基于MatlabSimulink双闭环调速系统设计及仿真
双闭环直流调速控制系统MATLAB／Simulink建模与仿真
双闭环直流调速控制系统MATLAB／Simulink建模与仿真文章针对传统PID直流电机调速系统转速超调量过高、调节时间不理想的问题，设计了一种双闭环直流电机调速控制系统。
建立了双闭环直流电机调速系统的数学模型，并对控制器参数进行了整定。
建立了系统Simulink模型并进行仿真，分析了系统在启动过程中的动态特性。
实验结果表明，相较于传统PID 直流电机调速控制系统，本双闭环直流调速控制系统可以消除超调量、有效缩短系统调节时间，具有更好的静态和动态性能。
标签：双闭环；直流调速；Simulink建模；仿真分析随着电机控制技术的不断发展，工业上对于电机的使用频率及动态性能的要求不断提高，直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一[1]。
传统PID直流调速控制系统存在超调量过高、调节时间缓慢等问题，导致系统的动态性能不理想，在一些对于工艺要求精准的情况下无法满足系统动态指标的要求。
如何解决控制系统中稳、快、准等各方面性能制约，以达到对于转速、电流控制指标的要求，始终是一个重要的讨论课题[2]。
文章针对上述问题，设计了一种双闭环直流调速控制系统，在传统PID直流调速系统的基础上，引入了电流调节器，以改善系统输出转速的动态性能，相对于传统PID调速系统，本系统有效降低了直流电机输出转速的超调量，明显提高了系统的静态和动态指标，具有更好的系统性能。
1 双闭环直流调速系统结构设计直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一，随着工业控制技术的不断发展，工程上对于直流电机调速系统的稳、准、快性能指标有了越来越苛刻的要求[3]。
双闭环控制系统是一种常用的复杂控制系统，是改善过程控制系统品质的一种有效方式，并在实际工程中得到了广泛应用[4]。
文章所设计双闭环调速系统结构如图1所示，从闭环结构上看，双闭环控制系统由两个负反馈闭环结构组成，电流调节器在里面（电流环）；转速调节器在外边，（速度环）。
为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，电流调节器ACR（Current Regulator）和转速调节器ASR（Speed Regulator），两者之间实行串级连接，其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器ACR的输出去控制晶闸管装置。
基于MATLAB的双闭环直流调速系统建模与仿真
第36卷第2期2016年5月桂林理工大学学报Journal of Guilin University of TechnologyVol . 36 No . 2 May 2016文章编号：1674 -9057(2016)02 -0378 -05doi ：10. 3969/j . issn . 1674 -9057. 2016. 02. 032基于MATLAB 的双闭环直流调速系统建模与仿真刘胜前，张烈平，孙旋，钟志贤(桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林541004)摘要：结合转速、电流双闭环直流调速系统的系统结构和电路组成，使用仿真软件Simulink 对双闭环直 流调速系统电流环进行建模仿真。
结果表明：阻尼系数越大，超调量越大，上升时间越短，当阻尼系数为0.5时，电流环性能达到最优。
在电流环性能最优时：空载运行条件下，系统稳定转速随给定电压变小而 变小；额定负载条件下，通过较长上升时间，达到额定转速。
抗扰性检验表明，该系统抗扰性较强。
关键词：负反馈；双闭环；直流调速系统；Simulink中图分类号：TP 273文献标志码：A在生产和生活中，各种电机的快速起动、制动 事关工业生产效率和人们的生活质量，基于电力电 子技术的不断发展，对于调速系统的起动时间、制动响应等性能指标要求也越来越高。
由于直流调 速系统技术比较成熟，多年以来一直是自动调速系 统的主要形式，普遍应用于冶金、地质、土建、轻 工业等领域[1]。
相比开环调速系统，闭环调速系 统的各项性能指标更优[2]。
如果对于系统的动态 性能要求较高，要求系统可以快速的起、制动，尤 其是在突然施加负载的情况下，速降很小，那么就 需要应用转速、电流双闭环直流调速系统[3]。
1双闭环直流调速系统的数学建模选取整流装置采用三相桥式电路由晶闸管供电的双闭环调速系统，基本参数如下：直流电动 机，220 V ，120 A , 1 000 r /min ，允许过载倍数 A = 1.4;晶闸管放大系数& =30;电枢回路总电阻只 =0.4 11;时间常数 L =0.023 s ，r m =0.2 s ，转速 滤波环节时间常数7^取〇.〇1 S。
基于simulink的直流双闭环调速系统设计与仿真
、基于matlab的直流双闭环调速系统设计与仿真前言在直流双闭环调速系统设计中，在理论设计基础上根据实际系统运行情况作参数的调整是系统设计调试过程必不可少的一部分。
原因在于系统的实际参数，往往与理论设计时所用的值有一定的误差，而且系统某些环节非线性因素影响会使系统在理论设计参数后并不能立即获得理想的调速性能，因此需要通过调试过程才能获得理想性能。
传统的调试方法不仅增加系统的设计与调试强度而且不易产生预期结果。
matlab/simulink仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具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，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性。
而且可以非常方便地完成调试过程且能十分直观地得到系统输出波形。
利用matlab/simulink仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。
本文利用matlab仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来指导实际系统的设计。
直流调速系统的理论设计1.1 系统组成及要求本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图1 所示，系统参数如下：电动机：V U N 220=；A I N 136=；rpm n N 1460=；rpm v C e /132.0=； 允许过载倍数： 5.1=λ；三相桥式整流装置放大倍数：40=s K ；电枢回路总电阻： Ω=∑5.0R ；时间常数： s T l 03.0=；ss T m 18.0=，电流反馈系数：A V /05.0=β； 转速反馈系数：rpm V /07.0=α。
基于MatlabSimulink双闭环调速系统设计及仿真
图５转速环的阶跃扰动响应曲线
４结 论
本文通过直流电机转速、电流双闭环调速系统
采用最平幅频法设计双闭环调速系统的电流调节器提出了具体的设计方法和步骤并通过大量的计算得出了一系列通用设计公式为了使设计人员设计简便还运用数学工具给出了设计图表最后与工程设计法设计的系统性能指标进行了对比结果表明该文的设计方法性能指标好
第２５卷第３期 ２００７年０５月
佳木斯大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ｔｏ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｎｌｉｎｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｕｌｅｒ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉＳ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ
ｍｅａｎｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＳｍｍＵＮＫ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｇｉｃ ｔｏｏｌｂｏｘ．
删Ｘ／ａｎｇ—ｄｏｎ９１，ＣＺ弘ＵＶＧ Ｊｉａｎ９１”，２Ｚ已批Ｃｈｏｎｇ—ｈｕｉ３，Ｗ－批Ｓｈｕ—ｙｕｎ２’４
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆａｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｍｕｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｍｕｓｌ １５４００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｅｈａｎｉｍｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＥｎＣｎｅａ－ｉｒｇ．
数学模型，对电流调节器和转速调节器进行的设
计，选择了调节器的类型，给出了系统动态结构图
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真直流电机双闭环调速系统是一种常见的控制系统，常用于工业生产中对电机速度的精确控制。
本文将基于MATLAB软件进行直流电机双闭环调速系统的设计与仿真，包括系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等方面。
文章将以1200字以上的篇幅进行详细阐述。
一、系统设计直流电机双闭环调速系统由速度环和电流环构成。
速度环控制系统的输入为速度设定值和电机实际速度，输出为电机期望电压；电流环控制系统的输入为速度环输出的电压和电机实际电流，输出为电机实际电压。
通过控制电机的期望电压和实际电压，达到对电机速度的调控。
二、参数设置在进行系统仿真之前，需要确定系统中各个参数的值。
包括电机的额定转矩、额定电压、电感、电阻等参数，以及控制环节的比例增益、积分增益、微分增益等参数。
这些参数的选择会影响系统的稳定性和动态性能，需要根据实际情况进行调整。
三、控制策略选择常见的控制策略包括PID控制、PI控制、PD控制等。
在直流电机双闭环调速系统中，可以选择PID控制策略。
PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节组成，可以提高系统的稳定性和响应速度。
四、系统仿真在MATLAB中进行直流电机双闭环调速系统的仿真，可以使用Simulink模块进行搭建。
根据系统设计和参数设置，搭建速度环和电流环的控制器，连接电机实际速度和电机实际电流的反馈信号，输入速度设定值和电机期望电流，输出电机期望电压。
通过仿真可以得到系统的动态响应曲线，评估系统的性能。
五、性能分析在仿真结果中，可以分析系统的静态误差、超调量、调整时间等指标，评估系统的控制性能。
通过参数调整和控制策略更改等方式，可以优化系统的控制性能，使系统达到更好的调速效果。
总结：本文基于MATLAB软件对直流电机双闭环调速系统进行了设计与仿真。
通过系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等步骤，可以得到直流电机双闭环调速系统的动态响应曲线，并通过参数调整和控制策略更改等方式，优化系统的控制性能。
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真1 计算电流和转速反馈系数β=U im∗dm=10V=1.25Ωα=U nm∗=10=0.02V∙min/r2 按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果根据设计的一般原则“先内环后外环”，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。
电流调节器设计分为以下几个步骤：a 电流环结构图的简化1）忽略反电动势的动态影响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∆E ≈0。
这时，电流环如下图所示。
2） 等效成单位负反馈系统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U *i (s ) /β ，则电流环便等效成单位负反馈系统。
3） 小惯性环节近似处理由于T s 和 T 0i 一般都比T l 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T ∑i = T s + T oi 简化的近似条件为ois ci 131T T ≤ω电流环结构图最终简化成图。
b 电流调节器结构的选择 1) 典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。
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，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，应选用典型I 型系统 2) 电流调节器选择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ss K s W i i i ACR )1()(ττ+=K i — 电流调节器的比例系数；τi — 电流调节器的超前时间常数3) 校正后电流环的结构和特性为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图a 所示的典型形式，其中a) 动态结构图:b) 开环对数幅频特性c. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数有：K i 和 τi ，其msT l8i==τRK K K i siI τβ=中 τi 已选定，剩下的只有比例系数 K i ， 可根据所需要的动态性能指标选取。
基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计与仿真分析
基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计与仿真分析张厚升;李素玲;于兰兰;邢雪宁;季画【摘要】The structure of speed and current double closed loop DC motor control system and its working principle are analyzed in this paper .The mathematical model of DC motor control system is established ,and a speed and current double closed loop DC motor control system is designed based on engineering design methods .Its simulation model is established with MATLAB/Simu-link ,the corresponding simulation waveforms are obtained and its starting process is analyzed based on the simulation results .%根据转速、电流双闭环直流调速系统的工作原理建立了其数学模型，按照工程化的设计方法和设计要求，设计了一个转速、电流双闭环控制的直流调速系统。
采用MATLAB/Simulink构建了仿真模型，并通过仿真结果分析了其起动过程。
【期刊名称】《山东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】5页(P49-53)【关键词】转速;电流;双闭环;直流调速系统;仿真【作者】张厚升;李素玲;于兰兰;邢雪宁;季画【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255091【正文语种】中文【中图分类】TP391.9《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》是高校自动化专业非常重要的一门专业课，在自动化专业中有着举足轻重的作用.而转速、电流双闭环直流调速系统又是该门课程的基础内容和重点内容，双闭环调速系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等诸多的优点[1]，在理论方面和实际工程应用方面都是非常成熟的系统.因而只有熟练的掌握它、理解它，才能更好的、深入地学习教材后面的交流调速理论.然而，双闭环直流调速系统的理论分析相对比较抽象，而且不容易理解，如果仅让同学们在试验过程中进行分析、理解，效果不明显.利用MATLAB仿真软件，让同学们在仿真建模与调试分析的过程中，逐步深入的理解双闭环系统的内容，然后再去实验室做实验，则会收到更好的效果.本文旨在通过实例对直流双闭环调速系统进行设计、建模、仿真和分析，做出系统的整个设计过程及仿真图形，让学习者能更加深刻地认识、掌握双闭环直流调速系统，为以后的学习与应用奠定基础.1 双闭环直流调速系统1.1 双闭环系统的组成与工作原理图1给出了转速、电流双闭环直流调速系统的原理电路图[1-3]，图2给出了简化的结构图，在图1中，为转速环的一个给定信号，它一般为一个电压值，Un表示测得的转速的反馈电压，ΔUn为给定电压与转速反馈电压的偏差电压，ASR(automatic speed regulator)表示系统的转速调节器，为ASR的输出并作为下一级ACR(automatic current regulator，电流调节器)的输入给定电压，Ui为测得的电流的反馈信号，ΔUi为电流的偏差电压值，作为ACR的输入，ACR的输出——控制电压Uc作为后级电力电子装置中晶闸管的脉冲触发信号，GT表示晶闸管的脉冲触发装置，TA表示检测电流的电流互感器，TG为系统的测速发电机(含有分压环节)，UPE一般表示电力电子装置，例如三相全控桥式晶闸管整流器.在经过简化以后的结构图2中，电流检测反馈回路与ACR组成一个闭环——称之为电流环，它作为一个内环调节器，电流环的主要作用可以描述为：通过相应的电流检测元件的反馈作用来稳定电枢电流；相应的转速检测反馈环节(常用测速发电机及其分压环节)与ASR组成另一个闭环——称之为转速环，它作为外环内嵌着电流环，电流环的主要作用可以描述为：通过相应的转速检测环节的反馈作用来保持电机转速的稳定，实现转速无静差，因此这种系统称之为转速、电流双闭环直流调速系统.电流调节器ACR和转速调节器ASR均通常都采用带有一定限幅作用的PI(比例积分)调节器[4].图1 转速、电流双闭环直流调速系统的电路原理图图2 双闭环调速系统的简化结构图在双闭环调速系统中，由于ASR和ACR都采用PI调节器，在系统稳定运行时，ACR输入端的偏差电压可以表示为其中系数β为电流反馈系数，当给定电压一定时，在电流环中，因为电流负反馈的及时调节作用，使得整流装置的输出电流一直处在上.同样道理，ASR输入端的偏差电压可以表示为式中系数α为转速反馈系数，当给定电压一定时，电机的转速n也将处在恒定值上.1.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型根据前述双闭环直流调速系统的特点，不难得出双闭环系统的动态结构图，如图3所示，图中WASR(s)为转速调节器的传递函数.为了将电流反馈引出来，在双闭环系统的动态结构图中必须表示出电枢电流Id.一般在实际使用的过程中，都需要在双闭环系统的动态结构图中增设滤波环节，该环节包括：电流滤波环节、转速滤波环节以及两个给定环节的滤波.由于在对双闭环系统的电流进行检测时，检测信号中肯定含有交流分量，因此需要增加低通滤波环节，该环节的传递函数一般可用一个一阶惯性环节来描述，其滤波时常Toi可以按照需要来选定，也即将电流检测信号滤平为准则.由于滤波环节能有效地抑制反馈信号中的交流分量，但也会导致信号的滞后.为了将此滞后作用进行平衡，我们通常在给定信号的通道中增设一个具有相同的时间常数的惯性环节，该环节就称之为给定滤波环节.他的意义可以描述为让反馈信号与给定信号都经过一样的时间延迟，使这两个信号能够在时间上配合恰当，进而可以带来系统设计上的方便.由于采用由测速发电机进行转速反馈，那么在反馈电压中势必会含有电机的换向纹波电压，因此也需要进行滤波，滤波的时常用Ton来表示.道理与电流环一样，在转速的给定环节之后也增设时间常数为Ton的给定滤波环节[1，5].所以，在实际中使用的双闭环调速系统的动态结构图可以描述成如图4所示的形式.图3 双闭环直流调速系统的动态结构图图4 实际使用的双闭环直流调速系统的动态结构图2 双闭环直流调速系统的设计2.1 设计参数与指标欲设计一晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流电路采用三相桥式整流电路，基本设计参数：直流电动机额定参数：Unom=220V，Inom=136A，nnom=1 460r/min，四极，电枢电阻Ra=0.21Ω，飞轮惯量GD2=22.5N·m2，励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A，整流器内阻Rrec=0.5Ω，平波电抗器Ld=20mH.设计指标为：电流的超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%，允许的过载倍数λ=1.5，电流反馈滤波时常Toi取为0.002s，转速反馈滤波时常Ton取为0.01s，ACR和ASR的饱和值均取为12V，调节器的输出限幅值均取为10V，额定转速时转速的给定电压取为10V[6].2.2 调节器参数计算(1) ACR的参数计算计算电流反馈系数：计算电机转矩时常：0.161s计算电机电磁时常：0.076s查表可得整流电路平均失控时间：Ts=0.0017s由此可以计算出电流环的小时间常数为T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s依据设计要求，电流超调量σi≤5%，电流环的设计按照典型Ⅰ型系统进行设计[1,5]，ACR选用PI调节器，其传递函数可以表示为式中：τi=Tl=0.0076s(2) ASR的参数计算计算转速反馈系数：为了有效的加快转速的调节速度，转速环的设计按照典型Ⅱ系统进行设计，在此选择中频段的宽度h=5，ASR的传递函数可以表示为式中：τn=hT∑n=h(2T∑i+Ton)=5×(2×0.0037+0.001)=0.087s3 仿真分析3.1 仿真模型的建立根据前文构建的转速、电流双闭环调速系统的动态结构图，在MATLAB/Simulink 中选择相应元器件的仿真模块，并将其连接，便可得到按照传递函数构建的双闭环直流调速系统的仿真模型[6]，如图5(a)所示.仿真模块的各环节参数在图中进行了标注，按照设计要求，调节器的积分环节的限幅值取为±12，调节器的输出限幅值取为±10.3.2 双闭环直流调速系统起动过程仿真分析双闭环的设计能使双闭环直流调速系统获得接近于理想的起动过程，所以在此我们借助于仿真结果着重分析一下双闭环系统的起动过程.图5 仿真模型和参数系统在突然加上给定电压后，系统由静止状态开始起动，相应的转速n、控制电压Uc、转速反馈的电压信号Un、电流反馈的电压信号Ui、电枢电流Id的瞬态过程仿真图如图6所示.在系统的起动过程中，ASR经历了不饱和、饱和以及退饱和三个阶段，因而整个瞬态过程也分成三大段，在图6中分别以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示. (1) 第Ⅰ阶段(0～t1时刻)：称之为电流上升阶段.在系统突加给定电压已后，通过ASR和ACR的控制作用，使Uc、Ud、Id都上升，当电枢电流Id大于等于负载电流IdL后，电机开始转动(此前电机转速n=0)，但是，鉴于直流电机具有的机械惯性作用，转速n不可能很快建立起来，而且它的增长也不会很快，也就是说Un很小，而给定不变，所以转速调节器的输入偏差电压相对较大，因而ASR的输出迅速达到限幅值从而强迫电枢电流Id迅速上升(斜率很大)，当Id≈IdL时，的作用将会使电枢电流Id不再迅速上升，标志着第Ⅰ阶段的结束.在本阶段中，由于转速n的增长是一机械运动过程，它的机电时常较大，因此转速调节器很快由不饱和达到饱和，而电枢电流的上升则是是一电磁过程，其电磁时常相对比较小，因而电流调节器一般不会达到饱和[1，5]，从而可以有效的保证电流环的实时调节作用.图6 转速、电流、反馈电压、反馈电流、电枢电流的瞬态过程仿真图(2) 第Ⅱ阶段(t1～t2时刻)：称之为恒流升速阶段.t1时刻，电枢电流达到最大值Idm，从t1时刻开始，到转速升到给定值n*(即t2时刻)为止，属于恒流升速阶段，是双闭环系统起动过程中最主要的阶段.在本阶段中，转速调节器一直处于饱和状态，转速环相当于开环状态，此时双闭环系统表现为在恒值电压作用下的一个电流闭环调节系统，能够基本保持电枢电流Id的恒定，故双闭环调速系统的加速度相对恒定，转速n也就会呈现线性增长状态.同时，电机的反电动势(E)也会呈现线性增长状态.对电流闭环调节系统来说，该反电动势E就是一个线性增长的扰动量，想要克服该扰动，Ud0和控制电压Uc必须按照线性规律增长，才会保证让电枢电流Id恒定.因为电流调节器采用的是PI调节器，要想使ACR的输出量也按照按线性规律增长，那么它的输入也必须保持恒定，即保证电枢电流Id略低于最大值Idm.另外尚需注意：为了能充分保证电流环的这种调节作用，在系统的起动过程中应该让电流调节器ASR一直处于不饱和状态，同时对于整流装置来说，它的最大电压Udom也需留出一定的余地，即PWM装置也不应处于饱和状态.(3) 第Ⅲ阶段(t2时刻以后)：称之为转速调节阶段.t2时刻，电机的转速已经达到转速给定值n*，转速调节器的给定电压与反馈电压Un相等，输入偏差此刻减小为零，但是，由于积分作用的存在，ASR的输出仍保持在上，因而电机仍然处于加速状态，从而使得转速发生超调.在转速发生超调后，所以ΔUn<0，即偏差电压变为负值，使ASR退饱和，其输出电压也会马上从限幅值上降下来，相应的电枢电流Id也会下降，但是由于Id>IdL，所以在一小段时间里，转速仍然会呈现继续上升的态势，直到Id=IdL时，电磁转矩Te等于负载转矩 TL，则转速的变换率dn/dt=0，此时，转速n将会到达峰值(t=t3时).在此之后，电机开始在负载的阻力下逐渐减速，与此相应，电枢电流Id也出现一小段小于负载电流IdL的过程，直到稳定状态.在这一阶段内，两个调节器都处于不饱和状态，同时起到了调节作用.由于转速环在外，所以转速调节器处于主导地位，而电流调节器的作用是力图使电枢电流Id能够尽快的跟随转速调节器的输出量可以说电流内环就是一个电流随动子系统.4 结束语本文设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统,并建立了仿真模型.在该系统中，ASR和ACR都采用PI调节器，而且都带有限幅作用，可以实现无静差.仿真结果表明，设计的双闭环系统的起动过程和教材中的理论分析结果是一致的，起动过程能够实现三阶段的调节作用，即电流上升、恒流升速和转速调节，仿真模型是可行的、合理的.参考文献:【相关文献】[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].第3版.北京：机械工业出版社, 2012.[2]尚丽,崔鸣,陈杰. 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基于Matlab_Simulink的双闭环直流调速系统的设计_姚建红
文章编号:1008-1402(2006)04-0521-03基于Matlab/Simulink 的双闭环直流调速系统的设计姚建红1, 戴 琳2, 厉立国3(1.大庆石油学院,黑龙江大庆163318;2.大庆油田第一采油厂,黑龙江大庆163000;3.大庆石油管理局供电公司,黑龙江大庆163453) 摘要: 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行辅助设计,选择调节器结构,进行参数计算和近似校验.并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的Matlab/Simulink 仿真模型.分析转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于完善、合理.关键词: 调节器;双闭环直流调速系统;Ma tlab/Simulink 仿真中图分类号: TM33 文献标识码: A 双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统,在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整,运用传统的设计方法工作量大,系统调试困难.本文对双闭环直流调速系统进行辅助设计,选择调节器结构,进行参数计算和近似校验,根据给出和计算出的相应参数,建立Matlab/Simulink 仿真模型,并对转速和电流的波形进行分析.仿真结果证明了该方法的可行性和合理性.1 双闭环直流调速系统的设计根据设计多环控制系统一般原则:从内环开始,一环一环的逐步向外扩展.先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节,再设计转速调节器[1].双闭环调速系统的动态结构如图1所示.图1 双闭环调速系统的动态结构图设计的基本数据如下:晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,直流电动机额定电压220V,额定电流136A,转速1460r/min,C e =0.132Vmin/r,允许过载倍数 =1.5,晶闸管装置的放大系数K s =40,电枢回路总电阻R =0.5 ,时间常数T l =0.03s,T m =0.18s,电流反馈系数 =0.05V/A ,转速反馈系数 =0.007Vmin/r .设计要求为:(1)稳态指标:无静差.(2)动态指标:电流超调量 i 5%;空载起动到额定转速时电流超调量 n % 10%.1.1 电流调节器设计根据设计要求,可按典型 型系统设计,电流调节器选用PI 型,其传递函数为W ACR (s)=K ii s +1 i s(1)式中,ACR 超前时间常数 i =0.03s,比例系数收稿日期:2006-07-17作者简介:姚建红(1971-),女,河南柘城人,大庆石油学院副教授,博士生,主要从事电力电子技术及电气自动化方面的研究.第24卷第4期 佳木斯大学学报(自然科学版) Vol.24No.4 2006 年10月 Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition)Oct. 2006K i =1.013.在设计的过程中,对闸管装置传递函数近似条件、忽略反电动势对电流环影响的条件、小时间常数近似处理条件进行了校验,校验结果满足近似条件[2].1.2 转速调节器设计由于设计要求无静差,转速调节器必须有积分环节,又根据动态要求,应按照典型 型系统设计转速环.故ASR 选用PI 调节器,其传递函数为:W ASR (s)=K n n s +1ns (2)式中,ASR 的超前时间常数 n =0.087s,比例系数K n =11.7.在设计的过程中,对电流环传递函数简化条件、小时间常数近似处理条件进行了校验,校验结果满足近似条件.最后,校核转速超调量满足设计要求.2 仿真及实验结果分析根据图1和计算出的相关参数,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型[3],如图2所示.图2双闭环调速系统的模块图图3 起、制动时转速n (t)波形图图4 起、制动时反馈电流i(t)波形图运行仿真模型,得出在额定转速和空载下,起动、制动时输出转速n(t)和内环反馈电流i(t)的波形图,如图3和图4所示.当突加给定电压时,系统进入起动过程,转速由零迅速增加到最大转速,在系统的调节作用下转速下降至额定转速并继续下降,到达一定值后回升,最终达到额定转速.制动过程与起动过程正好相反.图5 电网电压扰动时转速n (t)波形图当发生电网电压扰动时其过程为:电网电压波动 速度变化 负反馈 速度恢复.在双闭环调速系统中,电网电压扰动施加点在电流闭环之内.由于电流调节器的作用,电网电压扰动不必等到转速变化才调节,而是等电流变化后通过电流环进行调节,因此造成的转速通常不是很明显.这表明,对电网电压,电流环有较强的抗扰能力.其波形如图5和图6所示.负载扰动在电流环之外速度环之内,因此负载522佳木斯大学学报(自然科学版)2006年扰动需要速度环来调节.在突加(减)负载时,必然会引起动态速降(升).为了减少动态速降(升),必须在设计速度环时,要求系统具有较好的抗扰性能指标.对于电流环的设计来说,只需电流环具有良好的跟随性能.其波形如图7和图8所示.图6 电网电压扰动时反馈电流i(t)波形图图7 负载扰动时转速n (t)波形图3 结 论按照工程设计方法设计双闭环调速系统的过程中,由于非线性环节线性化处理、近似处理、降阶处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能要求有差距.从而,仿真出来的波形超调量过大,抗扰性能不是很理想.所以在系统的仿真过程中,必须经过大量的调试,适当的调整参数,才能得出超调量较低,抗扰性能较好的双闭环调速系统.图8 负载扰动时反馈电流i(t)波形图参考文献:[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2000,6,56-59,76-90.[2] 范正翘.电力传动与自动控制系统[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003,8,158-167.[3] 周渊深,宋永英,朱希荣.交直流调速系统与MATLAB 仿真[M ].北京:中国电力出版社,2004,1-5.The Design of Double C lose -loop DC Motor Control SystemBased on Matlab/SimulinkY AO Jian -hong 1, DAI Lin 2, LI Li -guo 3(1.Daqing Petroleum Institute,Daqin g 163318,China;2.Daq ing O il Recovery Plant No.1,Daq ing 163000,China;3.Power Supply Compa -ny of Petroleum Adm inis trative Bu reau,Daqing 163453,China)Abstract: According to engineering design method a double closed-loop DC motor control system was de -signed,a modula tor structure was selec ted and computed,and its parameter was corrected.Then the Matlab model of double closed-loop DC motor control system was built.The speed and current waveform were analyzed carefully.B y trying a great deal of simulation,the DC motor control syste m was made better and more reasonable.Key words: Regulator;double closed-loop DC motor control system;Matlab/Simulink523第4期姚建红,等:基于Matlab/Simulink 的双闭环直流调速系统的设计。
matlab课程设计--基于Matlab的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真
matlab课程设计--基于Matlab 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真班级：自动化12-1班姓名：学号：指导老师：前言MATLAB是一种对技术计算高性能的语言，它集成了计算、可视化和编程于一个易用的环境中。
在此环境下，问题和解答都表达为我们熟悉的数学符号。
典型的应用有：1.数学和计算；2.算法开发；3.建模、模拟和原形化；4.数据分析、探索和可视化；5.科学与工程制图；6.应用开发，包括图形用户界面的建立。
MATLAB在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。
由于信号与系统课程的许多内容都是基于公式演算，而MATLAB借助符号数学工具箱提供的符号运算功能，能基本满足信号与系统课程的需求。
例如解微分方程、傅里叶正反变换、拉普拉斯正反变换和z正反变换等。
MATLAB在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析，主要包括函数波形绘制、函数运算、冲击响应与阶跃响应仿真分析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的S域分析和零极点图绘制等内容。
数值计算仿真分析可以帮助学生更深入地理解理论知识，并为将来使用MATLAB进行信号处理领域的各种分析和实际应用打下基础。
此次课程设计主要是为了进一步熟悉对matlab软件的使用，以及学会利用matlab对直流电机双闭环调速系统这种实际问题进行处理，将理论应用于实际，加深对它的理解。
目录前言第一章Matlab软件简介1.1 Matlab的产生和历史背景 (1)1.2 Matlab的语言特点 (2)第二章系统介绍2.1 设计参数要求 (4)2.2 稳态参数计算 (4)2.3 电流环设计 (5)2.4 转速换设计 (8)第三章仿真调试3.1 仿真结果分析 (11)3.2 转速电流双闭环程序流程框图 (11)3.3 Matlab源程序 (12)第四章总结 (14)参考文献第一章 Matlab软件简介1.1 Matlab的产生和历史背景在20世纪70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。
基于MATLAB_SIMULINK的双闭环直流调速系统仿真
1 1 - 1 = 180 . 8 s , 电流环可以达 3 0 . 001 7 ∃ 0 . 002 到动态给随性能指标为 ! i # 4 . 3 % < 5 %。 2 . 2 转速环的设计 ( 1 ) 时间常数的确定 转速环小时间常数近似处理取 1 T % n = + T on = 2T % i + 0 . 02= ( 2 ∃ 0 . 0037 KI + 0 . 02 ) s= 0 . 027 4 s ( 2)转速调节器结构选择和参数计算 因为含有积分环节可按照典型 II 型系统设计 按 照 设 计 要 求 选用 PI 型调 节 器 , 其传 递 函 数 为 K n ( ∃n s + 1) WA SR (S ) = , 按给随和抗干扰性能都比较 ∃ ns 好的原则 , 取 h = 5 , 则 ASR 的超前时间常数为 ∃ n = hT % n = 5 ∃ 0 . 027 4= 0 . 137 s ; 则转速环开环增益为 h+ 1 6 -2 KN = = = 159 . 84 2 2 2 2 s 2h T % n 2∃5 ∃0 . 0274 s ; ASR 比 例 系 数 为 K n = ( h + 1) ∀ C eTm = 2h# RT % n
135. 1 - 1 = 63. 7 s 满足简化条件; 0 . 0037 转 速 环 小 时 间 常 数 近 似 处 理 条 件 为 %cn KI 1 = T on 3 135 . 1 - 1 = 38 . 7 s 满足近似条件; 0 . 01
[ 1]
<
转 速 超 调 量 校 核 , 当 h = 5查 表 得 , !n = 37. 6 % > 10 % 不满足 设计要求。按 A SR 退饱和
利用Matlab仿真平台设计双闭环直流调速系统
1 设计任务及要求1、已知条件：某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V 、136A 、1460r/min ,Ce=0.132 min/r , 允许过载倍数1.5 。
闸管放大系数：Ks=40 。
电枢回路电阻：R 0.5 。
o时间常数：T1=0.03s ，Tm=0.18s 。
电流反馈系数：0.05V/A( 10V/1.5I nom )转速反馈系数：0.007Vmin /r( 10V /n nom)2 、技术要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量i 5% ；空载起动到额定转速时的转速超调量n% 10% 。
3 、设计要求：①简述单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理。
②分析所设计系统的静态性能指标和动态性能指标。
③根据动态性能指标设计校正装置。
④设计出系统的Simulink 仿真模型，验证所设计系统的性能。
⑤给出所设计系统的性能指标：上升时间t r 、超调量p% 、调节时间t s 、最大启动电流Idmax 、稳态误差e ss 。
2 系统的基本结构和工作原理许多生产机械，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。
双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。
双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
具有单闭环不能比拟的优势。
双闭环调速系统的结构示意图如下图1：双闭环调速系统结构原理图如下图2 :渊电源输出*" ---3Hj图2 双闭环调速系统结构原理图触发电踣匸桥-功放rIF1 Io"电源H+II个柠3系统的静态性能和动态性能指标3.1系统的静态性能指标为了分析双闭环调速系统，必须先绘出它的稳态结构框图。
双闭环不可逆直流调速系统课程设计(matlab仿真设计)
双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计(matlab simulink 仿真)前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截止至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值以后，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。
在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。
本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。
主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。
基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计
课程设计说明书N O.1基于MATLA啲双闭环直流电机调速系统仿真学院：信息工程学院班级：11自动化二班姓名：梁玉迪学号：F1156226指导教师：李浚圣沈阳大学课程设计说明书N0.2Id图2双闭环直流调速系统的数学模型2双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机：Un=220V，In=136A，Nn=1460r/min，Ce=0.132V*min/，允许过载倍数：入=1.5晶闸管装置放大系数ks=40电枢电阻：Ra=0.5Q时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s；励磁电压：Uf=220V励磁电流：If=1.5A动态指标： 1.电流超调量S 5%2.空载起动到额定转速时的转速超调量：S % 10%电流反馈系数 B =0.05 V*mi n/r转速反馈系数： a = 0.00667V*mi n/r课程设计说明书N0.4课程设计说明书N0.5 Simuli nk是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
课程设计说明书N0.5图5双闭环直流调速系统的数学模型仿真此环节将控制电压限幅转换成导通角来控制六脉冲触发器，当调节器输出最大限幅值 10v 时，导通角 为0，对应三相全波整流桥输出最大电压加到电动机 电枢。
nriie jf u 图7双闭环直流调速系统模型仿真结果4仿真结果分析双闭环直流调速系统突加给定由静止启动时，转速和电流的仿真波形所示。
启动过 程经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节 阶段。
在双闭环调速系统中，ASR 的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差, ACR 勺作用是过流自动保护和及时抑制电压的波动。
基于matlab／simulink的异步电动机双闭环控制仿真
基于matlab／simulink的异步电动机双闭环控制仿真调压调速是电动机双闭环控制的本质，这种调速方法可实现电动机起动时磁链上升过程更加平滑稳定，其反馈控制可提高系统的抗干扰性能及定位精度。
文章对异步电动机的调速系统进行了研究，使用MATLAB/SIMULINK工具分别对双闭环调速系统进行建模和仿真。
仿真结果表明双闭环调速系统具有良好的动态、静态性能，电机起动过程平稳、动态响应效果好，另外，文章中的一些仿真模块修改后也同样可以用于其它控制系统中，方便、灵活，可移植性较强。
标签：异步电动机；simulink；双闭环控制引言MATLAB是美国Math Works公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，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、界面友好的系统仿真和平台。
MATLAB的推出得到了各个领域的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础[1-3]。
其中Simulink工具箱，不同于其他软件，它具有多种特性，如高度模块化：各个模块具有丰富的功能；可视化：用户能够通过软件直接看到所需控制系统。
可封装：可自行设置各种参数。
用户只需从模块库中选择合适的模块，并组合在一起即可实现系统的仿真，简单易操作[4]。
本文主要简单介绍了如何利用Simulink工具箱来建立异步电动机的双闭环仿真模型的方法和步骤，并对控制系统的动静态特性进行了仿真和分析。
1 双闭环控制系统的基本原理转矩内环的转速控制以及矢量控制的电气原理如图1所示，其中，电流滞环控制型逆变器是电路的主要控制方式。
对于控制电路，矩阵控制的关键在于速度调节器对转矩的控制，速度环的输出前加了转矩内环，与此同时转矩会产生一个反馈信号及时反馈给转速调节器。
电机的定子的控制主要是通过对电路中磁链调节器的控制输出，并對电流和磁链分别施加了控制环节。
磁链调节器和转矩调节器的输出分别是定子电流的转矩分量ist*和励磁分量ism*。
基于Matlab双闭环直流调速系统设计与仿真
τn=hT∑n=5×0.0174=0.087s
KN=
h+1
22
2×h ×T∑n
=
5+1 2×25×0.01742
=396.4
于是，ASR 的比例系数 Kn 计算：
Kn=
(h+1)βCeTm 2hαRT∑n
=11.7
（3）计算转速调节器的电路参数，按所运算放大器,取 R0=40KΩ，各
电阻和电容值计算如下：
出电压 UC 作为触发电路的控制电压（其输出的限幅值 UCM 决定了晶闸
管整流输出电压的最大值）。改变控制电压 UC，就能改变触发器控制角
α 及整流输出电压 Ud0，相应地也就改变了电动机的转速, 达到调速的目
的。
通过原理图我们很容易画出其稳态结构框图，如图 2 所示。
图 2 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α- 转速反馈系数; β- 电流反馈系数
*
β= Un = 10 =0.05 λIN 1.5×136
*
α=
Un n*
=
10 1800
=0.006
Kp=
KCe αKs
= 29.85×0.103 0.006×45
图
过仿真模型的输出我们可以看到，本设计的过程及计算数值均达 到了设计要求，结果很理想，但我们不得不说明一点是，上述结果是在 没有考虑扰动、参数随时间的变化等因素而得到的，如果再进一步考虑 其 他 因 素 ，则 系 统 设 计 必 将 会 得 到 更 加 真 是 真 实 、理 想 的 结 果 ，见 图 4。
科技信息
高校理科研究
基于 Matlab 双闭环直流调速系统设计与仿真
大连海洋大学信息工程学院 马占军
［摘 要］V- M 双闭环直流调速系统是目前应用比较成熟的一种调速系统，通过本次设计，给出一种具体的设计步骤和方法，使之能 够通过本方法对其他的调速系统的设计和计算起到指导性的作用；同时，通过本次设计和仿真方法，达到举一反三的效果。 ［关键词］V- M 系统 调速 仿真
基于Matlab-Simulink仿真的双闭环直流调速系统的(精)
x x 学院学报Journal of xxx College基于Matlab-Simulink仿真的双闭环直流调速系统的设计与研究姓名(xxx大学,江苏,南京210000摘要:根据实际应用要求以及给定参数,对转速、电流双闭环直流调速系统进行设计,计算其控制系统的参数,并通过matlab软件的simnlink,对设计的系统进行仿真,以验证设计的正确性,并分析仿真结果,从而进一步说明双闭环调速系统的可行性与优越性。
对计算过程做了着重重视,详细精炼,可以为高校学生参与调速研究提供细节性的指导。
关键词:双闭环直流调速matlab 仿真中图分类号:TG156文献标志码:DESIGN AND RESEARCH Of DOUBLE-LOOP DC MOTOR SPEED CONTROL SYSTEM BASED ON MATLAB-SIMULINKName(xxx College ,Nanjing 210000,Jiangsu ,ChinaAbstract:According to the practical appliance and the parameters given , make a design of the double-loop DC motor speed control system, calculating the other parameters that are needed in the control system we design .I make a simulation of the control system through Matlab-simulink to ensure the preciseness of it. Besides, there is adeep analyse about the characters of the designed system to account for the feasibility of the double-loop DC motor speed control system,as well as the supriorities of it . I make stronge emphysis on specific calculation of the parameters, it can supply a guide for college student who are in research of the speed control system in details.Key words: double-loop;DC machine speed control ; matlab ;simulation0 引言*直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速,其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位。
机电控制系统——基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计和仿真
《机电控制系统分析与设计》课程大作业一基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：0808108学号：12姓名：林珍坤一、 设计参数转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H 桥PWM 方式驱动。
电机参数：额定功率 200W ； 额定电压 48V ； 额定电流 4A ；额定转速 500r/min ；电枢回路总电阻 R=8Ω； 允许电流过载倍数 λ=2； 电势系数C e =·min/r ； 电磁时刻常数T L =； 机电时刻常数 T m =；电流反馈滤波时刻常数T oi =； 转速反馈滤波时刻常数T on =1ms要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压U *nm =U *im =10V ； 两调节器的输出限幅电压为10V ；PWM 功率变换器的的开关频率f=10kHz ； 放大倍数K=；动态参数设计指标： 稳态无静差；电流超调量i δ≤5%；空载启动到额定转速时的转速超调量δ≤25%； 过渡进程时刻t s =。
二、 设计计算1. 稳态参数计算按照两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速误差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V电流反馈系数；A V A VI U im /25.14210nom *=⨯==λβ转速反馈系数：r V r Vn U nm min/02.0min/50010max *⋅===α2. 电流环设计（1）确按时刻常数电流滤波时刻常数T oi =，按电流环小时刻常数环节的近似处置方式，则s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑（2）选择电流调节器结构电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。
电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为ss K s W i i iACR ττ1)(+= （3）选择调节器参数 超前时刻常数：i τ=T L =电流环超调量为σi ≤5%，电流环开环增益：应取5.0=∑i I T K ，则I K =i T ∑5.0=0003.05.0= 于是，电流调节器比例系数为0.00881666.6717.781.25 4.8i i I s R K K K τβ⨯=⋅=⨯=⨯ （4）查验近似条件电流环截止频率ci ω=I K =1666. 67 1/s1）近似条件1：ci ω ≤sT 31此刻，s T 31=0003.01=>ci ω，知足近似条件。
基于simulink的双闭环直流调速系统设计
基于simulink的双闭环直流调速系统设计摘要：研究了双闭环直流调速系统的结构。
根据系统结构，按照由内到外的顺序分别设计电流调节器和转速调节器。
为使系统无静差，两个调节器均选为PI调节器。
在用simulink仿真的过程中，对调节器参数进行了整定，使系统达到稳定状态。
通过仿真曲线，说明了设计的合理性。
关键词：双闭环直流调速；PI调节器；参数整定；simulink 直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
现在直流调速理论发展得比较成熟，但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度。
本文基于simulink对双闭环直流调速系统进行设计与仿真，合理选择电流调节器和转速调节器的结构，调整调节器的参数，使系统达到设计要求，对电流、转速调节器的参数进行了整定。
本设计是在参数整定的基础上得到仿真曲线，并列出多组数据进行说明。
１.系统设计根据设计多环控制系统的一般原则进行系统设计：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。
先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看做转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。
稳态指标的要求：系统无静差。
动态指标的要求：空载启动到额定转速时的转速超调量σｎ≤１０％，电流超调量σｉ≤５％。
２.双闭环直流调速系统的结构带有电流、转速反馈的双闭环调速系统实属多闭环系统，一般采用由内到外一环包一环的形式，内环为电流环，设有电流调节器ＡＣＲ，外环为转速环，设有转速调节器ＡＳＲ，构成一个完整的闭环系统。
电流环接受速度环的输出作为控制目标，调节电动机的电流以满足既能控制电动机以较快的速度跟踪参考速度，又不至于产生过流现象损坏电动机，这种结构为工程设计以及调试工作带来相当大的方便。
双闭环直流调速系统结构图如图１所示。
图１中，给定电压Ｕ＊ｎ＝１０Ｖ，晶闸管放大系数Ｋｓ＝４０，晶闸管失控时间Ｔｓ＝０．００１７ｓ，电枢回路总电阻Ｒ＝０．５Ω，电磁时间常数Ｔｌ＝０．０３ｓ，机电时间常数Ｔｍ＝０．１８ｓ，电动势常数Ｃｅ＝０．１３２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，转速反馈系数α＝０．００７Ｖ·ｒ／ｍｉｎ，电流反馈系数β＝０．０８３Ｖ·ｒ／ｍｉｎ。
基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真1
基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真课程名称：《运动控制系统》院（部）：电子信息与电气工程学院学生姓名：张光普学号：201002040026专业班级：电气工程及其自动化2010级基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真摘要：本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink 进行直流电动机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真。
最后显示控制系统模型以及仿真结果并加以分析。
关键词：转速环；电流环；调节器；Simulink一转速、电流双闭环控制系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。
这种理想的起动过程如图1所示。
图1 转速调节系统理想起动过程为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。
根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。
因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。
这里实际提到了两个控制阶段。
起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。
如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。
如图2所示。
图2 双闭环直流调速控制系统原理图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。
如图3所示。
图3 双闭环直流调速系统动态结构图在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。
因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数oi T 按需要而定。
滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。
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①收稿日期：２００７—０２一１９ 作者简介：杨怀林（１９６７一）。男．江苏淮安人。江苏财经职业技术学院讲师．
万方数据
３４０
佳木斯大学学报（自然科学版）
２００７年
００３６７ｓ，电枢回路的电磁时间常数ｒ，＝去＝ｏ．０３ｓ
２．１．２ 确定电流调节器结构和参数 根据性能指标要求吼≤５％，且Ｔ。／ｒＰ；＝
３４１
统仿真、建模和分析的软件包，ＳｉＩＩｌｕｌｉｎｋ为用户提 供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台．只需 根据所建立的数学模型，从Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块库中选取 合适的模块组合在一起，并根据一些具体要求设置 好各模块参数即可进行仿真．
根据图２和上面计算出的相关参数，建立双闭 环直流调速系统的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ动态仿真模型，
过程中经历电流上升、恒流升速、转速调节这三个 阶段，概括起来有三点：（１）转速调节器ＡＳＲ从起
动到稳速运行经历了两个状态，即饱和限幅输出和 线性调节状态．（２）电流调节器ＡＣＲ从起动到稳速 运行只工作在一种状态，即线性调节状态．（３）如图 ４所示，电动机的起动特性已经比较接近理想特 性，说明该系统的设计对于起动特性来说已经达到 预期的要求，有着饱和非线性控制、时间最优控制 和转速超调的特点．
数关系，转速环开环放大系数：
商＝万ｈ瓦＋ｌ＝３９９．１ｓ一１
则ＡＳＲ的比例放大系数为：
繇ｒ以Ｌ（ｈ＋１）阢％
～ ， ２
孺
２
２ｈａＲＴ∑。’
３ Ｍａｄａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真
３．１系统起动过程的仿真 ３．１．１构建仿真模型
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是ＭＡＴＬＡＢ的一个用来进行动态系
万方数据
第３期
杨怀林：基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ双闭环调速系统设计及仿真
１双闭环调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电 流，二者之间实行串联连接．把转速调节器ＡＳＲ的 输出当作电流调节器ＡＣＲ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ＧＴ，ＴＡ 为电流传感器，ＴＧ为测速发电机．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 边，叫做外环，这样就形了转速、电流双闭环调速系 统．如图ｌ所示．
［３］姚建红，等．基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ双闭环调速系统设计［Ｊ］佳 木斯大学学报（自然科学版），２００６。（４）．
［４］张传伟，等．直流电机双闭环词速系统仿真研究［Ｊ］．机床与液 压．２００５．２．
［５］王立红，等．基于ＭＡＴＬＡＢ直流调速系统设计与仿真［Ｊ］．辽宁 工学院学报，２００４．２．
从图４输出转速／７，和电流，的波形可看出，起 动电流最初上升迅速但超调量较小，当电机被起动 后它很快又返回并保持为额定电流，满足电机要 求．转速在起动电流的作用下平滑上升至电机额定 转速稳定运行。其超调量亦非常小．在对系统的抗
图５转速环的阶跃扰动响应曲线
４结 论
本文通过直流电机转速、电流双闭环调速系统
２ｓ～，于是可以求得ＡＣＲ的比例放大系数Ｋ＝
警“０２２
故电流调节器的传递函数
‰㈤＝地哿罟业
经过校验，满足晶闸管整流装置传递函数近似 条件，也满足电流环小时间常数近似处理条件，设 计后电流环可以达到的动态指标盯ｉ＿４．３％≤５％ 满足设计要求．
２．２ 速度调节器的设计
图２ 电流、转速双闭环调速系统的动态结构图
如图３所示． ３．１．２仿真
运行Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型，输出示波器，得出电 流与转速的仿真曲线，如图４所示．
施加阶跃信号，得双闭环调速系统在负载特变 扰动的情况下，转速环的阶跃扰动响应曲线，如图 ５所示．
图３双闭环调速系统的模块图
（ａ）输出电流Ｉ波形图
（ｂ）输出转述ｎ波形图
图４电流与转速的仿真波形图
ｔｏ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｎｌｉｎｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｕｌｅｒ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉＳ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ
ｍｅａｎｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＳｍｍＵＮＫ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｇｉｃ ｔｏｏｌｂｏｘ．
删Ｘ／ａｎｇ—ｄｏｎ９１，ＣＺ弘ＵＶＧ Ｊｉａｎ９１”，２Ｚ已批Ｃｈｏｎｇ—ｈｕｉ３，Ｗ－批Ｓｈｕ—ｙｕｎ２’４
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆａｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｍｕｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｍｕｓｌ １５４００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｅｈａｎｉｍｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＥｎＣｎｅａ－ｉｒｇ．
数学模型，对电流调节器和转速调节器进行的设
计，选择了调节器的类型，给出了系统动态结构图
并进行了仿真和分析．双闭环调速系统是基于“最
短时间控制”原则设计的，在充分发挥电机过载能
力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工
程中有一定的应用价值．
（下转３４８页）
万方数据
３４８
佳木斯大学学报（自然科学版）
关键词： 双闭环调速系统；调节器；Ｍａｆｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真
中图分类号：ＴＰ２７６
文献标识码：Ａ
一些工业设备，如可逆轧钢机、龙门创床等，需 要正、反转运行，要求尽可能地缩短起动、制动过程 的时间，而且要有良好的起动、制动特性．直流电动 机双闭环调速系统具有极好起动、运行和控制性 能，在工业生产特别是冶金工业中运用非常广泛． 直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计 两个调节器．调节器的设计一般包括两个方面：第 一选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足 所需的稳态精度．第二选择调节器的参数，以满足 动态性能指标．本文根据计算调节器的时间常数， 选择调节器的结构，再通过计算确定两个调节器的 参数，最后采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真，得到调速系统 的起动波形和扰动曲线．由仿真结果可以看出，能 够得到比较满意的结果，由此证明系统的可行性， 能实现理想起动．
ｃｏｎｔｒｏｌ；ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵⅢＫ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ
（上接３４１页）
参考文献：
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京航空航天大学出版社，２００２． ［３］薛钧义、武自芳，微机控制系统及其应用［Ｍ］．西安：西安交通
大学出版社。２００３． ［４］刘金琨，先进Ｐ１Ｄ控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：电子工
业出版社。２００８．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ—．ｆｕｚｚｙ．．ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ
３．２仿真结果分析
扰性能进行仿真后，如图５所示，便知这个直流双 闭环调速控制系统抗扰性能比较好．
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得
综上所述，这个调速系统起动特性好、超调量
接近于理想的起动过程，因此，在分析其动态性能 小、抗扰性好，设计比较合理．
时，首先要探讨起动过程：双闭环调速系统突加给
定电压以由静止状态起动时，转速和电流在起动
Ｋ（Ｔｎ￥＋１）
２——矿两万－２—１而丽ｒ １１．７（００８６７ｓ＋１）
１．０１４３９ｓ＋１１．７
经过校验，满足电流环传递函数等效条件，也 能满足转速环小时间常数近似处理条件，转速超调 量ｄ。：８．３％≤１０％满足设计要求，为保证电流 调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性 特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置 不致损坏，在电流调节器与转速调节器的输出端设 置了限幅装置，幅值限制为一５．＋５．
‰（ｓ）：Ｋ掣 成典型Ⅳ型系统，其传递函数为：
式中Ｋ，“分别为转速调节器的比例放大系数和 领先时间常数。取中频宽ｈ＝５，则ＡＳＲ的领先时 间常数：ｒｎ＝＾ｒＦ。＝０．０８６７ｓ，按肘袖准则确定参
电力拖动系统的机电时间常数：
％＝丽ＧＤ瓦２ Ｒ＝ｏ．１８ｓ，则心＝１１．７
则转速调节器的传递函数为：
ｗ删５）２、ｓ一 。
第２５卷第３期 ２００７年０５月
佳木斯大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
文章编号：１００８一１４０２（２０ｃｒ７）０３一∞３９一∞
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
、，０１．２５ Ｎｏ．３
Ｍａｙ
２００７
基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ双闭环调速系统设计及仿真
［６］王卫红，等．ＭＡ＇ＩＴＡＢ在双闭环调速系统教学中的应用［Ｊ］．电 气电子教学学报，２００３．６．
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｌｏｓｅ——ｌｏｏｐ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ‘
ＹＡＮＧＨｕａｉ—Ｚ讥 （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｄｍｉｍｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｉｎａｎｃｅ＆Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｈｕａｉａｎ ２２３００１，Ｃｈｉｎａ）
２００７生
法在被控系统的超调量、调节时间和稳态误差等性 能指标上都强于传统的ＰＩＤ控制方法和模糊控制 方法，因此这种控制方法能够改善控制器对温度的 控制性能．
参考文献： ［１］汤兵勇、路林吉，模糊控制理论与应用技术［Ｍ］．北京：清华大
学出版社。２００２． ［２］张化光、何希勤，模糊自适应控制理论及其应用［Ｍ］．北京：北
转矩电流比：Ｃ。：乳：１．２６Ｎｍ／Ａ
２．２．１ 计算时间常数
电流环等效时间常数：２Ｔ５２。＝０．００７３４ｓ