1、摘要：此课程设计实现了双闭环直流调速系统的设计，结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。进一步解决限流问题，唯一的途径就是对电流也实行反馈控制，问题是怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系。经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器 ACR 的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。本文利用 NATLAB 软件中的 sinulink 组件对直
2、流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用 MATLAB 进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。关键词：双闭环直流调速系统；不可逆系统； 直流电动机；MATLAB；仿真English Abstract: this article introduces the course design of dual-closed-loop DC speed regulating system .It can observe the experimental results which provide an access to the precise and direct analysis of moto
3、r speed of the dual-closed-loop speed regulating system .Further various regulator parameters and regulating methods can be selected and their effects on the system behaviors can be analyzed .A lot of good results have been gained.Further solves limits flows the question, is the only way also implem
4、ents the reaction control to the electric current, how the question is processes between the good speed control and the electric current control relations. After studies and the practice repeatedly, finally discovered, if establishes two regulators in the system, adjusts the rotational speed and the
5、 electric current separately, Between both implements the series connection, namely by the rpm control output took current regulator ACR the input, uses the current regulator the output to take the thyristor trigger again the control voltage, then these two kind of control action can coordinate mutu
6、ally, complemented one another.This paper presents the simulation study of a DC speed regulation system by using the Simulink modules .the result indicates that the system simulation by using MATLAB is convenient and highly effectiveKey Words: The course design of dual-closed-loop DC speed regulatin
7、g system; Irreversible system；DC motor; simulation ；MATLAB;目录第一章 绪论 第二章 已知条件及控制对象的基本参数第三章 设计方法及步骤 用工程设计方法设计 （1）系统设计的一般原则（2）电流调节器设计（3）转速调节器设计 用调节器最佳整定法设计 （1）电流环的动态校正（2）转速换的动态校正第四章 利用 MATLAB 软件中 sinulink 组件对直流双闭环调速系统仿真 第五章 设计心得参考文献第一章 绪论当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究
8、直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位目前广泛应用的直流调速设计方法是基于某些标准形式进行的，其优点是简单方便，但设计的系统性能指标是相同的，实际系统所要求的指标往往是不同的，所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上，再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化趋势，那么在实际系统的设计和调试时就可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要
9、求的动态响应。在设计中，基于理论设计的基础上根据实际的系统情况作参数的调整是非常重要的，也是必不可少的。这是因为实际系统的参数，往往与计算值或铭牌数据有一定的差别，系统某些环节的非线性影响等因素存在，使系统在配置设计参数后并不能马上获得预期的性能指标。传统的调试方法是将整个系统按理论设计的结果建立一个实际系统，然后将系统分成若干个控制单元，并对每个控制单元进行调试，最后将各个单元构成一个完整的系统，并进行调试，这种传统的调试方法在使用过程中不仅费时、费力且不易产生满意的结果。因此我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随
10、时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统第二章 已知条件及控制对象的基本参数（1）已知电动机参数为： nomp=3kW， nomU=220V， nomI=17.5A， nom=1500r/min，电枢绕组电阻 aR=1.25， 2GD=3.53 2NA。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻 rec=1.3 。平波电抗器电阻 LR=0.3。整流回路总电感 L=200mH。（2）这里暂不考虑稳定性问题，设 ASR 和 ACR 均采用 PI 调节器，ASR 限幅输出 imU= 8V，ACR 限幅输出 ctmU=8V，最大给定 nm=10V，调速范围 D=20，静差率 s
11、=10%，堵转电流 dblI=2.1 o，临界截止电流 dcrI=2 nom。（3）设计指标：电流超调量 i%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量 n10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 t s0.5。第三章 设计方法及步骤 用工程设计方法设计 （1）系统设计的一般原则：按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 2-22 所示，它包括了电流滤波，转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输
12、入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数 Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 Ton 表示。再根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为 Ton 的给定滤波环节。（2）电流环设计电流环动态结构图及简化在图 2-
13、22 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl 远小于几机电时间常数 Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即 dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图 2-23 所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中 wci-电流环开环频率特性的截止频率。如果吧给
14、定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成 Ui*(s)/,则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之处了。最后由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为：Toisi进而再一步简化电流环动态结构图。确定时间常数根据已知数据得T m=2375eGDRC= 2.38501s = 0.162s3.72.lLs三相桥式晶闸管整流电路的平均时间 0.17sT，取电流反馈滤波时间常数 0.oiTs，可得电流环的小时间常数为iTs+ i= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s选
15、择电流调节器结构，虽然 liT=0.73= 18.9 10 ，但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型 I 型系统设计。电流调节器选用 PI调节器，其传递函数为： 1()iACRsWSK选择电流调节器参数积分时间常数 i= lT = 0.07 s为满足 i%5%要求，取电流环开环增益 IK为IK=12iT= (0.37) 1s = 135.14 1s电流调节器比例系数 iK为iK=
16、iIsR=135.140.72853.71.4取调节器的输入电阻 o=20k，则电流调节器的各参数为iR= io=3.2720k =60.54 k ，取 62 kiC= i=630.712F=1.13 ，取 1 Foi=4iTR=53.0=0.4 ，取 0.47根据上述参数可以达到的动态指标为 i%=4.3%5%故能满足设计要求。校验近似条件电流环截至频率 ci= IK=135.14 1s，晶闸管装置传递函数近似条件为 ci13sT,现 13s0.71s=196.1 1 ci故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为 ci31/()mlT，现31/()mlT= /(0.162.7)1s=2
17、8.2 1 ci故该近似条件满足。（3）转速环设计电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数 Wcli（s） ，忽略高次项，可由近似条件 TKwiIcn31，降阶近似为1KWIclis接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：1sKI这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较小时间常数 1/ I的一个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）的一个重要功能。转速环动态结构图及简化：确定时间常数因 nU= om，故转速反馈系数 为= no=105V min/r=0.0067 Vmin
18、/r电流环的等级时间常数为 2 iT=0.0074s。取转速反馈滤波时间常数 onT =0.01s，转速环的时间常数为2i=0.0074s+0.01s=0.0174s选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似 PI 调节器，按典型 II 型系统进行设计。这样的系统同时也可满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，当近似 PI 调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为 1()nASRsWK选
19、择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择 h=5，求出转速超调量 n%和过渡过程时间 st 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的 h 值计算有关参数；否则要改变 h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当 h=5 时，ASR 退饱和超调量为 n%=max()bC2(nomzT式中， 为电动机允许过载系数，按题意 =2.1；z 为负载系数，设为理想空载起动，则 z=0; nom为调速系统开环机械特性的额定稳态速降， nom= eIRC；ax(%)b是基准值为 bC时的超调量相对值，而 bC=2()nomTz。当 h=5 时，ax(%)b=81.2%，故起动到额定转速，即 n= om
20、时，退饱和超调量为 =9.2%10%满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内 ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间 st延长， st 可表示为st= 2+ 0其中 为恒流升速时间， 0t是退饱和超调过渡过程时间。2t=emnoCTRI=.132.65 87.s=0.31s退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当 h=5 时0t=8.8 nT=0.153s。但恢复时间是按误差为 5% bC计算的。这里bC=2 2KTN= nomeRTIC=170.4r/min，故 5% b= 8.5r/min。这就是说，转速进入 8.5r/min 的恢复时间为 0.153s。
21、但这里的恢复时间应按转速进入 5% nom来计算，由于 5% nom =75 r/min 8.5 r/min，显然所需时间将远小于 0.153s，故可忽略不计，于是st2=0.31s。可见，能满足设计要求。这样，就可根据 h=5 选择转速调节器的参数。ASR 的时间常数为n=hT=50.0174s=0.087s转速环开环增益为 21NnhK=2650.74s= 2396.sASR 比例系数为()2emnnCThR=.18012574=8.4如设调节器输入电阻 oR=20k，则n= Ko=8.420 k =168k ，取 160 knC= R=830.716F=0.54 ,取 0.47 Fon=
22、4T=63.2=2 ，取 2校验近似条件转速环截止频率为 cn= 1NK= n=396.40.087 1s =34.5 1s电流闭环传递函数简化条件为 cn5iT，现15iT= 0.371s=54.1 1 cn故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为 cn 1/(2)3ionT，现1/(2)3ionT=1/(20.37.)31s=38.75 1 cn故满足该简化条件5）易犯错误由例 2-2 知，此系统是有差系统，ASR 似乎可用比例调节器并按典型 I 型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为NK=ASRemWCT根据设计指标，转速超调量要求 n10%，据此可选择参数为Nn=0.69于是
23、0.691320.8.162745ASRW=9.7上述设计过程的错误是：ASR 采用比例调节器，当其放大系数为 9.7 时，虽可满足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时 KASR=76.3，即ASR 采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR 采用 PI 调节器（或近似 PI 调节器）后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR 仍应采用 PI 调节器，并按典型 II 型系统进行设计。另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间 st时，若查教材表 2-6，当 h=5 时，得st=9.55 nT=9.5
24、50.174 s = 0.17 s是不对的，此错误在于：教材表 2-6 所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于 ASR 饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间 将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。 用西门子调节器最佳整定法设计（1）电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图 2-27 所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用 PI 调节器，即1()iACRDsWS如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统 iT12sDKRi所得调节器参数为 iT
25、= iC=0.0712sDKRi= 0i= 2.1837.405s = 0.021 s因 o=20k，故 iC=63.21F=1.05 ，取 1 F，于是iiR= 30.7k=70 ，取 68k。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量 i%=4%，上升时间 rt=4.7 iT=4.7 0.0037s=0.017。（2）转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如教材中图 2-33 所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用 PI 调节器，即 21 ()iACRDsWSK如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最
26、佳闭环调节系统 4nTnK= 2D=emnR所得调节器参数为 4nT= nC=40.0174s=0.0696snK=0.132.60.18725=7因 oR=20k，故 n= KoR=720 k=140 k ，取 nR=130 k ，则 nC=0.54F，取 nC=0.47F。给定滤波器的时间常数为=4 nT=0.0696s当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器1s后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量 n=8.1%，过渡过程时间 st=16.4 nT=16.40.0174s=0.265s。第四章 利用 MATLAB 软件中的 sinulink 组件对直流双闭调速系统进行仿真M
27、atlab 语言是集数值计算、符号运算和图形处理等强大功能于一体的科学计算语言,适用于工程应用领域的分析、设计和复杂计算,而且易学易用,不要求使用者具备高深的数学知识和编程技巧,现已成为大学教学和科研中最常用的工具,掌握该工具将大大提高课程教学、解题作业、分析研究的效率。Matlab 语言具有丰富的图形表现方法，使得数学计算结果可以方便地、多样性地实现了可视化，这是其它语言所不能比拟的。Simulink 是一种用于实现计算机仿真的软件工具。他是 Matlab 的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。用模块组合的方法使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型在 Simul
28、ink 中利用传递函数，画出仿真框图，进行仿真：第五章 设计心得体会这次运动控制课程设计历时一个月，总体感觉很难。无论是运算还是仿真，都需要很大的耐心。开始拿到这个课设时，脑子一片空白。不知道如何找出头破口，我觉得运动控制这门课都不简单，何况是设计应用？在查阅了大量资料之后，我觉得还是可以完成的。需要的是顽强和毅力。在做课程设计时，我把运动控制这门课系统复习了一遍。是主动，也是被迫，时间比较紧，任务比较重。但看着老师的运控学这么好，知道里面自有乐趣。于是就硬着头皮看书，找答案，在找和学的过程中，我还是学到了好多东西。这为我学习这门课奠定了基础。这次课设比较难，我问了许多同学，发现大家只要商量，
29、许多问题都好解决。在仿真这块，其实开始我对 Matlab 软件很不熟。学这门课也没有多动手练习，导致这次课设用到时很窘迫。在翻阅了书本重新学习后才稍微熟练点。我发现在 Matlab 中的 Simulink 组件很好用，只要把图做出来，就能仿真，确实好用。经过这次课程设计，我发现不管有多苦，我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。双闭环直流调速系统在学的时候都觉得难，现在居然要自己动手去设计，把理论应用到实践，在寻找答案的过程中确实找到许多乐趣。而且还了解了双闭环直流调速系统的基础性知识。我做过很多课程设计了，感受这次难度比较大。但还是按时完成了。这使我想到，只要用心去钻研，什么事都能有眉目的。这也是我今后对待工作的指南。所以我觉得这次课程设计受益匪浅。参考文献：1陈伯时.电力拖动自动控制系统(第 3 版). 北京：机械工业出版社2黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，3陈怀琛.MATLAB 及其在理工课程中的应用 .西安：西安电子科技大学出版社4胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社5陈怀琛.Matlab 及在电子信息课程中的应用.北京:电子工业出版社6 王沫然，陈怀琛.Simulink 4 建模及动态仿真 .北京:电子工业出版社7百度百科
