和电流反馈 Ui 的偏差进行调节，其输出是 UPE（功率变换器件的）的控制信号 Uc。进而调节 UPE 的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由 Te-TL=Jdn/dt，只要 Te 与 TL 不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。3 双闭环调速系统优点一般来说，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
6、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。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，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，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。采用转速、电流双闭环控制系统。如图 2 所示。0n dmidlint图 1 理想启动过程西北民族大学 3MA S R A C RGnG T VT AL*nUnn*iUiictUdI0U图 2 双闭环直流调速控制系统
7、原理图图 3 双闭环直流调速系统动态结构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。4 转速、电流双闭环控制系统IdLnIdmIdcrnIdLnIdmntIdOtIdO西北民族大学 4a 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b 理想的快速起动过程图 4 直流调速系统的电流、转速启动特性曲线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。双闭环调速系统在突加给定电压 由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图 5 所示。由于在起动过程中转nU速调节器 ASR 经历了不饱
8、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、和。第阶段：0t 1 是电流上升阶段。突加给定电压 后，通过两个调节器的控制作nU用，使 Uct、 Udo、I d 都上升，当 IdI dl 后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而 ASR 的输入偏差电压 Un= U n 数值较大并使其输出达到饱和值 ，强迫电流 Id 迅速上升。当 时， ，电流调节器 ACR 的作用*im mdIimi使 Id 不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段：t 1t 2 是恒
9、流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定 作用下*imU的电流调节系统，基本上保持电流 恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于dIACR 的参数） ，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又 ，nCIRedd0n ，这样才能保持 =cont。由于 ACR 是 PI 调节器，要使它的输出0dUct dI量按线性增长，其输入偏差电压 必须维持一定的恒值，也就是说， 应iiiU* dI略低于 。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节dmI器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流 也须留有余地
10、，即晶闸管装置也不应md0饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t 2 以后是转速调节阶段。此时 ， ， ，但由于积分*n*nU0n作用， ，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当 时，*imiU *n，使 ASR 退出饱和状态，其输出电压即 ACR 的给定电压 迅速下降， 也0n *i dI迅速下降。但由于 ，在一段时间内，转速仍继续增加。当 时，dLI dLI西北民族大学 5， ，n 达到最大值（ t3 时刻） 。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此LeT0dt相应，电流 也出现一段小与 的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，IdLIASR 与 ACR 都不饱和，同时起调
11、节作用。由于转速调节在外环，ASR 处于主导地位，而 ACR 的作用则是力图使 尽快地跟随 ASR 的输出量 ，或者说，电流内环是一个dI *iU电流随动子系统。Idm Id I II IIIt4 t3 t2 t1 *ndLI图 5 转速和电流的过渡过程综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1 饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2 准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。3 转速必超调。按照 PI 调节器的特性，只有转速超调， ASR 的输入偏差电压为负
12、值，才能使 ASR 退饱和。这就是说，采用 PI 调节器的双闭环调速系统的转nU*nn OOtt西北民族大学 6速必超调。5 电流环与转速环的设计在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节3 。由于典型 型系统的跟随性能由于典型型系统，而典型型系统的抗扰性能优于典型型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理
13、论基础上的，只需将典型系统和典型系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：1 对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。2 根据具体情况选定预期特性，即典型系统或典型系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。3 根据要求的性能指标，确定调节器的有关 P、I、 D 参数。4 校正5.1 电流环的设计设计分为以下几个步骤：一、电流环的简化：图 6 简化后电流环按典型 I 型系统设计，ACR 选 PI 调节器。i=Tl，K i=（K iKs）( iR)动态结构图西北民族大学 7TK1Si Id(s)+-)(siU图 7 动态结构图L/dB c
14、T11/S-20dB/dec-40dB/dec0图 8 开环对数幅频特性二、确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数 。三相桥式电路的平均失控时间 ；sT sTs017.（2）电流滤波时间常数 。三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本oi滤平波头，应有 ，因此取 ；msi3.21smoi02.（3）电流环小时间常数 。按小时间常数近似处理，取 。iT sToisi 037.三、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求 ，而且 ，因此，电流环可按典型%5i10.8037.il型系统设计。四、电流调节器的结构选择电流调节器选用 PI 型，其传递函数为： sKsWiACR1五、选择电流
15、调节器参数ACR 超前时间常数： ；sTli03.西北民族大学 8电流环开环增益：因为要求 ，故应取 ，因此%5i5.0iITK1.307.sTKiI于是，ACR 的比例系数为 。03.45.siIiR六、计算电流调节器的电路参数+-+ IdR0/ 2 R0/ 2R0/ 2R0/ 2RiRb a lCiCo iCo iUc tUi*图 9 电流调节器原理图电流调节器原理如图 9 所示，按所用运算放大器，取 ，各电阻和电容KR40值计算如下：，取 ；KRKii 52.4013.0 40，取 ；FCii 7.7.，取 。RToioi 2.014.043 F.七、校验近似条件电流环截止频率 1.35
16、sKIi（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足 。因为sciT31，所以满足近似条件。cis sT1.9607.3西北民族大学 9（2）校验忽略反电动势对电流环影响是否满足 。现在lmciT13，满足近似条件。cilmsT182.403.1803（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件 。现在oisciT13，满足近似条件。ciois sT18.02.017.15.2 转速环的设计一、转速环的简化：n (s)+-ASRCeTmsRId (s) / Tns+1 +-图 10 简化后的转速环二、确定时间常数：（1）电流环等效时间常数为 ；sTi074.2（2）转速滤波时间常数 。根据所用
17、测速发电机纹波情况，取 ；on sTon01.（3）转速环小时间常数 。按小时间常数近似处理，取 。 i 742三、转速环设计系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。四、转速调节器的结构选择转速调节器选用 PI 型，其传递函数为： 。sKsWnASR1五、选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取 h=5，则 ASR 超前时间常数：IdL(s)U*n(s)西北民族大学 10；shTn087.14.5转速开环增益： ；于是 ASR 的比例系数4.396017.256212nNThK为： 。 .4.07.583621nmenR
18、ThC六、计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图 6 所示，按所用运算放大器，取 ，各KR40电阻和电容值计算如下：，取 ；KRKn4807.10 70，取 ；FCn 15.32.，取 。RToion04.30+-+Un* nR0/ 2 R0/ 2R0/ 2R0/ 2R0Rb a lCnCo nCo nUi*图 11 转速调节器原理图七、校验近似条件转速环截止频率 11 5.34087.396sKnNcn（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足 。现在ncT西北民族大学 11，满足简化条件。cnnsT1.54037.15（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件 。现在ioncnT21
19、3，满足近似条件。cnion sT 175.380.1313（3）校核转速超调量。当 h=5 时， ；而 ，因此，%2.8maxkbC min/2.513.06rCRIneN %103.8.07462.81%*ax mnNbn TZ能满足设计要求。6 双闭环调速系统在 Simulink 环境下的仿真MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。Simulink 是 MATLAB 最 重
20、 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 。
21、 同 时 有 大 量 的 第 三 方 软 件 和 硬件 可 应 用 于 或 被 要 求 应 用 于 Simulink。Simulink 是 MATLAB 中 的 一 种 可 视 化 仿 真 工 具 ， 是 一 种 基 于 MATLAB 的 框图 设 计 环 境 ， 是 实 现 动 态 系 统 建 模 、 仿 真 和 分 析 的 一 个 软 件 包 ， 被 广 泛 应 用 于 线 性系 统 、 非 线 性 系 统 、 数 字 控 制 及 数 字 信 号 处 理 的 建 模 和 仿 真 中 。 Simulink 可 以 用连 续 采 样 时 间 、 离 散 采 样 时 间 或 两 种 混 合 的
22、采 样 时 间 进 行 建 模 ， 它 也 支 持 多 速 率 系统 ， 也 就 是 系 统 中 的 不 同 部 分 具 有 不 同 的 采 样 速 率 。 为 了 创 建 动 态 系 统 模 型 ，Simulink 提 供 了 一 个 建 立 模 型 方 块 图 的 图 形 用 户 接 口 (GUI) ， 这 个 创 建 过 程 只 需单 击 和 拖 动 鼠 标 操 作 就 能 完 成 ， 它 提 供 了 一 种 更 快 捷 、 直 接 明 了 的 方 式 ， 而 且 用 户可 以 立 即 看 到 系 统 的 仿 真 结 果 。 Simulink 是 用 于 动 态 系 统 和 嵌 入 式
23、系 统 的 多 领 域 仿 真 和 基 于 模 型 的 设 计 工 具 。对 各 种 时 变 系 统 ， 包 括 通 讯 、 控 制 、 信 号 处 理 、 视 频 处 理 和 图 像 处 理 系 统 ，西北民族大学 12Simulink 提 供 了 交 互 式 图 形 化 环 境 和 可 定 制 模 块 库 来 对 其 进 行 设 计 、 仿 真 、 执 行 和测 试 。 . 构 架 在 Simulink 基 础 之 上 的 其 他 产 品 扩 展 了 Simulink 多 领 域 建 模 功 能 ， 也 提供 了 用 于 设 计 、 执 行 、 验 证 和 确 认 任 务 的 相 应 工
24、具 。 Simulink 与 MATLAB 紧 密 集成 ， 可 以 直 接 访 问 MATLAB 大 量 的 工 具 来 进 行 算 法 研 发 、 仿 真 的 分 析 和 可 视 化 、批 处 理 脚 本 的 创 建 、 建 模 环 境 的 定 制 以 及 信 号 参 数 和 测 试 数 据 的 定 义 。一 、 绘 制 原 理 仿 真 模 型图 10 直流双闭环控制系统的电气原理仿真模型二仿真波形图图 11 双闭环直流调速系统仿真波形7 小结双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照 ASR 在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、
25、恒西北民族大学 13流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制” 。带 PI 调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR 的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR 的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，双闭环直流调速已经成为当
26、今电机调速系统应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题，同时也发现了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的知识理解得不够深
27、刻，掌握得不够牢固，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这也将为我今后的学习和工作产生积极的影响。在同学的热情帮助下，在指导教师的耐心讲解下，我学会了 MATLAB 软件的调试和使用，顺利的完成了这次课程设计。致谢：通过这次实验是我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理,也是我知道了一些他在工业中的一些应用,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。在设计之初，我不知道该如何来完成这次的的课程设计，但经过努力终于还是完成了，要感谢我的指导老师在设计课程是给了我很大的帮助，同时还要感谢给我帮助的同
28、学！由于水平有限，在设计中难免存在许多不妥之处，敬请老师指正。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献： 1、莫正康，机械工业出版社， 电力电子技术 （第三版） ；2、石玉，栗书贤，王文郁，机械工业出版社， 电力电子技术题例与电路设计指导（2009） ； 3、钱平，赵金荣主编，高等教育出版社， 电气自动化控制类大学生职业技能培训教材 （PLC 应用技术及电气传动应用技术卷） （2005-6-1） ； 4、黄绍平，李永坚，工矿自动化， 基于 MATLAB 的直流电动机斩波调速系统仿真研究 ， 2005 年 2 月第 1 期；西北民族大学 145、高玉奎，中国电力出版社， 电力电子技术问答 ；（第版）6、户宴如，耿苏燕，高等教育出版社， 模拟电子技术 （第版）
