1、 成都学院（成都大学）课程设计1第 1 章 绪论1.1 运动控制系统研究背景电机自动控制系统广泛应用于机械模具，矿产冶金，石油化工，轻工纺织，军工等与军民企业密切相关的行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济，以及电能的合理运用都具有十分重要的现实意义。自从电动机发明到上个世纪 90 年代，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大
2、多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在 DJDK-1 型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。1.2 课题目前的研究应用现状近几十年来，电力拖动系统得到了快速的发展。随着新型电力电子器件的发明，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：1.2
3、.1 常规调速系统介绍电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。1.2.2 应
4、用现代控制理论在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。1.2.3 采用总线技术现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。1.2.4 内含嵌入式操作系统的控制器当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入
5、式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux 操作系统的数字式伺服系统。1.3 本设计思路根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析：1直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型成都学院（成都大学）课程设计22双闭环直流调速的工程设计3应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满
6、足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次
7、4。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。1.4 本设计的组成部分1.4.1 系统的数学模型分析双闭环调速系统的工作原理，列写双闭环调速系统各环节的传递函数，并画出其动态结构图。 1.4.2 经典控制部分首先了解双闭环直流调速系统的基本原理，然后应用工程设计方法，分别进行主电路、电流环和转速环的设计,并应用 MATLAB 对系统进行仿真。1.4.3 仿真部分运用 SIM
8、ULINK 工具箱对系统进行仿真,获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线。结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较研究，从而得到性能指标较为理想的系统模型。并尝试性地提出改进方案。成都学院（成都大学）课程设计3第二章 设计系统的数学模型和原理2.1.1 测定电枢回路的参数2.1.1.1 测定电枢回路总电阻 R通过测定 Rn,RD,RP 得到 R 其中 Rn晶闸管等效电阻 RP平波电抗器等效电阻R 电枢回路的总电阻 RD电动机电枢电阻考虑到参数的非线性，应用伏安法测量。通过改变变阻器的阻值，改变 Id,测出不同的 Ud, Up, UD.测试时，为防止因电枢转轴不同心，而影响电刷接触电阻
9、。将电枢转动三次，取测量的平均值。应用公式： DIUpIRdnIU2.1.1.2 测定电枢回路的总电感 LL= LP+ LD+ LB式中 LP平波电抗器电感LD电动机电枢电感LB变压器漏感先测 LS=LP+LD, 利用以下公式: Z=RS +j XS =U d /Id-XS=(Z2- X2)1/2LS=XS /2f =XS/314再来测定变压器的漏感 LB根据经验公式: L/B = KB*( UK% /100)*(U2 /Id ),在三相桥中 LB = 2*L/B因此 L=LS + LB2.1.2 测定电力拖动系统机电时间常数 Tm2.1.2.1 测定电动机的 Ce 在给定电压下选稳态时实验测
10、量所需数据，因稳态时 0dtI而 EdtILRUd0故 ne02.1.2.2 测定电动机的飞轮力矩 GD2使电动机在空载下自由停车 (这时 MD=0, Mfz=M0),其中 M0为电动机的空载转矩.由 MD-Mfz=GD2dn/375dt成都学院（成都大学）课程设计4得 GD2=-375M0 / (dn /dt) 375M0 /(n /t)测 n=f(M0)利用空载损耗 P0=UDId-RDI2，得 M0. 测定 n=f(M0)的实验数据并在坐标纸上做出 n=f(M0)曲线2.1.3 测定触发和整流装置的放大倍数 KS在按线性系统规律进行分析和设计时，应该把这个环节的放大系数 KS当作常数，但
11、实际上触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似成线性环节。因此，最好应用实验方法测出该环节的输入输出特性，即 . 设计时，希望整个调速范围的工作点都落)(ctdUf在特性的近似线性范围内，并有一定的余量，调节放大系数 KS可由工作范围内的特性斜率决定ctdsUdUctU dU ct调速工作范围（图 2-1 晶闸管触发与整流的输入输出特性和 KS的测定）2.2 双闭环调速系统的工作原理2.2.1 转速控制的要求和调速指标控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计
12、思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标2.2.1.1 调速范围 D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即（2-1）minaxD2.2.1.2 静差率 s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即（2-2）%10nso静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。2.2.1.3 跟随性能指标 在给定信号 R（ t）的作用下，系统输出量 C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间 ，超调量 ，调节时间 .rtst成都学院（成都大学）课程设
13、计52.2.1.4 抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间 .%maxCvt2.2.2 调速系统的两个基本矛盾基本指标的两个矛盾即1) 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；2) 起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾 5。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则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中的电流和转矩。无法解决第二个基
14、本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望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为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，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 Idcr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 2-2a 所示。nIdnIdlt0Idl（a) （b)（图 2-2 调速系统启动过程的电流和转速波形）a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系
15、统的启动过程 b) 理想快速启动过程对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,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,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图 2-2b所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图 2-2b 所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥
16、主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。2.2.3 调速系统的双闭环调节原理见图 2-3：nIdn0 t成都学院（成都大学）课程设计6Un*Un-WA S R( s ) WA C R( s )Ui*Ui-Uc tUd 0 1/sTRl1SKsId-Id l smnCe1（图 2-3 双闭环调速系统的原理框图）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.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；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了
17、转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用 PI 调节器，转速调节器 ASR 的输出限幅电压是 Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压是 Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析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。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。其起动过程波形如图 2-4 所示。（图 2-4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形）从图 2-
18、4 知,整个起动过程分为三个阶段：第 I 阶段是电流上升阶段。第 II 阶段是恒流升速阶段。第 III 阶段是转速调节阶段。有启动三个阶段所示，双闭环调速系统有如下三个特点：成都学院（成都大学）课程设计71）饱和非线性控制：随着 ASR 的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当 ASR 饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当 ASR 不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。2）准时间控制：启动过程中主要阶段实第 II 阶段，即恒流升速阶段。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。3）转速超调：由于采
19、用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第 III 阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照 PI 调节器的特性，只有使转速超调，ASR 的输入偏差电压Un为负值，才能使 ASR 退出饱和。2.2.5 转速和电流两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为1转速调节器的作用：1）使转速 n 跟随给定电压 Um*变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。2电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压 Um*变化；4）当电动机过载甚至于堵
20、转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。2.3 双闭环调速系统主电路的数学模型2.3.1 主电路及其化简见图 2-5:（图 2-5 主电路的原理图及化简）a)三相桥式整流电路的主电路b)等效电路c)化简后的等效电路成都学院（成都大学）课程设计82.3.2 晶闸管触发和整流装置传递函数2.3.2.1 失控时间 以单相全波纯电阻负载整流电路为例来讨论滞后时间的大小。假设在 t1时刻某一对晶闸管触发导通，控制角为 1；如果控制电压 Vct在 t2时刻发生变化，但由于晶闸管已经导通， Vct的改变对它已不起作用，平均整流电压 Vdo1并不会立即产生反
21、应，必须等到 t3时刻该组件关断以后，触发脉冲才有可能控制另外一 对晶闸管。设 Vct2对应的控制角为 2，则另一对晶闸管在 t4时刻才导通，平均整流电压变成 Vd02。假设平均整流电压是在自然换相点变化的，则从 Vct发生变化到 Vd0发生变化之间的时间 Ts便是失控时间。本设计采用三相桥式整流电路，平均失控时间Ts =1.67(ms)，实际取 1.7(ms)2.3.2.2 晶闸管触发和整流装置的传函 用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出为 Ud0=KsUct1(t-Ts)按拉氏变换的位移定理,则传递函数为(2-5)sctdTesK)(0考虑到 Ts很小,忽略其高次项,
22、则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节 (2-6)1)(0sctd2.4 双闭环调速系统的电气原理及控制单元见图 2-8:+-G DA S RA C RL S FUi*=Uc tUn*C FG TL BG LM+_DCS Fn_+S BL HUnUi+_UdId（图 28 双闭环调速系统的电气原理图）其中GL给定器 LSF零速封锁器ASR转速调速器材 ACR电流调节器SB转速变速器材 LB电流变送器GL过流保护器材 CF触发器2.4.1 过流保护器(GL)、电流变送器(LB)见图 2-9: b成都学院（成都大学）课程设计9（图 2-9 过流保护器(GL)、电流变送器(LB)）2.
23、4.2 电流调节器(ACR)见图 2-10:（图 2-10 电流调节器(ACR)）2.4.3 给定器(GD)见图 2-12:（图 2-12 给定器(GD)）2.4.4 转速变送器(SB)见图 2-13:成都学院（成都大学）课程设计10a（图 2-13 转速变送器(SB)）2.4.5 转速调节器(ASR)见图 2-14:（图 2-14 转速调节器(ASR)）2.5 双闭环调速系统的动态结构设计为了从整体理解整个双闭环调速系统，此处给出各调节器和变送器的传递函数。2.5.1 电流调节器和电流变送器的传递函数2.5.1.1 电流调节器 ACR 的传递函数Uct (s ) /U n*( s )-I d
24、(s)= Ki ( is+1) / is（ Tois+1）其中： Ki=Ri/Ro电流调节器的比例系数 i=RiCi电流调节器的积分时间常数Toi=0.25RiCoi电流反馈滤波时间常数 电流反馈系数2.5.1.2 电流变送器 LB 的传递函数 I d (s) / Id (s)= (v/A)2.5.2 转速调节器和转速变送器的传函2.5.2.1 转速调节器 ASR 的传递函数U i* (s) / U n* (s) -n (s) =Kn ( ns+1) / ns（ Tons+1）其中： Kn=Rn/R0转速调节器的比例系数成都学院（成都大学）课程设计11 n=RnCn转速调节器的积分时间常数To
25、n=0.25RnCon转速反馈滤波时间常数 转速反馈系数2.5.2.2 转速变送器 SB 的传递函数Un(s)/n(s)=a（v/rpm）2.5.3 双闭环调速系统的动态结构图在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，由上述各环节的传递函数，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图。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 Toi 按需要给定。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 Toi 的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：使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
26、，从而带来设计上的方便。同样，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，滤波时间常数由 Ton 表示。根据和电流环一样的道理，也需要在转速给定通道配上时间常数为 Ton为滤波环节 6。所以实际的电路需增加电流滤波、转速滤波、和两个给定滤波环节，见图 2-16:（图 2-16 双闭环调速系统的动态结构图）成都学院（成都大学）课程设计13第三章 电流调节器和转速调节器的设计3.1 性能指标本章应用经典控制理论的工程设计方法,设计出转速和电流双闭环直流调速系统,然后利用现代控制理论中的线性二次型性能指标最优设计方法, 设计此调速系统。3.1.1 给定数据（1）被控直流电动机
27、Pnom=2.8 kw Unom=220 v Inom=15.6 ANnom=1500 rpm =1.25 Cm=0.125 kg.m/A（3）电枢回路总电阻RR n+Rs=RB+R +RN+Rp+RD=2.5（6）系统时间常数Tl0.008 sTm=0.25s（8）调节器最大给定电压U*nm=U*im=10 v3.1.2 设计指标性能指标：1）调速范围：D52）静差率：S5%3）电流超调量 i%5%4）转速超调量 n%10%5) 突加负载的动态速降5%6）恢复时间 t1 秒3.2 工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相
28、互矛盾的静态、动态性能要求。基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算以下就可以了。3.3 ACR 的设计3.3.1 电流环动态结构图的简化 设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数 TL一般远小于机电时间常数 Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势
29、E 的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为 E 不变，即 E =0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。 )(*sUi)(sUct )(0sd)(sIdACR1STK1/TRlsoi1Toi )atbsoiili c)(sId)(/il成都学院（成都大学）课程设计14（图 3-1 电流环的动态结构图及其化简）3.3.2 电流调节器结构的选择首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用
30、就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加控制作用时不希望有超调,或者超调量越小越好。从这个观点出发,应该把电流环校正成典系统。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用,为了提高其抗扰性能,又希望把电流环校正成典系统。一般情况下,当控制对象的两个时间常数之比 TL/TI 10 时,典系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此,一般多按典系统来设计电流环 6。本设计因为 i% 5%且 TL/TI =23.98/6.71,1=R1C1。静态放大倍数 KP/=Ri/R0，动态放大倍数 KP=Ri/R0。3.5.2 系统的静态结构图双闭环调速系统的静态结构图如图 3-5 所示:*nU+-N
31、KA S R+- IA C RKUs0d-+ Ce1nRdI(图 35 双闭环调速系统的静态结构图)其中 KN/=RN/R0速度调节器的静态放大倍数KI/=RI/R0电流调节器的静态放大倍数KS= Ud/U K=40=Ufn/n=Ugn/n=0.0053v/rpm=Ufi/Id=8/15=0.342V/A由图 35 易得如下方程: Un=Un*-Un,Ui*=KN/ Un, Ui=Ui*-Id,Uct=KI/ Ui整理后能够得到系统的静特性方程为:(3-23)其中 K=KN/KI/KS/Ce系统的开环增益静态速降为:(3-24)edsIedKCRn)1(设计要求满足的静差率为 s4%.调速范围
32、 D,静差率 s 与静态速降n ed 的关系为:sIsINeKC)1()1( 成都学院（成都大学）课程设计20n ed=neds/D(1-s)即 n ed=1500*0.04/10(1-0.04) 为系统所能允许的静态速降。一般情况下，总有 KI/KSR，K1则取 KI/=100，有 RI/=KI/R0由(3-16) 整理得 : () ISededNNISKRCn第 4 章 基于 MATLAB/SIMULINK 的调速系统的仿真通过对整个控制电路的设计，得到的结论还只是理论上的，通过 MATLAB/SIMULINK 对整个调速系统进行仿真。首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系
33、统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 7.1 所示：成都学院（成都大学）课程设计21(图 4.1 双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图)图 4.1 框图中的各个参数已经在第六章设计好了。则把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图 4.2。(图 4.2 双闭环直流调速系统动态结构框图)为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为13V。根据动态模型图以及计算参数，用 MATLAB/SIMULINK 进行仿真，主要是仿真电动机的输出转速。但是通过仿真得到的转
34、速超调量很大，不满足设计的估计值，原因可能是还有一些因素没有考虑到，比如电动机的数学模型是理想化的，应该有其他的因素影响，这是设计中没有考虑到的，而且计算得到的是近似值，通过的是工程设计方法，与实际还是有误差的。在仿真过程中发现整流电路的输成都学院（成都大学）课程设计22出电压超过了最大计算值，所以在输出端也加个限幅值。通过仿真发现仿真的转速超调量大于设定值，所以在仿真中通过调节转速微分负反馈环节来抑制超调。并在 5 秒时加入扰动。最终得到的转速仿真图形如图 4.3 所示(图 4.3 双闭环直流电机转速输出仿真图形)从图 7.3 可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。从仿真得到的转速曲线图中
35、可以得出转速超调量为 ，基本满足设计的要求，但是与设定值相比还是有误差。2510%.6749n在 0.9 秒的时候，转速达到一个稳定值，系统无静差运行，其中在 5 秒的时候输入一个负载扰动量，在 5.1 秒的时候扰动消失，速降达到了 ，过了 0.4 秒之后转速又达到稳定值。从图dLI 40/minr中可以看出，扰动很快得到了调节，这是两个 PI 型调节器自动调节的作用。另外从图中也可以看到，系统是无静差运行的，符合设计的要求。从仿真的结果来看，得到这样结论： (1) 工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理, 而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如: 将可控硅触发和整流环
36、节近似地看作一阶惯性环节, 设计电流环时不考虑反电势变化的影响; 将小时间常数当作小参数近似地合并处理; 设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。(2) 仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同, 因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差, 而且在建立模型过程中为了简化计算, 忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。如: 可控硅触发和整流环节的放大倍数 K S 和失控时间 , 这些都是sT非线性参数, 但在仿真中被近似看作常数; 再如, 设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况, 而忽略了电流断续时的情况。（3）添了微分负反馈使得快速的达到稳态值，
37、超调量也减少。但是微分容易引起振荡所以要加死区环节。成都学院（成都大学）课程设计23以上一些原因,在应用工程设计方法时应该注意的, 以减小理论设计与实际之间的差距。第五章 结束语本课程设计是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过几天的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得成都学院（成都大学）课程设计24到整个调速控制的电路原理图。课程设计期间，借用图书
38、馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料。在指导老师的指导下，并与同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与同学沟通，在老师、同学的指点和自己的努力下，最后完成了整个设计。设计中，通过查阅书籍，在了解的情况下运用公式按要求设计出所要的型号。通过建立数学模型，运用MATLAB/SIMULINK 对整个电路进行仿真。通过做课程设计，也有了不少的收获进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到，整个双闭环直流调速电路分阶段地完成，从电力电子
39、方面的设计到电力拖动方面的设计，最后 MATLAB/SIMULINK 的运用，是一步一步的完成和组合。通过做课程设计，我从中得了不少收获。不仅在理论上，知道课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。虽然，在做课程设计的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。相信通过这次的设计将在以后的工作中给我不少的启发。我也会在今后更多的时间学习各种新知识。成都学院（成都大学）课程设计25致 谢首先要感谢樊云老师。在她的悉心指导下，我才得以顺利的完成本设计。她给我们制定了周密的工作任务安排，每次都很认真的查看我们的设计完成情况，对于我们的提问也总给
40、予耐心的解答。这对于我的工作，既是鼓励，又是鞭策。我还要感谢同班同学，跟他们一起讨论相关的课题，使我的思路得以极大的开阔，并能发现自己在某些内容上的欠缺。最后，我要感谢所有在这个课程设计中给我帮助的人。成都学院（成都大学）课程设计26参考文献1 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 运 动 控 制 系 统 .第 4 版 .上 海 大 学 .阮 毅 ,陈 伯 时 .北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 2009.82 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 第 3 版 .上 海 大 学 .陈 伯 时3 电 力 拖 动 与 运 动 控 制 系 统 第 二 版 .罗 飞 等4 韩璐. 直流电动机
41、双闭环调速系统及其 SIMULINK 的仿真. 船海工程. 2003, (2): 30-335于桂珍. 调节器的工程设计方法. 长春光学精密机械学院学报. 2000, 23(2): 48-516晶闸管直流调速系统M 孔凡才北京科技出版社，19857 电气传动控制系统及其工程设计M.段文泽，童明倜.四川：重庆大学出版社,1989.10.成都学院（成都大学）课程设计27附表附表 1.1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式 最大失控时间 max/sT平均失控时间 /sTm单相半波 20 10单相桥式 10 5三相半波 6.67 3.33三相桥式、六相半波 3.33 1.67附表 1.
42、2 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系 KT 0.25 0.39 0.5 0.69 1.0阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5超调量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3%上升时间 rt6.6T 4.7T 3.3T 2.4T峰值时间 p8.3T 6.2T 4.7T 3.6T相角稳定裕度 76.39.65.9.251.8截止频率 c0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T附表 1.3 典型 II 型系统阶跃输入跟随性能指标（按 准则确定参数关系）minrMh 3 4 5 6 7 8 9 1052.60% 43
43、.60% 37.60% 33.20% 29.80% 27.20% 25.00% 23.30%/rtT2.4 2.65 2.85 3 3.1 3.2 3.3 3.35s12.15 11.65 9.55 10.45 11.3 12.25 13.25 14.2k 3 2 2 1 1 1 1 1附表 1.4 典型 II 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h 3 4 5 6 7 8 9 10max/bC72.20% 77.50% 81.20% 84.00% 86.30% 88.10% 89.60% 90.80%tT2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40/v13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85
