自动控制系统双闭环直流调速系统稳态结构解读

目录引言 (2)1设计目的 (3)2直流调速系统的理论设计 (3)2.1 系统组成及要求 (3)2.2 电流调节器设计 (4)2.3 转速调节器设计 (7)3系统仿真 (10)4结论 (12)5心得体会 (13)6参考文献 (13)引言本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

转速、电流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, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

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。

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。

1设计目的1进一步对自动控制系统这门学科进行理解。

2掌握双闭环直流调速系统的设计过程。

3体会参数设计的过程。

2 直流调速系统的理论设计2.1系统组成及要求本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图图1，双闭环直流调速系统稳态结构图图2和动态结构框图图3如下所示。

图1双环调直流速系统原理图图2双闭环直流调速系统稳态结构图图3双闭环直流调速系统动态结构框图某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采取三相桥式电路，基本数据如下： 直流电机220V ，136A ，1460r/min ，rV C e m in/132.0⋅=，允许过载倍数5.1=λ；晶闸管装置放大倍数s k =40； 电枢回路总电阻R=0.5Ω；时间常数s T l 03.0=，sT m 18.0=；电流反馈系数A V /05.0=β(NI V 5.1/10≈)，转速反馈系数()N n V r V /10m in/007.0≈⋅=α。

设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量%5≤σ；设计转速调节器，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量%10≤σ，并校验转速超调量的要求是否得到满足；2.2电流调节器设计2.2.1.确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数s T 三相桥式电路的平均失控时间s T s 0017.0=； （2）电流滤波时间常数oi T 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平波头，应该有ms T oi 33.3)2~1(=,因此取s T oi 002.0=；（3）电流环小时间常数i T ∑ 按小时间常数近似处理，取s T T T oi s i 0037.0=+=∑。

2.2.2选择电流调节器结构根据设计要求：%5≤i σ，并保证无静差，可按典型I 型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为()()ss K s W i i i ACR ττ1+=，检查对电源电压的抗扰性能：11.80037.003.0==∑ss T T i l ，参照表1的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

表1 典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(已选定的参数关系KT=0.5)221T T T T m ==51 101 201 301%100max⨯∆bC C55.5% 33.2% 18.5% 12.9T t m2.83.4 3.84.0T t v14.7 21.7 28.7 30.42.2.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：s T l i 03.0==τ；电流开环增益：要求%5≤i σ，按表2，应取5.0=∑i I T K ，因此11.1350037.05.05.0-∑===s sT K i I ， 于是电流调节器ACR 的比例系数为013.105.0405.003.01.135=⨯⨯⨯==βτs i I i K R K K表2典型I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比ξ 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量δ 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间tr ∞ 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间tp ∞ 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相对稳定裕度γ76.3° 69.9° 65.5° 59.2° 51.8° 截止频率ωc 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T2.2.4校验近似条件电流环截止频率 11.135-==s K I ci ω （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件ci S s sT ω>=⨯=-11960017.03131 满足近似条件。

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件lm ci T T 13≥ω ， ci l m s ss T T ω<=⨯⨯=-182.4003.018.01313满足近似条件。

（3） 电流环小时间常数近似处理条件oim ci T T 131≤ωci oi S s s s T T ω>=⨯=-18.180002.00017.0131131满足近似条件。

2.2.5计算调节器电阻电容如图4，按所用运算放大器取KΩ=400R ,各电阻和电容值为KΩ=Ω⨯==52.4040013.10K R K R i i ,取KΩ40F F F R C iii μτ75.01075.0104003.063=⨯=⨯==-，取F μ75.0 F F F R T C oi oi μ2.0102.01040002.044630=⨯=⨯⨯==-，取F μ2.0 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4<=i σ（见表2），满足设计要求。

图4 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器2.3转速调节器设计2.3.1确定时间常数 （1） 电流环等效时间常数IK 1，已知5.0=∑i I T K ，则 s s T K i I0074.00037.0221=⨯==∑ （2） 转速滤波时间常数on T ：根据所用测速发电机纹波情况，取s T on 01.0=。

（3） 转速环小时间常数n T ∑：按小时间常数近似处理，取s s s T K T on In 0174.001.00074.01=+=+=∑ 2.3.2选择转速调节器结构按设计要求转速无静差，转速调节器应含有积分环节；又根据动态设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为ss K s W n n n ASR ττ)1()(+=2.3.3计算转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则转速调节器ASR 的超前时间常数为s s hT n n 087.00174.05=⨯==∑τ 转速开环增益为2122224.3960174.052621--∑=⨯⨯=+=s s T h h K n N 所以转速调节器的比例系数为7.110174.05.0007.05218.0132.005.062)1(=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=∑n m e n RT h T C h K αβ2.3.4校验近似条件 转速环截止频率为1115.34087.04.396--=⨯===s s K K n N Ncn τωω1）电流环传递函数简化条件为iIcn T K ∑≤31ω cn i I s s T K ω>==--∑117.630037.01.1353131，满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为onIcn T K 31≤ω， 由于cn on I s s T K ω>==--117.3801.01.1353131，满足近似条件。

2.3.5计算调节器电阻和电容根据图5，取KΩ=40R，则KΩ=Ω⨯==468407.11KRKRnn，取KΩ470；FFFRCnnnμτ185.010185.010470087.063=⨯=⨯==-，取Fμ2.0；FFFRTC ononμ1101104001.04463=⨯=⨯⨯==-，取Fμ1图5 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.3.6校核转速超调量当h=5时，由表3查得，%6.37=nσ，不能满足设计要求。

实际上，由于表3是线性系统计算的，而突出阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量，当h=5时，由表4查得%2.81/max=∆bCC代入公式，可得mnNbbbn TnTnZCCnnCC*max*max))((2)(∑∆-∆=∆∆=λσ%10%31.818.00174.01460132.05.01365.1%2.812<=⨯⨯⨯⨯⨯=能满足设计要求。

表3 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h 3 4 5 6 7 8 9 10t r/ T t s/ Tk 52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201 表4典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h 3 4 5 6 7 8 9 10C max/C b t m/ Tt v/ T 72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.853 系统仿真使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究，根据实验原理图在Matlab 软件环境下查找器件、连线，接成图6和图7所示的线路图。

具体步骤：a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的new model，创建一个文件头为的新文件。

b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。

根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图如下：图6 MATLAB中电流环的仿真模型图7MATLAB中转速环的仿真模型运行之后，分别得到如下波形图9和图10图9电流环的仿真结果图10转速环空载起动的仿真结果从图9图10 的仿真结果分析可知与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。