双闭环(电流环、转速环)调速系统
双闭环直流调速系统特性与原理
双闭环直流调速系统特性与原理双闭环直流调速系统是一种用于控制直流电动机转速的调速系统。
它由两个闭环控制回路组成，分别是转速外环和电流内环。
其中，转速外环控制直流电机的转速，通过调节电压来控制直流电机的转矩；而电流内环则控制直流电机的电流，通过调节电压来控制直流电机的转矩。
1.稳定性：双闭环控制系统能够有效地控制直流电动机的转速和电流，使其在运行过程中保持稳定的转矩输出。
通过转速外环对转速进行控制，可以实现精确的转速调节；而电流内环则能够控制电机的电流，防止过载和短路等故障。
2.响应速度：双闭环控制系统的转速外环具有较快的响应速度，能够实现快速的转速调节。
而电流内环的响应速度则相对较慢，主要起到电机保护的作用。
3.鲁棒性：双闭环控制系统具有较好的鲁棒性，能够对外部干扰和参数变化具有一定的抗干扰能力。
通过合理的控制策略和参数调整，可以提高系统的鲁棒性。
1.转速外环控制原理：转速外环将输出电压与给定的转速进行比较，得到转速误差，并通过调节电压反馈回内环控制器中。
转速外环控制器通常采用PI控制器，根据转速误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得转速误差趋于零，从而实现对直流电机转速的调节。
2.电流内环控制原理：电流内环控制器将输出电压与给定的电流进行比较，得到电流误差，并通过调节输出电压来控制电流。
电流内环控制器通常也采用PI控制器，根据电流误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得电流误差趋于零，从而实现对直流电机电流的调节。
3.反馈信号处理：双闭环直流调速系统中，转速和电流测量信号需要经过滤波和放大等处理，以便传递给控制器进行计算。
滤波器通常采用低通滤波器，用于去除高频噪声，放大器则用于放大信号强度。
4.控制指令处理：由上位机或人机界面输入的控制指令需要经过处理，包括限幅、线性化等，以确保输入信号符合控制系统的要求。
处理后的指令将送入控制器，进行计算和控制输出电压。
通过双闭环直流调速系统的控制，可以实现对直流电机的转速和电流的精确调节，并具有较好的稳定性、响应速度和鲁棒性，广泛应用于工业自动化领域。
实验二转速电流双闭环直流调速系统
实验二 转速、电流双闭环直流调速系统一、实验目的1．了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成。
2．掌握双闭环直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。
3．测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。
4．了解调节器参数对系统动态性能的影响。
二、实验系统组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。
实际系统的组成如实验图2-1所示。
实验图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统主电路采用三相桥式全控整流电路供电。
系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压*n U 可方便地调节电动机的转速。
速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。
当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出*im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即*n n U U )并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备及仪器1.主控制屏NMCL-322.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组3. NMCL －18挂箱、NMCL-333挂箱及电阻箱4.双踪示波器5.万用表四、实验内容1.调整触发单元并确定其起始移相控制角，检查和调整ASR 、ACR ，整定其输出正负限幅值。
2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α，整定过电流保护动作值。
3.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出)(t f I d =和)(t f n =的波形，并估算系统的动态性能指标（包括跟随性能和抗扰性能）。
转速、电流双闭环直流调速系统
第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性采用PI 调节的单个转速闭环直流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，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。
电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。
在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形示于图2-1b 。
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 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。
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图2-2所示。
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；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，图2-3。
两个调节器的输出都是带限幅+TG nASRACRU*n+ -U nU iU*i+-U cTAM+-U dI dUPE-MT图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机TA —电流互感器 UPE —电力电子变换器内外ni2作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压*im U 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cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。
电流转速双闭环直流调速系统的工作原理
电流转速双闭环直流调速系统的工作原理论文姓名：范洪峰班级：电气111学号：110551032014年9月18日电流转速双闭环直流调速系统的工作原理范洪峰（山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台，264005）摘要：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的无静差，但是对动态性能要求较高的系统，转速闭环系统很难对电流（转矩）进行控制。
电机经常工作在启动、制动、反转等过渡过程中，启动和制动过程的时间在很大程度上决定了电机的效率。
如何缩短这一部分时间，以充分发挥电机的效率，是转速控制系统首先要解决的问题。
直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。
在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
控制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。
关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器Current Speed Working Principle of Doubleclosed-loop dcspeed Regulating System Fan Hongfeng(Shandong province industrial and commercial college of information and electronic engineering institute, Yantai,Shandong province, 264005)Abstract: the speed closed-loop speed control system can guarantee the stability of the system under the premise of implementation speed astatic, but system ofhigh dynamic performance requirements, it is difficult to the current (torque) of theclosed-loop control. Motor often work in the process of starting, braking and reverse transition, in the process of starting and braking time to a great extent, determines the efficiency of the motor. How to shorten this part time, in order to give full play to the efficiency of the motor, speed control system is the problem to be solved in the first place. Dc motor speed controller to choose the speed and current double closed loop speed control circuit. Speed control system in the design of main circuit adopts three-phase fully-controlled bridge rectifier circuit for power supply. Tworegulator set in the control system, adjusting the rotational speed and current respectively, a nested connection between them.Key words: double closed loop; Speed governor; Current regulator1直流调速系统1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
电流转速双闭环直流调速系统的工作原理
电流转速双闭环直流调速系统的工作原理（吴欢欢）（山东工商学院信息与电子工程学院电气122班山东省烟台 264005 ）摘要：在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用。
而采用电流转速双闭环直流调速系统，就可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程。
本次设计主要了解电流转速双闭环直流调速系统的工作原理、系统组成、静态几动态特性。
并绘出工作原理图。
关键词：双闭环控制系统、直流调速系统、ASR、直流电动机。
The working principle of current and speed double closed loop DC speed regulatingsystemWuhuanhuan（Shandong Institute of Business and Technology Yan Tai 264005）ABSTRACT：In industrial production, need to electric drive applications where high performance speed control, DC speed control system plays a very important role. While the current speed double loop speed control system, it can make full use of the overload capacity of a motor to obtain the dynamic process of the fastest. The working principle, the design of the main understanding current speed double loop DC motor control system, the static and dynamic characteristics. And draw the operating system diagram.KEYWORDS：The double closed loop control system、DC speed regulating system、ASR、continuous current motor一、引言直流电机调速，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
双闭环直流调速系统介绍
电流环的设计：采用PI控制器，实现对电机电流的精确控 制。
双闭环调速系统的参数整定：根据系统特性和实际需求，对 速度环和电流环的参数进行整定，以实现最佳的调速性能。
双闭环直流调速 系统的应用
双闭环调速系统在工业控制中的应用
01 电机控制：用于控制电机 的转速、位置和扭矩等参 数，实现精确控制
04
够抵抗各种干扰和故障，保持正常运行
双闭环调速系统的设计步骤
01
确定系统需求：分 析系统需求，确定 调速系统的性能指
标
02
设计调速系统结构： 选择合适的调速系 统结构，如双闭环
调速系统
03
设计控制器：设计 控制器参数，包括 比例、积分、微分
等参数
05
设计驱动电路：设 计驱动电路，包括 功率放大器和驱动
双闭环调速系统的特点
速度闭环控制：通过速度传
感器检测电机转速，实现速
01
度的精确控制
响应速度快：双闭环调速系
统能够快速响应负载变化， 03
提高系统的动态性能
精度高：双闭环调速系统能
够实现高精度的速度和位置 05
控制，满足各种应用需求
位置闭环控制：通过位置传
02 感器检测电机位置，实现位
置的精确控制
双闭环直流调速系统介 绍
演讲人
目录
01. 双闭环直流调速系统的基本 概念
02. 双闭环直流调速系统的设计 03. 双闭环直流调速系统的应用 04. 双闭环直流调速系统的发展
趋势
双闭环直流调速 系统的基本概念
双闭环调速系统的组成
01
速度环：用于控 制电机转速，实
现速度调节
转速﹑电流双闭环直流调速系统
引言目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流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，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重阐明其控制规律﹑性能特点和设计方法，是各种交﹑直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。
直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
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。
在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。
轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。
随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。
从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。
这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。
直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。
在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。
运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统
第3章
转速、电流双闭环直流调速系统
怎样才能做到既存在转速和电流两种负反馈，又使它们 只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环负反
馈直流调速系统正是用来实现上述目标的。在电动机起动时，
让转速调节器饱和，不起作用，电流环调节器起主要作用， 用以调节起动电流并使之保持最大值，使得转速线性变化，
第3章
转速、电流双闭环直流调速系统
图3-5 双闭环直流调速系统的静特性
第3章
转速、电流双闭环直流调速系统
2) 转速调节器不饱和 当转速n达到给定值且略有超调时(即n>n0)，ΔUn=
U*n-Un<0，则转速调节器ASR的输入信号极性发生改变，
ASR退出饱和状态，转速负反馈环节开始起转速调节作用， 最终使转速保持恒定，即ΔUn=U*n-Un=0， n 中的CA段虚线所示。
由于电流不能突变，图3-1(b)的理想波形只能近似得到， 不能完全实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是
在起动过程中要获得一段使电流保持为最大值Idm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。现在的问题是，我们希望能实现这样的控制：
TL↑→n↓→Un↓→ΔUn↑→U*i↑→ΔUi↑
→Uct↑→Ud↑→n↑
最终保持转速稳定。当负载减小，转速上升时，也有类似的
调节过程。
第3章
转速、电流双闭环直流调速系统
3.1.3 双闭环直流调速系统的静特性及其稳态参数计算 分析转速、电流双闭环直流调速系统静特性的关键是掌
握PI调节器的稳态特征。在调速系统稳态运行时，电流调节
转速、电流双闭环直流调速系统解读
的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很
理想地控制电流的动态波形。
解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关
键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的 恒流过程。 为此，
我们希望能够实现如下的控制过程：
1. 起动过程，只有电流负反馈，没有转 速负反馈； 2. 稳态时，只有转速负反馈，没有电流 负反馈。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内、 外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带 电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。
n n0 A n
n0
A
B O Idcr Idbl Id O Inom
B Idm Id
电流截止负反馈调速系统静特性
双闭环调速系统静特性
各变量的稳态工作点和稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调 节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
U U n n n0
* n
Ui* Ui I d I dL
* U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R U ct Ks Ks Ks
怎样才能做到这种既存在转速和电流两 种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段 里起作用呢？
2. 转速、电流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，可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，如下图所示：
3 转速、电流双闭环调速系统的静特性
Ui Id
R
ACR U ct
U*
n
+
ASR U* i
+
Ks
Ud0 + - E
转速电流双闭环直流调速系统设计
转速电流双闭环直流调速系统设计一、引言直流调速系统是控制直流电机转速的一种常用方法。
在实际应用中，为了提高系统性能，通常采用双闭环控制结构，即转速环和电流环。
转速环用于控制电机转速，电流环用于控制电机电流。
本文将对转速、电流双闭环直流调速系统进行详细设计。
二、转速环设计转速环的主要功能是通过控制电机的转矩来实现对转速的精确控制。
转速环设计步骤如下：1.系统建模：根据电机的特性曲线和转矩方程，建立电机数学模型。
通常采用转速-电压模型，即Tm=Kt*Ua-Kv*w。
2.设计转速环控制器：选择适当的控制器类型和参数，比如PID控制器。
根据电机数学模型，可以使用根轨迹法、频域法等进行控制器参数设计。
确定控制器增益Kp、Ki和Kd。
3.闭环仿真：使用仿真软件，进行闭环仿真，验证控制器的性能。
4.实际系统调试：将设计好的转速环控制器实施到实际系统中，进行调试和优化。
根据实际情况对控制器参数进行微调。
三、电流环设计电流环的主要功能是控制电机的电流，以确保电机输出的转矩能够满足转速环的要求。
电流环设计步骤如下：1.系统建模：根据电机的特性曲线和电流方程，建立电机数学模型。
通常采用电流-电压模型，即Ia=(Ua-R*Ia-Ke*w)/L。
2.设计电流环控制器：选择适当的控制器类型和参数，比如PID控制器。
根据电机数学模型，可以使用根轨迹法、频域法等进行控制器参数设计。
确定控制器增益Kp、Ki和Kd。
3.闭环仿真：使用仿真软件，进行闭环仿真，验证控制器的性能。
4.实际系统调试：将设计好的电流环控制器实施到实际系统中，进行调试和优化。
根据实际情况对控制器参数进行微调。
四、双闭环控制系统设计在转速环和电流环都设计好的基础上，将两个闭环控制器连接起来，形成双闭环控制系统。
具体步骤如下：1.控制系统结构设计：将电流环置于转速环的前端，形成串级控制结构。
2.系统建模：将转速环和电流环的数学模型进行串联，建立双闭环控制系统的数学模型。
运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
当U*n一定时，转速n将稳定在U*n /α数值上。当 n<U*n /α，在突加负载TL时，其自动调节过程如下：
TL↑→n↓→Un↓→ΔUn↑→U*i↑→ΔUi↑ →Uct↑→Ud↑→n↑
最终保持转速稳定。当负载减小，转速上升时，也有类似的 调节过程。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
最终使转速保持恒定，即ΔUn=U*n-Un=0，
n
U
* n
,如图3-5
中的CA段虚线所示。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
但是由于转速环是外环，起主导作用，而电流环的作用 只相当于转速环内部的一种扰动作用，因而只要转速环的开 环放大倍数足够大，最终靠ASR的积分作用，可以消除转速 偏差。因此，双闭环系统的稳态特性具有近似理想的“挖土 机特性”(如图3-5中实线所示)。
Un* Un n n0
(3-1)
n
n0
U
* n
(3-2)
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
Ui* Ui I d I dL
(3-3)
Uc
Ud0 Ks
Cen IdR Ks
CeUn* / IdLR
Ks
(3-4)
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
此时，电流
I
d
U
* im
I dm
，Idm为最大电流，是由设
计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许
的最大加速度，一般选择为额定电流IdN的1.5～2倍。 注意，图3-5中的AB段下垂特性只适合于n<n0(n0为电动
双闭环直流调速系统原理介绍
双闭环直流调速系统原理介绍双闭环直流调速系统由两个环路组成，速度环和电流环。
速度环控制电机的速度，使其始终保持在设定值附近，而电流环控制电机的电流，保证电机的负载特性和响应速度。
速度环和电流环是相互独立的控制过程，通过串联连接实现整体调速控制。
速度环负责对电机转速进行调节，基本原理是将实际转速与设定转速进行比较，然后根据差值计算出调节量，最后通过调节电机的输入电压实现转速调节。
速度环的核心是比例-积分（PI）控制器，通过设定合适的比例系数和积分时间，可以实现对转速的精确调节。
速度环还可以加入速度前馈器，将速度设定值的变化率作为额外输入信号，进一步提高系统的响应速度和稳定性。
电流环负责对电机的电流进行调节，保证电机的负载特性和响应速度。
电流环的基本原理是将实际电流与设定电流进行比较，然后根据差值计算出调节量，最后通过调节电机的输入电压或电流实现电流调节。
电流环的核心也是比例-积分（PI）控制器，通过设定合适的比例系数和积分时间，可以实现对电流的精确调节。
电流环还可以加入电流前馈器，将电流设定值的变化率作为额外输入信号，进一步提高系统的响应速度和稳定性。
双闭环直流调速系统中，速度环和电流环之间通过串联连接的方式进行控制。
速度环输出电压指令作为电流环的输入电流设定值，电流环通过调节电机的输入电流实现电流调节。
而电流环输出电压指令作为速度环的输入电压设定值，速度环通过调节电机的输入电压实现转速调节。
通过这种双重反馈的控制方式，可以实现对电机转速和电流的精确控制。
1.精确控制：通过精确的调节速度环和电流环的参数，可以实现对电机转速和电流的精确控制，满足不同工况下的要求。
2.快速响应：双闭环结构可以利用速度环和电流环的双重反馈信息，在系统受到外部扰动时，能够快速调节输出，保持稳定的运行状态。
3.负载适应性：通过电流环的控制，可以根据电机所承受的外部负载变化，自动调整输出电压或电流，保持电机的运行稳定性和性能。
双闭环直流调速系统介绍
双闭环直流调速系统介绍
系统由两个主要的闭环控制回路组成：速度环和电流环。
速度环是系统的外环控制回路，其作用是根据用户对电机转速的需求进行反馈控制。
速度传感器测量电机的转速，并将测量值与设定值进行比较，产生差值作为输入信号。
这个差值通过控制器（通常为PID控制器）进行处理，并输出一个调节信号。
调节信号通过控制执行器（如PWM控制器）调节电机的输入电压或电流，从而控制电机的转速。
速度环的目标是使电机的转速稳定在用户设定的值附近。
电流环是系统的内环控制回路，其作用是根据速度环的输出信号来补偿负载扰动和电机参数变化所引起的转矩变化。
电流环的输入信号为速度环的输出调节信号，通过控制器处理后，输出一个电流指令。
这个电流指令通过控制执行器调节电机的输入电压或电流，从而控制电机的转矩。
电流环的目标是使电机的转矩稳定在速度环要求的范围内。
1.高精度：通过使用两个闭环控制回路，系统能够实现高精度的电机转速调节，并具备对负载扰动和电机参数变化的补偿能力。
2.快速响应：系统使用PID控制器作为控制算法，能够快速响应用户对电机转速的需求。
3.稳定性好：速度环和电流环形成了互补的控制关系，能够保持电机转速和转矩的稳定性。
4.可靠性高：双闭环直流调速系统结构简单，组件少，可靠性较高。
综上所述，双闭环直流调速系统通过使用速度环和电流环两个闭环控制回路，实现对电机转速的高精度控制和负载扰动补偿。
该系统具备精度
高、响应快、稳定性好、可靠性高等优点，广泛应用于各种需要精确电机调速的领域。
第二章转速、电流双闭环直流调速系统
如采用自适应控制、鲁棒控制等策略，提 高系统对负载扰动的抵抗能力。
加入滤波器
优化系统结构
在系统中加入适当的滤波器，以滤除高频 噪声和干扰信号，提高系统稳定性。
通过改进系统结构或采用先进的控制算法 ，提高系统的稳定性和动态性能。
05
双闭环直流调速系统动态性能分 析
动态性能指标评价
跟随性
系统输出跟随输入指令变化的快速性和准确性，通常由上升时间、 超调量和调节时间等指标来评价。
工程整定法
基于经验公式或实验数据，通过 试凑法调整参数，使系统满足性 能指标要求。
解析法
02
03
仿真法
通过建立系统数学模型，利用控 制理论求解满足性能指标的参数 值。
利用计算机仿真技术，模拟系统 实际运行情况，通过调整参数优 化系统性能。
性能指标评价
稳态误差
反映系统稳态精度，要求稳态误差小 于允许值。
为企业带来了显著的经济效益和 市场竞争力提升。
THANKS
感谢观看
解析法
02
通过建立系统数学模型，利用优化算法求解最优参数。
智能优化算法
03
如遗传算法、粒子群算法等，可自动寻优得到最佳参数组合。
性能指标评价
稳态误差
反映系统稳态精度，越小越好。
调节时间
反映系统从扰动发生到重新达到稳态所需的 时间，应尽可能短。
超调量
反映系统动态过程中的最大偏离量，应尽可 能小。
鲁棒性
传统调速系统存在的问题
传统单闭环调速系统存在调速精度低、动态响应慢等问题， 无法满足现代工业生产的需要。
系统设计方案及实施过程
设计方案：采用转速 、电流双闭环控制策 略，其中转速环为外 环，电流环为内环， 通过PI调节器实现对 电机转速和电流的高 精度控制。
转速﹑电流双闭环直流调速系统
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1．转速调节器不饱和
这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知 。这就是说，CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。
图2—1
事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
1）上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。
图2—2
2）超调量
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：
（2—4）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
对于不同的负载电阻L R，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图3-4中实线所示。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
闭环-转速电流双闭环直流调速系统
§2.2 转速、电流双闭环直流调速系统
一、双闭环调速系统的控制规律
转速单闭环系统被调节的是n，检测的误差是n， 要消除的也是扰动对n的影响。故不能控制电流（转 矩）的动态过程。
电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，不 能控制电流保持为某一所需值。
经常正、反转运行的调速系统，希望尽量缩短 启动、制动和反转过渡过程的时间，即要求系统动 态性能好，单闭环就不能满足要求了。
整个系统的本质由外环速度调节器来决定。即： 当ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的 速降完全被ASR的积分作用所抵消了；一旦ASR饱 和，当负载电流过大，系统实现保护作用使n下降 过大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用， 这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出 很陡的下垂特性。
各变量的稳态工作点和稳态参数计算:
C
IdN
Idm
Id
BC段：描述ASR饱和后（ACR不饱和）的电流单闭环
系统的静特性，转速外环呈开环状态，表现为电流
无静差。
Id
U
* im
Idm
(n < n0 )
ASR的限幅值Uim由设计者选定——限定了最大电 流值Idm。
2、稳态参数：
转速调节器输出：
U
* i
Ui
Id
I dL
电流调节器输出：Uc
加快动态过程。 （4）电机过载/堵转时，限制Idlmax，起快速自动保护作用。
调节器的输出限幅作用
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定
电流给定电压的最大值Idm；
电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现 “只有电流负反馈，没有转速负反馈”
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
摘要此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。
该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。
该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。
关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Simulink目录1设计意义 (3)2主电路设计 (4)2.1设计任务 (4)2.2电路设计及分析 (4)2.2.1电流调节器 (5)2.2.2转速调节器 (6)2.3电路设计及分析 (7)2.4电流调节器设计 (7)2.4.1电流环简化 (8)2.4.2电流调节器设计 (8)2.4.3电流调节器参数计算 (9)2.4.4电流调节器的实现 (10)2.5转速调节器设计 (11)2.5.1电流环等效传递函数 (11)2.5.2转速调节器结构选择 (12)2.5.3转速调节器参数计算 (13)2.5.4转速调节器的实现 (14)3系统参数计算和电气图 (15)3.1电流调节器参数计算 (15)3.2转速调节器参数计算 (15)3.3电气原理图 (16)4系统仿真 (18)5小结体会 (20)参考文献 (21)1设计意义双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
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。
2主电路设计2.1电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统如图1-1所示。
图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统为了获得良好的静、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1-2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，UPE是电力电子变换器。
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Uim∗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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
图1-2 双闭环直流调速系统原理框图2.4电流调节器的设计2.4.1电流环的简化在图1-2虚线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。
实际中，对电流环来说，反电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE 错误！未找到引用源。
0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是错误！未找到引用源。
lm T T 13ci ≥ω （1—3） 式中 ωci ——电流环开环频率特性的截止频率。
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为β)(*s U i 错误！未找到引用源。
，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1—3b 所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。
最后，由于S T 和oi T 一般都比错误！未找到引用源。
l T 小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为错误！未找到引用源。
oi s T T T +=i Σ （1—4） 则电流环结构框图最终简化成图1—3c 所示。
简化的近似条件为错误！未找到引用源。
ois T T 131ci ω （1—5）(a)(b)(c)图1—3电流环的动态结构框图及其简化(a)忽略反电动势的动态影响 (b)等效成单位负反馈(c)小惯性环节近似处理2.4.2电流调节器结构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，由图1—3c 可以看出，采用Ｉ型系统就够了。
再从动态要求上看，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，电流环应跟随性能为主，即应选用典型Ｉ型系统。
图1—3c 表明，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 ACR i i )1()(ττ+= （1—6） 式中 i K ——电流调节器的比例系数；i τ——电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择错误！未找到引用源。
l T =i τ （1—7） 则电流环的动态结构框图便成为图1—4所示的典型形式，其中错误！未找到引用源。
βτs i K R K K I i = （1—8）图1—4 校正成典型Ｉ型系统的电流环动态结构框图上述结果是在一系列假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，以便具体设计时校验。
（1） 电力电子变换器纯滞后的近似处理 sT 31ci ≤ω （1—9） （2） 忽略反电动势变化对电流环的动态影响lm T T 13ci ≥ω （1—10） （3） 电流环小惯性群的近似处理T ois ci T 131≤ω （1—11）错误！未找到引用源。
错误！未找到引用源。
错误！未找到引用源。
2.4.3电流调节器的参数计算由式1—5可以看出，电流调节器的参数是错误！未找到引用源。
和错误！未找到引用源。
，其中i τ已选定，见式1—6，待定的只有错误！未找到引用源。
，可根据所需要的动态性能指标选取。
根据电流超调量，由表1—1，可选ξ和i ΣT K I 错误！未找到引用源。
的值。
一般错误！未找到引用源。
%5i ≤σ，取ξ=0.707，错误！未找到引用源。
5.0i =ΣT K I ，则i ci 21ΣωT K I == （1—12） 参考关系KT0.25 0.39 0.5 0.69 1.0 阻尼比ξ1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量δ0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间错误！未找到引用源。
r t∞ 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间错误！未找到引用源。
p t ∞ 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相角稳定裕度γ︒3.67 ︒9.69 ︒2.95 ︒8.15 截止频率c ω 0.243/T 0.367/T 0.455/T0.596/T 0.786/T 表1—1 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错误！未找到引用源。
再利用式1—7和式1—6得到错误！未找到引用源。
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==i l s i s l i T T K R T K R T K ΣΣββ22 （1—13）如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式1—11和式1—12当然应作相应的改变。
此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。
2.4.4电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图1—5所示。
图中错误！未找到引用源。
为电流给定电压。
错误！未找到引用源。
d I β-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压c U 错误！未找到引用源。
图1—5 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出错误！未找到引用源。
oi i R R K = （1—14）错误！未找到引用源。
i i C R =i τ（1—15）错误！未找到引用源。
oi o oi C R T 41= （1—16）2.5转速调节器的设计2.5.1电流环等效传递函数由校正后的电流结构框图可知错误！未找到引用源。
1s 11)()()(2i *cli ++==II i d K s K T s U s I s W Σβ （1—17）忽略高次项，错误！未找到引用源。
可降阶近似为错误！未找到引用源。
1s 11)(cli +≈IK s W （1—18）近似条件为错误！未找到引用源。
icn 31ΣωT K I ≤ （1—19） 式中 错误！未找到引用源。
——转速环开环频率特性的截止频率。
接入转速环内，电力换等效环节的输入量为)(*s U i 错误！未找到引用源。
，因此电流环在转速环中应等效为错误！未找到引用源。
1s 11)()(U (s)cli *i d +≈=I K s W s I ββ （1—20）这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数错误！未找到引用源。
的一阶惯性环节。
2.5.2转速调节器的结构选择把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1—6a 所示。
和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成α)(*n s U 错误！未找到引用源。
，再把时间常数为错误！未找到引用源。
和错误！未找到引用源。
的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为错误！未找到引用源。
的惯性环节，其中错误！未找到引用源。
on n 1T K T I+=Σ （1—21） 则转速环结构框图可简化成图1—6b由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。