直流电机双闭环调速系统设计课程设计

直流电机双闭环调速系统设计 目录 1 绪 论 1 1.1课题研究背景 1 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 1 2 直流电机双闭环调速系统 3 2.1直流电动机的起动与调速 3 2.2直流调速系统的性能指标 3 2.2.1静态性能指标 3 2.2.2动态的性能指标 4 2.3双闭环直流调速系统的组成 6 3 双闭环直流调速系统的设计 8 3.1电流调节器的设计 8 3.2转速调节器的设计 10 3.3闭环动态结构框图设计 12 3.4设计实例 12 3.4.1设计电流调节器 13 3.4.2设计转速调节器 15 4.Matlab仿真 17 4.1仿真结果分析 19 5 结 论 20 参考文献 21 1 绪 论 1.1课题研究背景 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。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。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，对国民经济具有十分重要的现实意义。

以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；
与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。

1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

20世纪90年代前的大约50年的时间里，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。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

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。

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，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。

2 直流电机双闭环调速系统 2.1直流电动机的起动与调速 （1）直流电动机的起动 直流电动机接通电源以后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。直流电机的起动条件应满足以下原则：①起动转矩要大于负载转矩；
②起动电流限制在安全范围以内；
③起动设备投资要经济适用，设备运行要安全可靠，起动时间要短。

（2）直流电动机速度的调节 ① 改变电枢供电电压U ② 减弱励磁磁通Φ ③ 改变电枢回路电阻R 从以上三种方法的介绍中可知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。变电阻只可以实现有级调速；
弱磁调速虽然可以实现平滑调速，但它可调节的范围不太大，经常要和调压方式配合，在额定转速以上可作较小范围的弱磁升速。因此，调压调速为自动控制系统主要调速方式，本论文正是采用此方法来设计系统。

2.2直流调速系统的性能指标 根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；
动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。

2.2.1静态性能指标 （1）调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运转时，提供的最高运转速度与最低运转速度之比，称为调速范围，用符号D表示，即 （2-6）
（2）静差率 当电机拖动系统在某一转速下运转时，系统从理想空载转速至额定负载时转速降落了与理想空载转速之比，叫做静差率s，即 （2-7）
用百分数可表示为 （2-8）
由以上可知，静差率能反映拖动系统在负载变化时调速的稳定性。它与机械特性的硬度有关，机械特性越硬，静差率就越小，转速稳定度就越高。

但是静差率与特性硬度又是不同的。变压调速系统在不同转速的情况下机械特性是相互平行的，对于相同硬度的机械特性，理想空载时转速越低，静差率就越大，转速相对稳定度也越差。

由此可见，调速范围与静差率这两项指标之间的关系不是相互独立的，它们必须一起被提出时才有意义。若调速的额定速降一样，则运转的越慢，静差率就越大。在低速的情况下，如果静差率能符合设计要求，那么静差率在高速运转时就更能满足要求了。所以，在调速系统中，静差率指标的基准就是最低速运转时所能达到的参数。

2.2.2动态的性能指标 拖动系统动态过程的性能指标是生产工艺流程要求对控制系统动态指标的要求经折算与量化后得到的。在自动化系统中，动态指标是指跟踪给定信号的跟随性能指标和抗扰动信号的鲁棒性能指标。

（1）系统跟随性指标 在参考输入信号R(t)的作用下，跟随性能指标可用来描述系统输出量C(t)的变化。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，在阶跃变化下的过渡过程中给定信号作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值的偏差越小越好，达到的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：
①上升时间 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零开始第一次上升到稳态值所经过的时间称为阶跃响应的上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2-4。

图2-1 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 ②超调量σ 在典型的阶跃响应跟随系统中，超调量输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示：
（2-10）
③调节时间 系统整个调节过程的快慢的衡量可以用调节时间来衡量。在原则上，应该是从阶跃变化开始到输出量完全稳定下来为止所需的时间。在线性控制系统中，理论上才是真正的稳定，然而在实际系统中，因为各种非线性因素的存在，过渡过程到一定时间就终止了。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取(或取)的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2-4。

（2）抗扰动能力性能指标 控制系统在稳定运行时，突加负载的阶跃扰动后的动态响应过程作为典型的抗扰过程，并定义抗扰动能力动态性能指标，如图2-5所示。常用的抗扰动能力性能指标为动态降落和恢复时间：
①动态降落 系统在稳定条件下运行时，突加一定数值的扰动（如负载扰动）后引起转速降落的最大值叫做动态降落，常用与输出量的原稳态值之比的百分数来表示（或用某基准值的百分数来表示）。在动态降落后输出量逐渐恢复，达新的稳态值，是系统在该扰动作用下的稳态误差，即静差。一般情况下，动态降落大于稳态误差。调速系统在突加额定负载扰动时转速的动态降落叫做动态降落。

②恢复时间 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的(或取)范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中称为抗扰指标中输出量的基准值。

实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

图2-2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 2.3双闭环直流调速系统的组成 双闭环直流调速系统中存在转速、电流两个调节器，分别调节转速和电流，并引入转速和电流负反馈。在二两者中采用嵌套（或称串级）联接，如图2-6所示。将转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再将电流调节器的输出控制电力电子变换器UPE。从系统结构上来看，电流环在里边，称作内环；
转速环在外面，称作外环。这样就构成转速、电流双闭环直流调速系统。

图2-3 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 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 3 双闭环直流调速系统的设计 双闭环调速系统属于多环控制系统，每一环都有调节器，构成一个完整的闭环系统。工程设计方法遵循先内环后外环的原则。步骤为：先设计电流环（内环），对其进行必要的变换和近似处理，然后依照电流环的控制要求确定把它校正成哪一种典型系统，再根据控制对象确定其调节器的类型，最后根据动态性能指标的要求来确定其调节器的有关参数。电流环设计完成以后，把电流环看成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。

在电流检测信号中常有交流分量，为了不让它影响调节器的输入，加入了低通滤波器，然而滤波环节可以使反馈信号延迟，为了消除此延迟在给定位置加一个相同时间常数的惯性环节。同理，由测速发电机得到的转速反馈电压常含有换向纹波，因此也在给定和反馈环节加入滤波环节。由此，双闭环直流调速系统的实际动态结构框图如图3-1所示：
图3-1 双闭环调速系统的动态结构图 3.1电流调节器的设计 （1）电流环结构框图的化简 图3-3点画线框内的为电流环，反电动势对于电流环是一个改变缓慢的干扰，当电流的突然变化时，可以认为。这样，依据动态性能来设计电流环时，可以暂时忽略反电动势变化的动态影响。不考虑电机电枢反感电动势，对电流环干扰的条件是 （3-4）
式中 ─电流环开环截止频率。

将给定信号及反馈滤波同时移至环内前向通道上，再将给定信号变成 ，则电流环将等效为单位负反馈控制系统。

最后，由于一般情况下和都比小得多，从而可当作小惯性群近似地看成是一个惯性环节，其时间常数为 （3-5）
则电流环内部结构简化的近似条件为 （3-6）
（2）电流调节器结构的选择 从静态要求上看，希望电流无静差。从动态要求上看，电枢电流不允许有太大的超调。因此，电流环主要以跟随性能为主，应采用典型Ⅰ型系统。

电流环的控制对象是双惯性型的，校正成Ⅰ型系统时，电流调节器要选用PI型的，其传递函数用如下式子表示 （3-7）
式中 ─电流调节器的超前时间常数；

─电流调节器的比例系数。

为了实现控制对象的大时间常数极点和调节器的零点对消，选择 = （3-8）
于是电流环的动态结构框图变成图3-4所示的典型形式，其中 （3-9）
图3-2校正成典型Ⅰ型系统的电流环动态结构框图 上述结果是在一系列假设条件下得到的，这些条件是：
①电力电子变换器纯滞后的近似处理 （3-10）
②不考虑反电动势的变化对电流环的动态影响 （3-11）
③电流环小惯性群的近似处理 （3-12）
（3）电流调节器的参数计算 由（3-6）得，电流调节器的参数为和，而已经选定，需要求的只，可依照所要求的动态性能指标来选取。一般情况下，希望电流超调量为，由表3-2，可选，，则 （3-13）
再结合式（3-6）和式（3-7）可得 （3-14）
3.2转速调节器的设计 （1）电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可看作转速环内的一个环节，因此，需要先求其闭环的传递函数：
（3-15）
不考虑高次项，可以降低阶次近似表示成 （3-16）
近似条件式为 （3-17）
式中，─转速环开环频率特性的截止频率。

电流环作为转速环内的一环节其输入量为，于是电流环可在转速环内等效成 （3-18）
（2）转速调节器结构的选择 和电流环一样，将转速给定滤波及反馈滤波两个环节移入环内，并将给定信号变为，再将两个时间常数为和的小惯性环节合并在一起，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （3-19）
为了既要满足电机转速调节无静差，又想满足好的动态性能指标的要求，转速环开环传递函数要有两个积分环节，因此设计为Ⅱ型系统，也使用比例积分（PI）调节器，它的传递函数可表示为：
（3-20）
式中 ─转速环PI调节器的超前时间常数；

─转速环PI调节器的比例系数。

这样，直流电机调速控制系统的开环传递函数可表示为 （3-21）
令转速环的开环增益为 （3-22）
则 （3-23）
上述结果所需服从的近似条件归纳如下：
（3-24）
（3-25）
（3）转速环PI调节器的参数计算 转速环调节器包含和两个参数。依据典型Ⅱ型系统的相关参数关系，并由式得 （3-26）
再据式，得 （3-27）
于是 （3-28）
中频宽h大小的选择，需由动态性能的要求来决定，因为h=5时调节时间最短，跟随性能及抗扰性能适中，所以，一般情况下选择h=5为好。

3.3闭环动态结构框图设计 双闭环直流调速系统的转速环在电流环之外，控制电动机的转速，输出作为电流环的给定值，实现转速无静差。电流环控制电动机的电流，输出整流触发装置的触发电压，可以通过调节电流快速调节转矩，以实现快速加减速。两个控制器均采用PI调节器，双闭环的直流调速系统动态结构框图如下图3.3所示。

图3.3 双闭环直流调速系统动态结构框图 3.4设计实例 某一个采用三相桥式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，有关数据如下：
直流电动机的有关参数：，，，电动机的电动势系数，允许过载的倍数；

电枢回路的总电阻：；

晶闸管装置的放大系数：；

时间常数：电枢回路电磁时间常数，电力拖动系统机电时间常数 ；

电流的反馈系数：；

转速的反馈系数：。

要求：（1）稳态指标：无静差；

（2）动态指标：电流的超调量；
空载起动到转速达到额定时的转速的超调量。

3.4.1设计电流调节器 1． 时间常数的确定 （1）整流装置的滞后时间常数。设计成三相桥式全控整流电路，其平均失控时间；

电枢回路电感；

电枢电阻；

（2）电流滤波时间常数。三相桥式全控整流电路的每个波头时间为3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）=3.33ms，于是取=2ms=0.002s。

（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。

2．选择电流环调节器结构 根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流环调节器。电流环控制对象是两个惯性环节，因此可用比例积分（PI）型调节器设计电流环，其传递函数为。

校验对系统中电源电压变化的抗扰性能：
， 参看表3-1的典型Ⅰ型系统的动态抗扰动性能指标，表中给出的各项性能指标都是设计系统可以满足的，因此电流环可按典型Ⅰ型系统标准模型设计。

3．电流环调节器参数计算 电流环调节器超前时间常数：。

系统电流环的开环放大倍数：要求时，按表3-2，应取，因此；

于是，电流环ACR的比例放大系数为：
。

4．电流环似条件的校验 电流环频率特性中的截止频率：。

(1)校验晶闸管三相全控桥式整流装置传递函数的近似条件 满足要求；

(2)校验不考虑反电动势对电流环动态性能影响的条件 满足要求；

(3)校验电流环内的动态时间常数的近似条件 满足要求。

根据上述参数，电流环可达到的动态性能指标为（见表3-2），满足设计要求。

3.4.2设计转速调节器 1．时间常数的确定 （1）电流环的等效电路动态过程时间常数。已取，则 。

（2）转速滤波时间常数取。

（3）转速环小时间常数。依据小时间常数的近似处理，取 。

2．转速调节器结构的选择 由于设计时要求转速无静差，转速调节器要含有积分环节；
又按照动态性能要求，应按Ⅱ型系统设计调速环。也采用PI调节器，其传递函数可表示成 3．转速环PID调节器参数的计算 根据跟随性能和抗扰动动态性能同时满足的原则，取h=5，于是转速环的超前时间常数 转速环的开环增益 于是，可得转速环调节器（ASR）的比例系数为 4．近似条件的校验 转速环的频率特性中的截止时的频率为 (1)电流环调节器的传递函数的简化条件为 满足条件；

(2)转速环较小的时间常数的近似条件为 满足条件。

5．转速超调量的校核 当h=5时，查表3-3得，不能满足设计的要求，应该按ASR退饱和的情况重新计算。

由，求出。

取h=5，查表3-4得， 而 因此，，即h=5，能满足设计的要求。

4.Matlab仿真 根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图4-1 所示：
图4-1直流双闭环调速系统的仿真模型 为了使系统模型更简洁，利用了Simulink的打包功能将调节器模型缩小为一个分支模块，如图4-2(a)、(b)所示：
（a）
（b）
图4-2 （a）转速调节器ASR （b）电流调节器ACR 运行已构建好的Simulink直流双闭环调速系统仿真模块，在空载、满载和扰动下，对系统进行仿真得到电动机转速、电流的仿真波形分别如图4-3、4-4、4-5所示：
图4-3转速环空载高速起动波形图 图4-4转速环满载高速起动波形图 图4-5 t=1s时加入负载扰动转速环的抗扰波形图 4.1仿真结果分析 根据以上仿真结果对系统的性能指标进行分析：
（1）上升时间：上升时间为0.3622s，响应时间较快。

（2）超调量σ：。超调量满足 系统的设计要求，系统的相对稳定性较好。

（3）调节时间：系统再1.167s以后就达到了稳定，稳定后基本上无静差，系统较稳定。

（4）峰值时间：该时间约为0.4079s，系统的瞬间响应较快。

（5）在系统稳定后1s时突加额定负载，系统仅用0.18s时间又恢复稳态，系统稳定抗扰性良好。

5 结 论 本文对转速、电流双闭环直流调速系统的设计和仿真进行了研究从直流电动机起动和调速原理出发，引入本论文要采用的调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，而且功率范围宽的晶闸管-电动机系统，即V-M系统。通过对直流电动机和整流装置模型的分析，逐步建立了双闭环直流调速系统的动态数学模型，通过工程设计方法设计了电流调节器和转速调节器，在MATLAB仿真软件Simulink环境下建立系统的仿真模型，并分别在系统空载、满载、扰动作用下进行了仿真，并对仿真结果进行分析。得出常规PID控制下的双闭环直流调速系统的设计基本符合设计要求，稳定后基本上无静差，受到扰动后回复时间较短，抗扰性能较好，但常规PID控制器参数不能随被控对象变化而作相应调整，控制效果有时不能尽人意，系统响应速度、稳态精度方面需要进一步加以改进。

通过本课题的研究，得到许多收获，如：更深入掌握、研究了典型双闭环直流调速系统的数学模型，学习并掌握运用了MATLAB/Simulink仿真软件。由于本课题研究的基础是电力拖动、自动控制系统有关方面的知识，通过本设计我对自动控制系统的动、静态性能及其控制有了进一步的认识。

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