电力拖动实验

滨江学院电机与拖动控制综合实验报告题目转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真院系滨江学院自动控制系专业电气工程与自动化班级10电气3班小组成员20102340913 胡铖铖（搜集资料）20102340929 徐晓娜（整理论文）20102340934 叶春云（绘图）20102340936 张艳（计算）指导教师曹永娟二Ｏ一三年十月十日目录一.引言 (4)二.转速电流双闭环控制的直流调速系统的原理 (4)2.1系统组成 (4)2.2基本原理 (6)2.3系统组成及基本参数 (7)2.4电流调节器设计 (7)2.5转速调节器设计 (8)三.仿真过程 (8)3.1仿真结构图 (8)3.2设定模型仿真参数 (9)3.3具体步骤 (9)3.4所用元器件及参数设置 (10)3.5仿真结果 (16)四.仿真分析 (16)五.总结 (17)六.参考文献 (18)转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真摘要：本文主要分析了直流调速转速电流双闭环控制系统在使用Matlab软件的帮助下的工作过程，了解转速调节器和电流调节器对速度控制而产生输出限幅与转速超调的问题，并给出相应的解决方案。

建立了直流电机转速和电流双闭环控制的调速系统模型，在Matlab软件中设置参数，仿真算法和时间，从而运行出仿真模型的波形图，得出系统的动态特性和静态特性。

关键词：双闭环控制的直流调速系统、调节器、Matlab一、引言直流调速是现代电力电子拖动自动控制系统中发展较早的技术，尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术技术越趋成熟，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。

而直流调速系统具有调速广泛、方便、性能好、稳定性好和精度高的特点，在实际的生活中得到广泛的应用。

开环直流调速系统本身存在缺陷而不能满足实际生产过程中的要求，在应用中多用传统的PID控制技术来满足需求，但传统PID控制技术又受电动机负载、转速等等因素的影响，难以满足现代对精确度的要求，所以将模糊控制与传统的PID控制结合可以起到满意的控制效果，在此基础上提出自调整因子 模糊控制器，根据控制的误差值，通过适当的调节规则来调整一些控制参数值，从而用于高精度直流调速系统中，具有响应快、超速小，对系统参数及结构变化适应性强的优点。

实际上，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，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

在当今社会，仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，采用工程设计方法对双闭环系统进行合理的设计，并选择了转速调节器，电流调节器以及对它进行参数的计算，分析，得出了系统的的稳态以及动态结构图，并由此建立起了基于跟随性和抗干扰性的Matlab的仿真模型。

最后分析了仿真波形，并进行了合理的调试，规划结构，反复试凑以解决系统的稳、准、快和抗干扰等各方面的矛盾，达到建立更简便实用的工程设计方法的可能！二、转速电流双闭环控制的直流调速系统的原理2.1系统的组成转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。

为了实现在允许条件下的最快启动，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，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。

故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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1所示。

图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

1、转速调节器(ASR)图2.1 转速调节器(ASR)2、电流调节器(ACR)图2.2 电流调节器(ACR)2.2基本原理为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1所示。

图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

图中还标出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，调速系统原理见图 1 所示。

图1 转速、电流双闭坏调速系统原理图WASR(S) 和WACR(S) 分别表示转速和电流调节器的传递函图2 双闭环调整系统动态结构图其中，转速和电流两个调节器的作用：转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为1．转速调节器的作用：1）使转速n跟随给定电压Un*变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。

2．电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压Un*变化；4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。

如果故障消失，系统能够自动恢复正常。

2.3系统组成及基本参数系统组成：交流电源、晶闸管整流电路、移相控制环节和直流电动机等环节系统参数：电动机：V U nom 220=、A I nom 136=、rpm n nom 1460=、4极、0.21a R =Ω、G 2D =22.52N m ∙、励磁电压220f U V =、励磁电流 1.5f I A =采用三相桥式整流电路，整流器内阻1.3rec R =Ω；平波电抗器200p L mH =。

设计指标为电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%10≤n σ，允许过载倍数5.1=λ；取电流反馈滤波时间常数： s T oi 002.0=，转速电流反馈滤波时间常数： s T on 01.0=；取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V ；输出限幅值为10V ，额定转速时转速给定*10n U V =2.4电流调节器设计 电流反馈系数为：*100.051.5136im nom U I βλ===⨯ 电动机转矩时间常数为：223.53 2.850.1613753759.550.132m e m GD R T s C C ∑⨯===⨯⨯ 电动机电磁时间常数为：31(20016)100.0762.85L T s s R -∑∑+⨯=== 三相晶闸管整流电流平均失控时间为: s T =0.0017s电流环的小时间常数为：0.00170.0020.0037s oi T T T s ∑=+=+=根据电流超调量%5%≤i σ的要求，电流环按典型Ⅰ型设计，电流调节器选用PI 调节器，电流环的控制对象是双惯性型的，传递函数可以写成： 11()i ACR Pi i i i s W S K K K s ττI +=+= 其中：i τ= 1T =0.076s查表知，可选择0.707ξ=，0.5i I k k ε=，则12I ci ik w T ε==，再由公式推导得 0.076 2.85 2.84220.00370.27237.84i i i s R K T K τβ∑∑⨯===⨯⨯⨯ 0.0760.02682.84ii i K K τI ===2.5转速调节器设计 转速反馈系数为：*10min 1500nom nom U V n α==∙/r =0.00667 min V ∙/r 转速调节器的参数包括 K n 和 τn ，为加快转速的调节速度，转速环按典型Ⅱ型系统设计，并选中频段宽度h=5，转速调节器传递函数为11()n ASR Pn n n n sW S K K K sττI +=+=其中(2)5(20.00370.01)0.087n n i on hT h T T s s τ∑∑==+=⨯⨯+=按照典型Ⅱ型系统的参数关系，有n n ∑=hT τ，2n221∑+=T h h K n ，因此(1)60.2720.132.16110.492250.00672.850.0174e m n n hC T K h RT βα∑+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯ 0.0870.008310.48nn n K K τI ===三、仿真过程3.1仿真结构图图3 转速电流双闭环直流调速系统结构图根据实验原理图在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。

3.2设定模型仿真参数仿真算法采用ode15，仿真时间0.00003s。

3.3具体步骤1、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里点击，创建一个文件头为的新文件。

2、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。

如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。

3.4所用元器件及其参数设置1、GROUND(output) 点击找到2、三相交流电源Ua、Ub、Uc设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。

3、Voltage Measurement（电压测量表）m1、m2、m34、Constent（信号发生器）输入一个信号，参数值各不一样，以一种情况为例。

5、Synchronized 6-pulse generator同步6脉冲触发器，由Fcn将ACR输出转换成脉冲控制角α。

而输入端Block 用于控制触发脉冲的输出，在该端置“0”，则有脉冲输出；如果设置为“1”，则没有脉冲输出，整流器也不会工作。

6、Universal Bridge7、DC Machine（直流电动机）F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。