转速电流双闭环调试系统与改进
转速电流双闭环直流调速系统PPT课件
转速电流双闭环直流调速系统通常由 转速调节器、电流调节器、直流电机 、测速装置和功率电子装置等组成。
工作原理简介
工作原理
转速电流双闭环直流调速系统通过采集电机的转速和电流信号，经过调节器的处理，输出相应的控制信号来调节 电机的输入电压或电流，从而实现对电机速度的控制。
控制流程
转速调节器根据实际转速与设定转速的差值，输出一个转速调节电压；电流调节器根据实际电流与设定电流的差 值，输出一个电流调节电压。这两个调节电压共同作用，通过功率电子装置控制电机的输入电压或电流，实现电 机的精确调速。
抗扰动能力强
转速环调节器能够有效地抑制外部扰动和内部参数变化对系统稳定性的影响。
转速环的抗干扰性能
抗噪声干扰
采用滤波算法等手段减小噪声对转速检测的影响，提高转速 检测的准确性。
抗负载扰动
通过优化调节器设计，减小负载扰动对转速环稳定性的影响 ，提高系统的鲁棒性。
03
电流控制环
电流检测与调节器设计
02
转速控制环
转速检测与调节器设计
转速检测
采用光电编码器等传感器实时检 测电机转速，并将转速信号转换 为电信号传输给调节器。
调节器设计
根据转速偏差和转速变化率等信号， 采用比例、积分、微分（PID）等 控制算法计算出控制量，实现对电 机转速的调节。
转速环的动态特性
快速响应
转速环调节器具有较快的响应速度，能够快速地调节电机转速，减小超调量。
测试方案制定
根据系统要求，搭建测试平台，包括电源 、电机、测速装置、数据采集系统等。
根据系统性能指标，制定详细的测试方案 ，包括测试项目、测试步骤、测试数据记 录等。
测试数据采集与分析
验证与改进
转速电流双闭环直流调压调速系统综述
3 1 3
1
40.82
TmTl
0.18 0.03
（3）校验电流环小时间常数近似处理条件
1 1 1
1
180.8
3 TsToi 3 0.0017 0.002
ci
2.2.5 调节器电阻和电容的计算
2 系统参数------------------------------------------------------------------ 6 2.1 参数要求------------------------------------------------------------ 6 2.2 电流调节器的参数计算------------------------------------------------ 6 2.2.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 6 2.2.2 电流调节器的结构选择 -----------------------------------------6 2.2.3 电流调节器的参数计算------------------------------------------ 7 2.2.4 校验近似条件 -------------------------------------------------7 2.2.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 7 2.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------------ 8 2.3.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 8 2.3.2 转速调节器的结构---------------------------------------------- 8 2.3.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------ 8 2.3.4 检验近似条件-------------------------------------------------- 9 2.3.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 9 2.3.6 校核转速超调量------------------------------------------------ 9
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。
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实验二转速、电流双闭环直流调速系统实验二速度和电流双闭环直流调速系统一、实验目的1.了解速度和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、实验系统的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。
~Fbcfaswtarglidrmgsldzsssggun*asrui*uiacrgtucvtud0amsf220vunfbstg实验图2-1速度和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*变速和给定电压UN可以轻松调整电机的速度。
速度调节器ASR和电流调节器ACR均配备*限制电路。
ASR的输出UIM*用作ACR的设置，ASR的输出限制UIM用于限制启动电流用；acr的输出uc作为触发器tg的移相控制电压，利用acr的输出限幅ucm起限制α作用。
分钟**当突加给定电压un时，asr立即达到饱和输出uim，使电动机以限定的最大电流idm加*以高速启动，直到电机速度达到给定速度（即UN？UN）并出现超调，从而使ASR退出饱和并最终稳定定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备和仪器1主控制面板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初始相移控制角，检查并调整ASR和ACR，并设置其输出正负限幅。
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.研究电流回路和速度回路的动态特性，将系统调整到最佳状态，并绘制ID？F（T）和n?f(t)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）。
论文转速、电流双闭环控制的直流调速系统
摘要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是性能很好的直流调速系统，更是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统，它具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以在电力传动系统中得到了广泛的应用。
基于设计题目，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，调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
本论文首先确定整个设计的方案和框图；然后确定主电路的参数以及框图中所需的电动机参数；本论文的重点设计是直流电动机的转速调节器和电流调节器的设计，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，在直流调速系统起动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，二者之间实行串级联接。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。
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都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统就能获得良好的静、动态性能。
最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，使其满足工程设计参数指标。
关键词：电力传动；双闭环；直流调速系统；电流调节器；转速调节器AbstractSpeed, current double closed loop control of DC speed regulation system is a very good performance of the DC motor speed control system, is also a kind of wide applications, economic, applicable to electric drive system, it has a wide speed range, high precision, good dynamic performance and easy to control, is all kinds of AC, DC electric drive automatic control system important basis, so in electric drive automatic control system has been widely used. Based on the design of the subject, the DC motor speed controller, the speed, current double closed loop speed control circuit, control system's main circuit adopts a three-phase full-bridge controlled rectifier circuit to supply power. This paper firstly determine the whole design scheme and block diagram; then to determine the parameters of the main circuit and the block diagram of the desired motor parameters; the focus of this paper is the design of DC motor speed regulator and current regulator design, respectively, to adjust the speed and current, which are respectively introduced into the speed negative feedback and current negative feedback, in DC control system start process only the current negative feedback, to achieve steady speed, as long as the speed negative feedback, two between implementation of cascade connection. From the closed loop structure, the current loop on the inside, known as the inner ring; the speed loop outside, called outer ring. This form of speed, current double closed loop speed regulation system. Speed and two current regulators have adopted PI regulator, the DC double loop speed control system can obtain good static, dynamic performance. Finally using the MATLAB / SIMULINK on the speed regulation system simulation and analysis are carried out, in order to meet the engineering design parameters.Key words:power transmission；double closed loop；DC speed control system；current regulator；speed regulator目录摘要................................................................................................................................................... Abstract (I)目录 (II)第1章绪论.......................................................................................................................... - 0 -1.1 课题的背景、目的及意义......................................................................................... - 0 -1.2 课题研究的现状和发展趋势..................................................................................... - 0 -1.3 本课题采用的技术方案及技术难点......................................................................... - 1 -1.4 本设计的主要研究内容............................................................................................. - 2 -1.4.1 建立系统的数学模型...................................................................................... - 2 -1.4.2 经典控制部分.................................................................................................. - 2 -1.4.3仿真部分........................................................................................................... - 2 - 第2章双闭环调速系统的工作原理及数学模型.............................................................. - 3 -2.1 系统的参数测定......................................................................................................... - 3 -2.2 双闭环调速系统的工作原理..................................................................................... - 6 -2.2.1 转速控制的要求和调速指标.......................................................................... - 6 -2.2.2 调速系统的两个基本矛盾.............................................................................. - 6 -2.2.3 调速系统的双闭环调节原理.......................................................................... - 8 -2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析.................................................................. - 9 -2.2.5动态性能和转速、电流两个调节器的作用................................................. - 10 -2.3晶闸管—电动机主电路的设计................................................................................ - 12 -2.4 主电路参数计算....................................................................................................... - 12 -2.5 主电路的过电压和过电流保护............................................................................... - 13 -2.5.1 过电压保护.................................................................................................... - 13 -2.5.2 过电流保护.................................................................................................... - 13 - 第3章按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器.................. - 14 -3.1设计要求.................................................................................................................... - 14 -3.1.1基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）............................................. - 14 -3.1.2 设计指标........................................................................................................ - 15 -3.1.3 工程设计方法的基本思路............................................................................ - 15 -3.2电流调节器额定设计................................................................................................ - 16 -3.2.1电流环动态结构图的简化............................................................................. - 16 -3.2.2电流调节器结构的选择................................................................................. - 17 -3.2.3 电流调节器参数的计算................................................................................ - 18 -3.2.4电流环的动态性能指标................................................................................. - 19 -3.3转速调节器的设计.................................................................................................... - 20 -3.3.1电流环的等效闭环传递函数......................................................................... - 20 -3.3.2转速环的动态结构图及其近似处理............................................................. - 21 -3.3.3 转速调节器结构的选择.............................................................................. - 22 -3.3.4 转速调节器参数的计算................................................................................ - 23 -3.3.5 转速环的抗扰性能指标................................................................................ - 26 -3.4电流环、转速环开环对数幅频特性的比较............................................................ - 26 - 第4章调速系统性能指标的数字仿真.............................................................................. - 28 -4.1 基于工程设计的数字仿真....................................................................................... - 28 -4.2 时域分析................................................................................................................... - 29 - 参考文献.................................................................................................................................. - 30 - 结束语...................................................................................................................................... - 31 - 致谢.......................................................................................................................................... - 32 -第1章绪论1.1 课题的背景、目的及意义20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。
转速电流双闭环调试系统与改进
转速﹑电流双闭环控制直流调速系统的设计与仿真专业：电气工程及其自动化班级：电气1205成员：国志超、董凯、刘小飞日期：2015年5月10日一、预备知识1.转速﹑电流双闭环控制直流调速系统介绍直流调速系统，传统上采用速度和电流的双闭环调速。
这是从单闭环自动调速系统发展起来的。
采用PI控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。
加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。
这样，电动机的转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。
为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。
我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。
另一方面，在一个调节器的情况下，输入端综合几个信号，各参数互相影响，调整也比较困难。
为获得近似理想的起动过程，并克服几个信号在一处的综合的缺点，经研究与实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。
2.理想启动过程对于经常正﹑反转运行的调速系统，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，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下图。
这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
t理想起动过程波形3. 转速﹑电流双闭环直流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。
图中，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。
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。
转速、电流双闭环直流调
• 系系统统组组成成与与静静特特性性 一一、、问题的提出 电流截止转速单环系统的缺陷： ➢ 动态性能差： 共用1个调节器，起动时， 控制器力图使指令和转速、 电流反馈共同形成的偏差 等于0，随转速的不断上 升，电流必不断相应减小， 使起动时不能保持电流恒 为最大允许值，起动时间长。
33
讨论
➢阻尼较小时, 超调量显著增大, 稳定裕量减小； 阻尼比过大, 系统响应过于缓慢, 对一般的控制 系统, 常将阻尼比选择在0.5到0.707之间。这时 系统超调不大, 响应也较快。
➢ 工程设计推荐选择阻尼比＝0.707即K=1/2T作为 典I系统最佳设计参数。适用于要求响应较快, 不 允许超调过大的系统。推荐参数仅仅是作为 系统 期望特性的初选设计参数, 在系统整定调试时 应 根据系统运行情况按照表所列的变化趋势对参数 作灵活调整, 以使系统取得实际最佳的动静态性能
31
典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标3
• 峰值时间 • 相角稳定裕量 • 截止频率 • 闭环谐振峰值
32
典Ⅰ系统动态跟随性能指标4
• 工程设计时, 可根据指标要求通过查表进行参数初选, 不必通过公式作精确计算 , 调试时再整定修正。
KT 0.25 0.31 0.39 0.5 0.69 1.0
x 1.0 0.9 0.8 0.707 0.6 0.5
5
各变量的稳态工作点和稳态参数 计算
• 双环调速系统在稳态工作时, 两调节器均不饱和
6
Ⅱ.系统模型与动态性能
• 动态结构图
7
起动过程
分析
• 闭环调速系统的期望起动过程系统对
阶跃的响应应尽可能地
• 稳: 稳定性好、 准: 稳态误差小、
转速电流双闭环pwm—m可逆直流脉宽调速系统实验报告
转速电流双闭环pwm—m可逆直流脉宽调速系统实验报告转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统实验报告一、引言直流调速系统是现代工业中常用的电机调速方式之一，在实际应用中具有广泛的使用。
其中，转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统是其中一种典型的调速控制方式。
本实验旨在通过搭建转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统，研究其调速性能以及运行特点。
二、实验目的1. 理解转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统的原理和结构；2. 掌握控制脉宽调制技术在直流电机调速系统中的应用；3. 通过实验验证该调速系统的性能和运行特点。
三、实验原理转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统是将转速和电流两个回路分别采用闭环控制的直流调速系统。
其中，转速回路通过传感器对电机转速进行采集，与期望转速进行比较后，经过PID控制器得到转速控制信号，再经过比较器进行与PWM脉宽控制信号进行比较产生控制脉宽；电流回路通过采集直流电机的电流信号，经过PID控制器得到电流控制信号，再与PWM控制脉宽信号进行比较生成最终的输出脉宽。
四、实验步骤1. 搭建转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统实验装置；2. 设置期望转速和电流参考值；3. 分别采集电机转速和电流信号；4. 利用PID控制器对转速和电流进行闭环控制；5. 通过比较器生成脉宽控制信号，控制电机转矩；6. 记录实验数据并进行分析。
五、实验结果与分析通过实验，我们可以得到实验数据并进行分析。
其中，我们可以通过比较实际转速与期望转速的差距，来评价转速闭环控制的性能。
同时，通过比较实际电流值与期望电流值之间的差距，来评价电流闭环控制的性能。
根据实验数据，我们可以得到转速与电流控制的准确性、稳定性以及响应速度等指标，评估整个调速系统的性能。
六、结论通过实验，我们成功搭建了转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统实验装置，并完成了相关实验。
根据实验结果分析，我们可以评估该调速系统的性能和运行特点。
《双闭环调速系统》课件
实际应用效果
在电动汽车控制系统中应用双闭环调速系统，可以提高车辆的能源利用效率，延长续航里 程，同时提高车辆的操控性能和行驶安全性。
06 双闭环调速系统的未来发 展与展望
技术发展趋势
数字化
随着数字化技术的不断发展，双闭环调速系统将更加依赖于数字信号处理，实现更快速 、更精确的控制。
电流环的控制方式
通常采用比例控制器（P）或比例积分控制器（PI），根据电流偏 差进行调节。
PI调节器
PI调节器的定义
PI调节器是一种线性调节器，由比例（P）和积分（I）两部分组 成。
PI调节器的作用
根据输入的偏差信号，输出相应的控制信号，以减小偏差。
PI调节器的参数调整
需要根据实际情况调整比例和积分系数，以获得最佳的控制效果。
各种设备的速度进行精确控制，确保生产流程的稳定性和高效性。
03
实际应用效果
在工业自动化生产线上应用双闭环调速系统，可以提高生产效率，降低
人工干预，减少生产成本。
案例三：电动汽车控制系统中的应用
电动汽车控制系统概述
电动汽车控制系统是指通过电子控制技术实现对电动汽车的能源管理和行驶控制。
双闭环调速系统的应用方式
触发电路
触发电路的定义
01
触发电路是用于控制电机换相的电路。
触发电路的工作原理
02
根据电流环的输出和实际电流的偏差，调整触发脉冲的相位，
以控制电机的换相时刻。
触发电路的控制方式
03
通常采用锯齿波或正弦波控制方式，根据需要选择合适的控制
方式。
保护电路
转速电流双闭环直流调速系统和调节器工程设计方法
调节器结构的选择
选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。
输入
调节器
输出
控制对象
系统校正
输入
典型系统
输出
典型I型系统
R(s)
K
C(s)
s(Ts 1)
T — 系统的惯性时间常数； K — 系统的开环增益。
选择参数，保证 稳定。
c
1 T
或
cT 1，使系统足够
典型Ⅱ型系统
R(s)
K (s 1) C(s)
K 值成反比； 在加速度输入下稳态误差为 。
因此，I型系统不能用于具有加速度输入 的随动系统。
（2）动态跟随性能指标
参数关系KT
阻尼比 超调量
上升时间 tr 峰值时间 tp
相角稳定裕度 截止频率c
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
0.8 0.707
0.6
0 % 1.5% 4.3 % 9.5 %
反馈系数计算
转速反馈系数
U
* nm
nm ax
电流反馈系数
U
* im
I dm
二、数学模型和动态性能分析
-IdL
U*n
+-
Un
U*i
WASR(s)
-
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id
+
R
n
Tms
1/Ce E
起动过程分析 n
n* I
II
III
按转速调节器ASR
不饱和、饱和、退
定义中频宽： h 2
T 1
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
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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
转速电流双闭环直流调速系统直流调速系统是一种基于电动机转速等控制参数，控制电动机输出转矩和速度，从而实现对生产现场机械化设备的控制，保护和自动化控制的一种电气控制系统。
该系统的作用不仅在于简化操作流程，提高生产效率和产品质量，还能保护成本昂贵的机械设备，提高生产安全性和稳定性。
本文将对传统的直流调速系统进行改进，引入转速电流双闭环控制算法，以提高系统稳定性和性能精度。
一、直流调速系统的基本原理直流调速系统核心是由一组功率电子器件和控制回路组成的控制电路，它通过调节直流电动机电磁场中的旋转子、定子电磁能量转换比例，实现对电机转速和扭矩的调速和控制。
传统直流调速系统由电源、整流器、PWM变换器、逆变器和电机组成。
其中，电源常用交流电源，整流器将其转换为直流电源供给PWM变换器，PWM变换器通过调节开关时间，改变直流电压的大小和方向，输出可控的交流电源。
逆变器将输出的交流电源进一步变换转化为所需的方向、大小和频率的电源供给电机，并通过反馈调速回路实现对电机转速和扭矩的精确控制。
虽然传统直流调速系统具有结构简单、故障率低、性能稳定等优点，但同时也存在缺点，如控制精度低、抗干扰能力差、控制性能难以满足高精度或高动态性能的要求等问题。
因此，我们需要将目光放在对直流调速系统的提升上，寻找解决控制精度低和抗干扰能力差的解决方案。
转速电流双闭环控制系统是在传统直流调速系统的基础上，增加了电流控制环节，并通过转速电流双闭合控制算法，实现对控制性能的提升，具体包括两个闭合回路：（1）速度控制回路：电动机的转速是该传动系统动作的基础，对于常见的机械传动来说，转速的稳定性直接影响机械精度和运动平顺度。
如图1所示，速度控制回路根据电机的实际转速和给定的转速进行比较，求出误差值，然后进行电路调节，调整终端直流电压的大小和方向，从而控制电动机的输出扭矩和速度。
（2）电流控制回路：通过实现比例积分补偿算法，控制实际输出电流与设定电流的误差，从而实现电机负载扭矩的控制。
转速电流双闭环直流调速系统的研究和设计2600字
转速电流双闭环直流调速系统的研究和设计2600字摘要：在需要高性能调速控制的工业生产中，直流调速系统有着极其重要的作用。
分析了单闭环控制和双闭环控制各自的特点，若采用转速电流双闭环控制，可以使直流调速系统能更好地满足电机的动态性能要求，实现快速的启制动。
为此进行了双闭环直流调速系统的的设计，以实现电机的双闭环控制。
关键词：直流调速系统；电机；反馈；单闭环；双闭环调速系统是目前电力拖动自动控制系统中应用最广泛的系统，近年来，交流调速系统迅速发展，基本取代了直流调速系统，但是，直流电动机由于其结构简单、调速性能优良，直流拖动系统在理论和技术上都比较成熟，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用，目前的电力拖动自动控制系统中在需要高性能调速的领域大多采用直流调速系统。
1 单闭环和双闭环直流调速系统的概述直流调速系统目前虽然被交流调速取代，但是直流调速在某些场合大有用处，其中最简单的直流调速控制是采用单闭环控制，也就是系统中只有一个转速负反馈，可以实现对转速的自动控制。
单闭环控制的直流调速系统结构简单、工作稳定性好、可靠性高，当采用比例积分调节器还可以实现转速的无静差控制，但是，如果实际调速系统不仅要求转速稳定，还需要较高的调速动态性能时，比如要求调速系统能快速的起制动，系统在负载变化时能减小动态速降等，则单闭环控制的直流调速系统就难以满足要求了，主要原因在于单闭环控制的直流调速系统在工作时不能随心所欲地控制转矩和电流的动态变化过程，在单闭环直流调速系统中，虽然采用电流截止负反馈能控制电流，但这种反馈只能在电机超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态变化波形。
在实际生产中需要频繁正、反转运行的直流调速系统，提高生产率的重要因素就是缩短起、制动过程的时间。
就这要求调速系统在起动和制动过程中，要始终保持电流为电机允许的最大值，以便使电磁转矩达到最大值，才能使调速系统以最大的加减速度运行，满足实际工作中对调速系统的要求。
转速电流双闭环直流调压调速系统.
转速、电流双闭环调速系统
转速、电流双闭环调速系统一、概述采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
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。
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。
在单闭环调速系统中，只有电流截止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，靠强烈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。
电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。
对于象龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。
这是在最大电流(转矩)受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
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起动，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就应该能得到近似的恒流过程。
问题是希望在起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人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。
怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。
二、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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图一所示。
双闭环直流调速系统性能改善的根本原因
南通大学电机控制技术论文题目：试论双闭环直流调速系统性能改善的根本原因姓名：于培培班级：电102 学号： 1012021037 指导教师：吴晓专业：电气工程及其自动化南通大学电气工程学院 2013年04月目录摘要 (3)关键字 (3)引言 (3)一转速、电流双闭环直流调速系统基本原理1双闭环直流调速系统的组成.... . (3)2双闭环直流调速系统的静特性... (4)3双闭环调速系统的动态特性... .. (5)4双闭环直流调速系统的启动特性 (6)二基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真1 转速单闭环直流调速系统的simulink仿真 (6)2 双闭环直流调速系统的simulink仿真 (8)小结 (11)参考文献 (11)摘要转速电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统,利用电流调节器和转速调节器控制,可以无限逼近理想启动过程。
本文分析了系统的控制原理，建立了系统的动态数学模型，并利用MATLAB中的Simulink进行了系统建模仿真,给出了仿真结果。
通过对结果的分析进一步验证了双闭环调速系统的优越性。
关键字双闭环调速，MATLAB/Simulink仿真引言直流电动机具有良好的运行和控制特性，仍有广阔的应用市场。
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。
为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想的启动。
转速、电流双闭环直流调速系统是国内外使用最广泛的直流调速系统，具有启制动快速、突加负载时动态速降小、静态性能良好等优点。
MATLAB中的Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
Simulink已被广泛应用于控制理论，具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，给分析双闭环调速系统的动态模型带来很大的方便。
本文首先阐述了双闭环直流调速系统的静态特性、动态特性和启动特性。
然后，利用MATLAB/Simulink搭建双闭环直流调速系统仿真模型，通过仿真结果说明双闭环直流调速系统有良好的动态特性。
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转速﹑电流双闭环控制直流调速系统的设计与仿真专业：电气工程及其自动化班级：电气1205成员：国志超、董凯、刘小飞日期：2015年5月10日一、预备知识1.转速﹑电流双闭环控制直流调速系统介绍直流调速系统，传统上采用速度和电流的双闭环调速。
这是从单闭环自动调速系统发展起来的。
采用PI控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。
加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。
这样，电动机的转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。
为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。
我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。
另一方面，在一个调节器的情况下，输入端综合几个信号，各参数互相影响，调整也比较困难。
为获得近似理想的起动过程，并克服几个信号在一处的综合的缺点，经研究与实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。
2.理想启动过程对于经常正﹑反转运行的调速系统，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，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下图。
这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
t理想起动过程波形3. 转速﹑电流双闭环直流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。
图中，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﹑电流双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统电路原理图二、设计参数三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器双闭环调速系统的动态结构框图1. 电流调节器的设计在电流环的设计中，从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，有右图可以看出，采用I 型系统就可。
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是有太大的超调，以保证电流在动 电流环简化图 态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰性知识次要的因素。
为此，电流环以跟随性能为主，即应选用典型I 型系统。
上图表明，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 型电流调节器。
参数计算1．确定时间常数① 整流装置滞后时间常数Ts ，三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.00167s ≈0.0017s ② 电流滤波时间常数oi T ：s T oi 0023.0=③ 电流环小时间常数之和i T ∑,按小时间常数近似处理，取s s s T T T oi S i 004.00023.00017.0=+=+=∑2．选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量%5<i σ，并保证稳态电流无差，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，其传递函数见式ss k s W i i i ACR ττ)1()(+=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。
检查对电源电压的抗扰性能5004.002.0==∑i T T L 3．计算电流调节器参数① 电流调节器超前时间常数:s T L i 02.0==τ② 电流环开环增益：要求σi ≤5%，按表2-2，应取I K i T ∑=0.5，因此1125004.05.05.0-∑===s sT K i I 于是，ACR 的比例系数为5.005.0505.002.0125=⨯⨯⨯==βτS i I i K R K K4．校验近似条件电流环截止频率：1125-==s K I ci ω ① 晶闸管整流装置传递函数的近似条件111251.1960017.03131-->=⨯=s s T S 满足近似条件。
② 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件1112543.4702.02.01313--<=⨯⨯=s s T T L m 满足近似条件。
③ 电流环小时间常数近似处理条件111255.1680023.00017.0131131-->=⨯=s s T T oi S满足近似条件。
5．计算调节器电阻和电容 取KΩ=400R ，各电阻和电容值为KΩ=KΩ⨯==20405.00R K R i i ，取KΩ=20i RF F R C iii μτ1102002.03=⨯==， 取uF C i 1= F F R T C oi oi μ23.010400023.04430=⨯⨯==，取F C oi μ23.0= 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，满足设计要求。
2. 转速调节器的设计用电流环的等效环节代替上图中的电流环后，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)(*s U n/α，再把时间常数为1/I K 和on T 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为n T ∑的惯性环节，其中on IT K T n +=∑1则转速环结构框图可简化成下图。
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR 中（见上图）。
现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，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。
由此可见，ASR 也应该采用PI 调节器。
参数计算1. 确定时间常数① 电流环等效时间常数IK 1由5.0=∑i I T K知s s T K i I008.0004.0221=⨯==∑ ② 转速滤波时间常数on Ts T on 01.0=③ 转速环小时间常数n T ∑s T K T on In 018.001.0008.01=+=+=∑ 2．转速调节器选择结构按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为ss K W n n n ASR ττ)1(+=式中 n K ——转速调节器的比例系数； n τ——转速调节器的超前时间常数。
3．计算转速调节器参数① 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为s hT n n 09.0018.05=⨯==∑τ② 由式(4-14)可求得转速环开环增益K N =1222237.370018.052621-∑=⨯⨯=+s T h h n 于是，由式可得ASR 的比例系数为867.8018.05.001.0522.0133.005.062)1(=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=∑n m e n RT h T C h K αβ4．检验近似条件转速环截止频率1133.3309.037.370-=⨯===s K K n N Ncn τωω① 校验电流环传递函数简化条件是否满足11133.33926.58004.01253131---∑>==s s s T K i I满足简化条件。
② 校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足11133.3326.3701.01253131--->==s s s T K on I满足近似条件。
5．计算转速调节器的电路参数含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型转速调节器原理图如图所示。
取KΩ=400R ，各电阻和电容值计算如下KΩ=⨯==68.35440867.80R K R n n ，取KΩ=360n RF F R C n nn μτ25.01036009.03=⨯==，取F C n μ25.0= F F R T C on on μ1104001.04430=⨯⨯==，取F C on μ1= 6．校核转速超调量当h=5时，查表2-6得%6.37=n σ,不能满足%10≤n σ。
实际上，表2-6是按线性系统计算的超调量，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，具有饱和非线性特性。
所以，应按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。
三. 按退饱和超调量的计算方法计算转速超调量n σ设理想空载起动时0=z ，当5=h 时，查表2-7得：%2.81max =∆bC C min 94.375133.05.0100r C RI n e dN N =⨯==∆ 则%10%83.72.0018.0150094.3755.12%2.81)(2*max <=⨯⨯⨯⨯=∆-∆=∑mn N b n T T n n z C C λσ 能满足设计要求。
四、 仿真结构框图仿真波形图1.空载启动由仿真波形可以看出，利用转速电流双闭环（PI调节器）调速系统的性能还是十分优越的，具体表现在：○1波形稳定，转速稳定在额定转速1500r/min，无静差；电流稳定在额定电流100A，无静差；○2超调量小，空载起动时理论算出超调量为7.83%，实际测得波形最大转速约1620 r/min，超调量为（1620-1500）/1500*100%=8%，基本与理论值相同，也满足超调小于10%的要求。
○3调节时间短，由图可看成调节时间约为0.8秒。
2.额定负载起动当电机加额定负载起动时，可以看出系统的稳定性依旧良好，波形稳定，与空载起动相比超调量减小，调节时间加长。
原因：超调量减小是由于：转速超调后，ASR进入退饱和状态，I d很快下降，但只要I d大于I dL，转速就继续上升，加入额定负载后，负载电流I dL增大，所以I d降至I dL 的时间缩短，转速上升减少，所以超调量降低加入额定负载，电机启动时间加长，调节时间也会相应加长，由图可看出约为1.8秒3过载启动当加大I dL至130A时（额定电流100A，过载系数λ=1.5）时，系统过载起动，可以看出转速稳定在1500r/min，电流起动时为130A，起动完成后稳定在100A，超调量较额定负载时减小，调节时间增长，原因同上。
4、扰动影响○1空载起动，1秒时加额定负载可以看出1秒时存在调节过程，最终结果符合预期，转速电流均稳定，且与额定值无静差。
○2空载起动，2秒时加超极限负荷（I dL=170A）允许过载倍数为 1.5倍，也就是说负荷电流最大为150A ,超过这个值将超出电机的承受能力，电机带不动负荷，会被负荷转矩逐渐制动直至反转，这种状态是不允许出现的。
由图可以看出当负荷超过电机允许最大负荷电流时，电机电流最大只能达到150A，并稳定，电机转速逐渐下降至反转，直到负载转矩等于励磁转矩与摩擦转矩之和，电机反向稳定（理论上，实际中不允许出现）。