双闭环直流调速系统的设计与MATLAP仿真

工业大学本科毕业设计（论文）

第1章 绪论

1.1 课题的背景、目的及意义

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。

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。

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 本课题国内、外研究应用情况

近30年来，电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的，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：

1.2.1 采用新型电力电子器件

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，

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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正在进入电动机控制领域

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 本课题采用的技术方案及技术难点

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 2．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，

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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

[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 本设计的主要研究内容

1.4.1 建立系统的数学模型

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语言中的SIMULINK工具箱对系统进行仿真。

1.4.3 仿真部分

简单介绍MATLAB语言及SIMULINK工具箱，重点运用SIMULINK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。

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第2章 双闭环调速系统的工作原理及数学模型

2.1 数学模型的参数测定

本调速系统的工程设计方案是建立在对典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表基础上的。因此我们需要先对数学模型的参数进行测定。这样，在设计实际系统时,只要根据上述工程设计方法把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算。但参数测定不是本次设计的重点，只作为辅助内容。所以将其提前叙述，使数学模型的阐述部分和工程设计方法部分联系紧密，衔接自然。

2.1.1 测定电枢回路的电磁时间常数TL

2.1.1.1 测定电枢回路总电阻RΣ 通过测定Rn,RD,RP 得到RΣ 其中 Rn—晶闸管等效电阻 RP—平波电抗器等效电阻 RΣ—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。将电枢转动三次，取测量的平均值。应用公式：

RD?UDID

Rp?UpIp?Ud?Id

Rn?

可得计算值： Rn=1.60Ω, RP=0.101Ω RD=1.41Ω 所以有 RΣ=Rn+RP+RD=3.11Ω 2.1.1.2 测定电枢回路的总电感L

L= LP+ LD+ LB 式中 LP—平波电抗器电感

LD—电动机电枢电感

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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)1/2 LS=XS /2πf=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 + LB 计算得L=74.58mH. 综上，有

TL= L/RΣ = 74.58/3.11 =23.98(ms)

2.1.2 测定电力拖动系统机电时间常数Tm

2.1.2.1 测定电动机的Ce 在给定电压下选稳态时实验测量所需数据，因稳态时 而 故

dIddt?0

dIddt?E Ud0?RId?L Ce?En?

Ud0?RIdn

取平均值后代入计算可得Ce?0.129V/rpm

2.1.2.2 测定电动机的飞轮力矩GD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 得 GD2=-375M0 / (dn /dt) ≈375M0 /(?n /?t) (1)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)测dn/dt

测定dn/dt数据, 在示波器上画出n=f(t)曲线, 并转移到坐标纸上。 GD2=375M0Q/(?n/?t)Q=0.5932Kg.m2=5.8132N.m2

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此时有 Tm=RΣGD2/375CeCm

=RΣGD2/(30/ ?)Ce2

=3.11*5.8134/375*(30/3.14)*0.1292 =329.28(ms)

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Ud?f(Uct). 设计时，希望整个调速范围的工作点都落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

Ks??Ud?Uct

经实验测得KS=40.

Ud 调速工作范围 ΔUd ΔUct Uct

图2-1 晶闸管触发与整流的输入—输出特性和KS的测定

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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

生产工艺对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

D?nmaxnmin （2-1）

2.2.1.2 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

s??nnomn0?100% （2-2）

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tr，超调量?，调节时间ts.

2.2.1.4 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?Cmax%，恢复时间tv.

2.2.2 调速系统的两个基本矛盾

在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些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

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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。

Id

Id n n n n Idl Idl 0 t

0 t

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统的启动过程 b) 理想快速启动过程

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。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。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。

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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。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,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,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：

Un*WASR(s)-UnUi*-IdlWACR(s)-UiUctKsUd0TsS?11/RIdTls?1RTms1Cen??

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。从起动时

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间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在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，就是起动过程中转速一定有超调。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2-4知,整个起动过程分为三个阶段：

第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压Un*后,通过两个调节器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，当Id≥IdL后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压△Un=Un*-Un数值较大，其输出很快达到限幅值Uim*，强迫电流Id迅速上升。当Id≈Idm时，Ui≈Uim*，电流调节器的作用使I不再迅猛增长，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II阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。

第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作

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参考文献

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版社，2000：2-3 44-47 214-221 7 张晓华．控制系统数字仿真与CAD．机械工业出版社，1999：43-72 156-160

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/447v.html