转速电流双闭环调速系统的仿真研究毕业论文

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1、 1 引言1.1 研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主要设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，广泛应用于各个工程领域，在拖动领域中发挥着极其重要的作用1。 对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。然而没有经过实验研究是不能将设计好的

2、系统直接放到生产实际中去的。因此就必须对其进行模拟实验研究。当然有些情况下可以构造一套物理装置进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而且在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。 但是长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件2。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍

3、了仿真技术的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化3。 simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在

4、的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真4。 自70年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术(简称VM调速系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中VM系统的应用量还是占有相当的比重 。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生

5、产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛5。1.2 课题研究的目的和意义直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在

6、需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制；而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法做到精确控制的。因此在轧机、造纸等对力矩要求很高行业，直流调速还是具有广泛性直流调速器具有动态响

7、应快、抗干扰能力强优点。我们知道采用转速负反馈和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。由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，因此我们采用双闭环调速系统。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础，因此，直流调速系统的应用研究有实际意义6。在工程实践中

8、，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性能，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式7。1.3 论文的主要内容本课题以直流电动机为对象，用工程设计方法设计直流电动机转速、电流双闭环调速系统，基于直流电动机的基本方程给出动态结构图，建立双闭环调速系统的数学模型，并应用MATLAB进行仿真，对仿真结果分析、研究，验证控制方案的合理性。主要完成如下工作：(1) 数学模型的建立认真

9、学习相关资料，根据直流电动机基本方程，建立双闭环调速系统的数学模型并给出动态结构框图。(2) 系统方案设计通过国内外中英文资料介绍，了解直流电动机双闭环调速系统的最佳工程设计方法，并进行调速系统的设计。(3) 仿真的进行和结果的分析与探究深入学习和掌握MATLAB下的simulink系统模型的搭建方法，进行模型搭建和仿真，对结果进行分析与探究。2 直流电动机直流电动机构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵，维护维修也比较困难。近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正取代直流电电动机。尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点。因此

10、广泛应用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需频繁正、反转和启、停，多单元同步协调运转的生产机械等8。2.1 直流电机的工作原理图2.1表示是一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分(定子)上，装设了一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片,换向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器，固定在转轴上。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1 和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 图2.1 最简单的两极直流电机模型

11、 如果将直流电压直接加到线圈AX上，导体中就有直流电流通过。设导体中的电流为，载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，线圈上的电磁转为： （2-1）式中，Da为电枢的外径。由于电流为恒定，一周中磁通密度的方向为一正一负，因此电磁转矩将是交变的，无法使电枢持续旋转。然而在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷B1、B2和换向器再加到线圈上，这样情况就不同了。因为电刷B1 和B2静止不动，电流总是从正极性电刷B1 流入，经过处于N极下的导体，再经处于S极下的导体，由负极性电刷B2流出；故当导体轮流交替地处于N极和S极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转

12、矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转。此时换向器起到将外电路的直流，改变为线圈内的交流的“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理9。2.2 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性主要有两条:一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速-转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面主要对并励电动机的运行特性加以研究。工作特性是指电动机的端电压，励磁电流时，电动机的转速n、电磁转矩和效率与输出功率的关系，即n，。由于实际运行中较易测得，且随的增大而增大，故也可把工作特性表示为n，。上述条件中，为额定励磁电流，即输出功率达到额定功率、转速达到额定转速时的励磁电流。先看转速特性。从电

13、动势公式和电压方程可知 （2-2） 上式通常称为电动机的转速公式。此式表示，在端电压U、励磁电流均为常值的条件下，影响并励电动机转速的因素有两个：一是电枢电阻压降；二是电枢反应。当电动机的负载增加时，电枢电流增大，使电动机的转速趋于下降；电枢反应有去磁作用时，则使转速趋于上升；这两个因素的影响部分地互相抵消，使并励电动机的转速变化很小。实用上，为保证并励电动机的稳定运行，常使它具有稍微下降的转速特性10。并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。若励磁绕组断开，=0，主磁通将迅速下降到剩磁磁通，使电枢电流迅速增大。此时若负载为轻载，则电动机的转速迅速上升，造成“飞车”；若负载为重载，所产生的电

14、磁转矩克服不了负载转矩，则电动机可能停转，使电枢电流增大到起动电流，引起绕组过热而将电机烧毁。这两种情况都是危险的。机械特性是指，励磁回路电阻=常值时，电动机的转速与电磁转矩的关系11。2.3 直流电机的调速方法直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合12。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的

15、调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。 （1） 改变电枢回路电阻调速 当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。 （2）改变电枢电压调速 连续改变

16、电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。（3） 采用晶闸管变流器供电的调速方法 变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。 （4）采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 （5）改变励磁电流调速 当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小13。2.4 转速控制的要求和调速指标任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之

17、间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：（1）调速 在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。（2）稳速 以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。（3） 加、减速 频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳14。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静

18、差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。（1）调速范围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，用字母D表示，即 （2-3）其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。（2）静差率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时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即 （2-4）或用百分数表示 （2-5） 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压

19、调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。（3）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速，若额定负载下的转速降落为，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即 （2-6

20、）于是，最低转速为 （2-7）而调速范围为 （2-8）将上面的式代入，得 （2-9） 式（2-9）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，值一定，由式（2-9）可见，如果对静差率要求越严，即要求值越小时，系统能够允许的调速范围也越小15。3 转速、电流双闭环调速系统3.1 转速、电流双闭环调速系统介绍直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统，双闭环调速系统具有控制容易、能在宽范围内平滑调速和快速响应等特点，在直流调速系统中得到广泛应用。许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡

21、过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。是因为在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。 我们希望能实现控制：（1）过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；（2）稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转

22、速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统16。3.1.1 转速电流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，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图3.1所示。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的

23、双闭环直流调速系统的电路原理图如图3.2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，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17。 图3.1 转速、电流双闭环调速系统其中： ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器 转速给定电压 转速反馈电压 电流给定电压 电流反馈电压 图3.2 双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-R

24、P2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE3.1.2 转速电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图3.3所示。它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，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；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相

25、当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零18。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 图 3.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此 （3-1） （3-2）由第一个关系式可得 （3-3） 从而得到图3.4所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知。这就是说，CA段特性从理想空载状态的

26、一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。（2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 （3-4）其中，最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(3-2)所描述的静特性对应于图3.4中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和

27、输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图3.4中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质19。 n n C A B0 I I I 图3.4 双闭环直流调速系统的静特性3.1.3 直流电动机模型假设电机补偿良好，忽略电枢反应

28、、涡流效应和磁滞的影响，并设励磁电流恒定，得直流电机数学模型和运动方程分别为： （3-5） （3-6） 对上述两式进行拉普拉斯变换后，得到电动机的数学模型如图3.5所示。其中为电枢回路电磁时间常数，为电机系统机电时间常数。 图3.5 直流电动机数学模型3.1.4 晶闸管整流装置的数学模型晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的，考虑到失控时间很小，忽略其高次项，则其传递函数可近似成一阶惯性环节20。 （3-7） 3.1.5 系统动态结构在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，

29、如图3.6所示。 图3.6 双闭环直流调速系统的动态结构框图（1）双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构框图如图3.6所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。（2）动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 抗负载扰动由图3.6可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要注有较好的抗扰性能指标。 抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。和都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，仅就静特

30、性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一些。在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。（3）转速和电流两个调节器的作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可分别归纳如下： 转速调节器的作用：a 转速

31、调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。b 对负载变化起抗扰作用。c 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 电流调节器的作用：a 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。b 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。c 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这对系统的可靠运行来说是十分重要的21。3.1.6 启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭

32、环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图3.7。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 图3.7 转速和电流的启动动态过程曲线第阶段：突加给定电压后，上升，当小于负载电流时，电机还不能转动。当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。直到，=，=电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。第阶段： 在这个阶段中，ASR始

33、终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电压给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。第阶段：当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载

34、电流，转速就继续上升。直到=时，转矩，则=0，转速n才到达峰值(t=t3时)。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内(t3t4)，直到稳定22。3.2 电流调节器与转速调节器的设计3.2.1 电流调节器的设计（1）电流环结构框图的化简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动态影响，即DE0。这时，电流环如图3.8所示。 图3.8 电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响） 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： （3-8）式中 电流环开环频率特性的截止频率如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成 ，则电流环便等效成单位

35、负反馈系统。 图3.9 电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统） 最后，由于和 一般都比小得多,可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为: （3-9）简化的近似条件为: （3-10）电流环结构图最终简化成图3.10 图3.10 电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）（2）电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，再从动态要求看，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，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I

36、型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。其传递函数可以写成: （3-11） 式中K电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 （3-12）则电流环的动态结构框图便成为图3.11所示的典型形式。 图3.11 校正成典型型系统的电流环动态结构框图其中 （3-13）（3）电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3.12所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。 图3.12 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器根据运算

37、放大器的电路原理，可以容易地导出 （3-14） （3-15） （3-16）3.2.2 转速调节器的设计（1）电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数。 （3-17）忽略高次项，可降阶近似为： （3-18）近似条件式为： （3-19）式中，转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为： （3-20） 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。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)控制的

38、一个重要功能。（2）转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图3.6中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图3.13所示: 图3.13 用等效环代替电流环 和电流环中一样，把转速给定滤波的反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （3-21）则转速环结构框图可化简成图3.14 图3.14 等效成单位负反馈和小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有一个积分环节，因转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典

39、型II型系统，这样的系统同时也能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。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为： （3-22）式中 转速调节器的比例系数 转速调节器的超前时间常数 图3.15 校正后成为典型系统这样，调速系统的开环传递函数为： （3-23）令转速环开环增益为： （3-24）则 （3-25）上述结果所需服从的近似条件归纳如下： （3-26） （3-27）（3）转速调节器的参数计算 在典型系统的开环传递函数中，时间常数是控制对象固定的，待定的参数有和。为 了分析方便，引入一个新的

40、变量，令 （3-28） 图3.16 典型系统的开环对数幅频特性和中频宽 由图可见，是斜率为的中频段的宽度，称作中频宽。由于中频段的状态对控制系统的动态品质器决定性的作用，因此是一个很重要的参数。在一般情况下，点处在特性段，由图3.16可以看出 因此 （3-29）在工程设计中，如果两个参数都任意选择，工作量显然很大，为此采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。这一准则表明，对于一定的值，只有一个确定的可以得到最小的闭环幅频特性峰值，这时和，之间的关系是： （3-30） （3-31）以上两式称作准则的“最佳频比”，因而有 （3-32） （3-33）确定

41、之后即可分别求得和。可得 （3-34）由式（4-12）可知转速环开环增益为： （3-35）因此 （3-36） 至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定，无特殊要求时，一般以选择h=5为好。（4）转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3.17所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压23。 图3.17 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值的关系为： （3-37） （3-38） （3-39）3.3 设计方案双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：直流电动机：

42、220V，55A，1000r/min，Ce=0.1925Vmin/r，允许过载倍数=1.5；(1)晶闸管装置放大系数=44；(2)电枢回路总电阻R=1.0；(3)时间常数：=0.03s；(4)机电时间常数：=0.075s；(5)调节器输入电阻：=20k；(6)电流反馈系数:=0.121V/A ；(7)速反馈系数:=0.01Vmin/r。设计指标：(1)静态指标：无静差；(2)动态指标：电流超调量5%，空载起动到额定转速时的转速超调量24。3.3.1 电流环参数计算（1）确定时间常数1)整流装置滞后时间常数：按表3.1三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s 表3.1 不同形式整流电路的失控时

43、间电路形式单相半波单相桥式三相半波三相桥式一周内脉动次数m1236失控时间1053.331.67 2)电流滤波时间常数:=0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有=3.33ms，因此取=2ms=0.002s）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理。s(Ts和一般都比小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：5% ，无静差，可按典型I型系统涉及电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，检查对电源电压的抗扰性能: （3-40）参照表3.2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

44、 表3.2 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 续表3.2 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系55.5%33.2%18.5%12.9%4.030.4（3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，按表3.3应取=0.5，有 （3-41）ACR的比例系数: = （3-42） 表3.3 典型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0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量01.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.3T4.7T3.6T相角稳定裕度76.369.9

45、65.559.251.8截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T（4）校验近似条件电流环截止频率:=135.11）晶闸管装置传递函数近似条件： （3-43）即 （3-44）满足近似条件；2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： （3-45）满足近似条件；3)小时间常数近似处理条件： （3-46） 即 （3-47） 满足近似条件。（5）调节器电阻和电容 =20,则 =0.4320=8.6，取10 （3-48） ,取2.0 （3-49） （3-50） 按上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：，满足设计要求。3.3.2 转速环参数的计算（1）确定时间常数1

46、）电流环等效时间常数 （3-51）2）转速滤波时间常数=0.01s 3）转速环小时间常数近似处理 （3-52）（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器。（3）选择调节器的参数按照随和抗扰性能都好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 （3-53）转速开环增益： （3-54）ASR的比例系数： = （3-55）（4）验近似条件转速截止频率为： （3-56）电流环传递函数简化条件： （3-57）转速环小时间常数近似处理条件为： （3-58）二项近似处理均满足近似条件。（5）计算调节器电阻电容 取，则，取 （3-59），取 （3-60），取 （3-61）（6） 校核转速超调量当h=5

47、时，由此可得 （3-62）满足超调量指标要求25。4 直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究4.1 MATLAB简介4.1.1 MATLAB语言MATLAB软件是由美国NewMexico大学的C1eveMoler博士于1980年开始开发的，1984年由C1eveMOIer等人创立的Mathwork公司正式推出了第一个商业版本。MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。这使它成为国际控制领域应用最广的首选软件工具。现在MATLAB软件不但广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。在控制界，很多著

48、名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。MATLAB语言有以下特点： (1)起点高。每个变量代表一个矩阵，它可以有个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。(2)人机界面适合科技人员。MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员交流。MATLAB是以解释方式工作的，若有错误立即做出反应，便于编程者立即改正。这些都减轻了编程和调试的工作量。(3)强大而简易的作图功能。能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘出图形。(4)智能化程度高。绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法；数值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。(5)功能丰富，可扩展性强。MATLAB软件包括基本部分和专业部分。基本部分包括:矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。各领域的科技人员在此基础上，根据本专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。这些工具箱就是专业部分。现在它们己有控制系统、信号处理、图象处理、系统辩识、模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并