双闭环直流电机的控制与调速(实物模型)制理论课程设计

智能061双闭环直流电机调速——控制理论课程设计刁义勇2009课程设计任务书课程名称自动控制理论院（系、部、中心）电力工程学院专业智能建筑电气班级起止日期至指导教师图转速、电流双闭环调速原理图图示为转速、电流双闭环调速系统原理图，为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR（均为PI调节器），其输入输出设有限幅电路。

设计内容：1．对直流电机调速系统进行仿真建模；2．分别设计电流环与转速环的PI控制器，控制电机的转速，并利用MATLAB语言仿真，画出转速和电流的动态响应曲线；改变PI控制器的参数，讨论对控制效果的影响；3．静态指标：无静差；动态指标：电流超调量σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕设计任务：1．学习MATLAB语言中有关自动控制系统仿真的内容；2．对直流电机调速系统进行仿真建模；3．分别设计电流环与转速环的PI控制器，控制电机的转速，并利用MATLAB语言仿真，画出转速和电流的动态响应曲线；改变PI控制器的参数，讨论对控制效果的影响；4．静态指标：无静差；动态指标：电流超调量σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。

要求：1、编写设计报告2、编制仿真程序3、分析仿真结果4．主要参考文献1、王划一主编，自动控制原理[M]，北京：国防工业出版社，19812、[美]Katsuhiko Ogata著，现代控制工程[M]，北京：电子工业出版社，20033、赵文峰等编著，控制系统设计与仿真[M]，西安电子科技大学出版社，20024、李先允主编.现代控制理论基础[M]，北京：机械工业出版社，20075、周渊深主编，交直流调速系统与MATLAB仿真,北京：中国电力出版社，20075．课程设计进度安排起止日期工作内容年12月22日～23日12月24日～12月25日年12月26日～年1月1日1月2日布置任务，解释题目，查阅资料数学建模仿真研究，编写报告，答辩6．成绩考核办法平时考核占10%；答辩占30%；报告质量占60%教研室审查意见：教研室主任签字：年月日院（系、部、中心）意见：主管领导签字：年月日一、设计目的1、了解双闭环直流电机调速系统的原理、组成及主要单元部件的功能；2、掌握双闭环直流电机调速系统的调试步骤、方法及参数设定；3、研究PI参数对电机调速的影响；4、通过课程设计，加深和巩固对直流调速及相关课程知识的理解和应用；5、掌握Matlab仿真软件的使用方法。

二、基本思路设计多环控制系统的一般原则是：先从内环开始设计和选择调节器，每一闭环都将内环作为本环的一个环节来设计和选择本环的调节器，直到设计完整个系统。

这种结构为工程设计及调试工作带来了极大的方便。

双闭环调速系统是多闭环控制系统中应用较广的系统。

先从电流环(内环)开始,根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。

然后，把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，再用同样的方法完成转速环设计。

图1-双闭环调速系统的动态结构图。

图1中设置了电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。

由于电流检测信号中常含有交流成分，需加低通滤波,其滤波时间常数Toi按需要而定。

滤波信号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迟。

所以在给定信号通道中加人一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。

由测速发电动机得到的转速反馈电压含有电动机的换向纹波，因此也需要滤波,其时间常数用Ton表示。

三、设计过程（一）电流环的设计电流环的控制对象由电枢回路形成的大惯性环节与晶闸管变流装置、触发装置、电流检测和反馈滤波等一些小惯性环节群组成。

若要系统超调小、跟随性能好为主，可校正成典型工型系统；若要具有较好的抗扰性能为主，则应选择典型Ⅱ型系统。

一般情况下，当控制系统的两个时间常数之比T1/T∑i ≤10时，典型工型系统的恢复时间还是可以接受的,因此,多按典型工型系统设计电流环。

1、电流环结构的简化图的虚框中就是电流环的结构图。

实际系统中，电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比反电势E快得多。

E对电流环来说，是一个变化缓慢的扰动，可以认为E基本不变。

忽略E的影响。

使电流环的结构简化。

见图2图2-电流环结构化简1再将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效地置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。

见图3图3-电流环结构化简2最后考虑反馈滤波时间常数Toi和晶闸管变流装置平均延迟时间常数Ts都比T1小得多，可以当作小惯性环节处理，并取T∑j＝Toi十Ts。

电流环的结构图最终简化如图4，可知电流环控制对象的传递函数中具有两个惯性环节。

图4-电流环结构化简32、电流调节器类型选择及参数计算按典型I型系统设计电流环按典型I型系统设计电流环，调节器的类型应选择PI调节器，其传递函数为(s)=取τ＝T1，电流环的结构图为典型I型系统的型式，一般情况下，δ≤5%时，取Ki·T∑i＝0.5 或ξ＝0.707选择调节器参数。

电流环开环放大系数为==0.5=0.5=可以看出，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率ωci与T∑i的关系满足小惯性群的近似条件心d<<l/T∑i。

3、校验具体计算时必须检验以下条件：1/(3Ts)=3（二）转速环的设计1、电流环的等效闭环传递函数前面已指出，在设计转速调节器时，应把已设计好的电流环看作是转速环中节，因此，需求出电流环的闭环等效传递函数。

电流环的等效传递函数为例来介绍转速环的设计，求得电流环的闭环传递函数为转速环的截止频率一般较低，因此可得：由于T∑i，故有：近似条件为：取整后可得：电流环本来是一个二阶振荡环节，其阻尼比ξ＝0.707，无阻尼自然振荡周期为 1.414T∑i，但是当转速环截止频率较低时，原系统和近似系统只有高频段的一些差别。

于是，电流环的近似等效闭环传递函数为式中2T∑i勺大小，随调节器参数选择方法不同要作相应的变化。

2、转速调节器结构的选择电流环用其等效传递函数代替后，整个转速调节系统的动态结构图如图5所示。

图5 转速环结构图同理，将其等效为单位负反馈的形式，即把给定滤波器和反馈滤波器等效地移到环内，且近似处理为小惯性环节T∑n＝T on＋2T∑i则转速环结构图可以简化成图6所示。

图6-转速环结构图化简可以看出，转速环的控制对象是由一个积分环节和一个小惯性环节组成。

根据调速系统稳态时无静差和动态时有良好的抗扰性能两项要求，在负载扰动点之前必须含有一个积分环节，因此转速环应该按典型Ⅱ型系统设计-实际系统的转速调节器饱和特性会抑制典型Ⅱ型系统的阶跃响应超调量大的问题。

选用PI 调节器可把转速环校正成典型Ⅱ型系统，其传递函数为：(s)=式中Kn一一转速调节器的比例系数；τn一一转速调节器的超前时间常数。

调速系统的开环传递函数为式中=αR/(τnβCeTm)为转速环的开环增益。

不考虑负载扰动时，校正后的转速环结构图如图7。

图7-化简后的转速环结构图3、转速调节器参数的选择转速调节器参数的选择如下：4、校验所得结果应校验以下条件：应当说明，转速环的开环放大倍数KN和转速调节器的参数Kn、和rn，因调速系统的动态指标要求和采用哪种选择参数的方法不同而不同。

如无特殊表示川一般以选，择h=5为好。

四、Matlab建模与仿真（一）仿真结果预计达到的要求静态指标：无静差；动态指标：电流超调量σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。

（二）动态结构图（传递函数）的仿真1、双闭环直流电机调速系统动态结构图的搭接搭接完成的双闭环直流电机调速系统的传递函数图如上2、传递函数中的参数设置传递函数中的各参数如动态结构图中所示。

图-阶跃输入信号的设置：3、动态结构图仿真结果图-电机转速曲线（三）电机模型的仿真1、双闭环直流电机调速系统模型的搭接图-双闭环直流电机调速系统仿真模型图-子模块-三相交流电源图-子模块-6脉冲发生器2、电机模型中的参数设置左图-电流调节器的参数设置右图-转速调节器的参数设置下图-平波电抗器的参数设置右图-直流电机的参数设置下图-OUT1输出信号3、电机模型仿真结果电机转速曲线电枢电流曲线励磁电流曲线输出转矩曲线在Matlab主程序中输入如下程序：Plot(tout, yout)得到给定值、电流、转速对比曲线如右从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。

现做分析如下：第一阶段，启动过程的这一阶段是电流上升阶段。

突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。

第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。

第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。

但是，由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调。

转速超调之后，ASR输人端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进人线性调节阶段，使速度保持恒定。

实际仿真结果基本反映了这一点。

参考文献1、王划一主编，自动控制原理[M]，北京：国防工业出版社，19812、[美]Katsuhiko Ogata著，现代控制工程[M]，北京：电子工业出版社，20033、赵文峰等编著，控制系统设计与仿真[M]，西安电子科技大学出版社，20024、李先允主编.现代控制理论基础[M]，北京：机械工业出版社，20075、周渊深主编，交直流调速系统与MATLAB仿真,北京：中国电力出版社，2007。