摘要：本文通过研究闭环调速系统的调节系统设计，来减小超调量的方法，用调节器的选型来进行优化处理，并且讨论了实现设计的不同情况的实验结果，着重介绍了第一种方案。同时在考虑不同驱动电路下的设计情况，分别构成的电路系统的主要特点以及实用性，也结合实际的生产设计情况选择最优的设计方案，联系国内外的研究现状结合自己的设计给出合理的设计，通过工程设计进行实验仿真，通过对不同选型下的参数整定来实现超调的合理范围调整。使用mat_lab的s_i_m_u_link进行仿真，使得仿真简洁，设计结构简单直观易懂，使用方便操作灵活。42755
 
毕业论文关键词：mat_lab仿真； 调节器； 选型；双闭环；
 
Abstract：The double closed loop DC speed regulating system , the method of the control system to cut down the overshoot, adjust the control to optimize the selection, and discussed the design and implementation of different experimental results, the paper focuses on the first program. Also take into account the different driving circuit design, circuit system, wherein the main characteristics and actual production design and practicality, to a reasonable design, simulation experiment by engineering design with the selection of optimal design and the domestic and foreign research status and their design, implementation is beyond the scope of a reasonable adjustment by selecting different parameters tuning. S_i_m_u_link using mat_lab simulation, simulation is very uncomplicated, simple and intuitive design, convenient to use, easy to operate.
 
Key_Words：Mat_lab simulation;  regulator;  type selection;  double closed loop；
 
目录
 
第1章 绪     论1
 
1.1双闭环调速系统的组成2
 
1.1.1双闭环直流调速系统的原理2
 
1.1.2转速电流双闭环控制的直流调速系统具有的显著特点即普遍特点4
 
1.2调速系统的仿真设计方案5
 
1.3.输出限幅PI调节器的作用和意义5
 
1.3.1输出限幅PI调节器参数5
 
1.3 .2输出限幅PI调节器具体构建6
 
1.4 转速调节器电流调节器分别的作用6
 
1.4.1 ASR转速调节器：6
 
1.4.2 ACR电流调节器:7
 
第2章    构建仿真7
 
2.1设计整体思路7
 
2.2 电流环的作用8
 
2.2.1电流环的构建8
 
2.3转速环的作用9
 
2.3.1转速环的构建10
 
2.4设计方案一：直流双闭环调速系统动态结构图仿真11
 
2.4.1参数设计要求以及相应的整定11
 
2.4.2典型I,II型系统的设计和不同的选择11
 
2.4.3  PI调节器参数的相应整定16
 
2.4.4仿真的结果以及分析20
 
2.5设计方案二：使用power_system模块仿真22
 
2.5.1仿真出的波形图和分析26
 
第3章 总结归纳27

 
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1、双闭环直流调速系统MATLAB仿真一、实验原理WASRWACR贝塔系数阿尔法一、实验内容基本数据包括：直流电动机：220V、136A、1460r/min。Ce=0.132Vmin/r。允许过载倍数为1.5；晶闸管装置放大系数：ks=40ts=0.0017s；电枢电路的总电阻：时间常数：电流反馈系数：电流反馈滤波时间常数：电流反馈系数：速度反馈系数=0.007vmin/r速度反馈过滤器时间常数：设计要求：设计需要电流无静态、电流过冲的电流调节器。无速度静态，无负载开始时速度超出到额定负载速度。绘制双闭环调速系统的动态原理图。二、实验阶段1.根据原理和内容构建电路模型。设置每个组件的参数。设置模拟。
 
2、参数：将模拟时间设置为0.06 s。计算为ode15或ode23。4.模拟实施。三、实验报告1.Idl=0和Idl=136A时电流和速度的输出波形讨论PI调节器参数对系统的影响。名字路径设定参数AC Voltage SourceSimpowersystem/electrical/Ground(输出)Simpowersystem/connectorsThyristorsimpower system/power electronics系列RLC分支Simpowersystem/ElenemtsC=inf L=0纯电阻Vlotage MeasurementSimpowersystem/Measure。
 
3、mentsCurrent MeasurementSimpowersystem/MeasurementsMultimeterSimpowersystem/Measurementst接头Simpowersystem/connectorsScopeSimulink/sinksMOXSimulink/Signal RoutingDemuxSimulink/Signal RoutingPulse GeneratorSimulink/SourcesStepSimulink/sources0 、 0 、 10 、 0 IntegratorSimulink/continuous/0 10-10 Fcn传输Simulink/continuous/佳仁Simulink/math operationsSumSimulink/math operations-电流环设计为选择PI调节器的典型系统类型KTKpiKi=Kp/i0.250.50670.0316.890.51.0130.0334.7712.0270.0367.567I=TL，.采用KT=0.5速度环设计为典型的2英寸系统H=5，T Kn=拿走11.7，11.7/0.087。

 
MATLAB
 
科技信息
 
高校理科研究
 
基于Matlab双闭环直流调速系统设计与仿真
 
大连海洋大学信息工程学院
 
马占军
 
［摘要］V-M双闭环直流调速系统是目前应用比较成熟的一种调速系统，通过本次设计，给出一种具体的设计步骤和方法，使之能够通过本方法对其他的调速系统的设计和计算起到指导性的作用；同时，通过本次设计和仿真方法，达到举一反三的效果。［关键词］V-M系统调速
 

 

 
仿真前言
 
双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在理论和实践方面都是比
 
由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，较成熟的系统。
 
馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用Ton表示。
 
根据电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入了时间常数为Ton的
 
[2]
 
给定滤波环节。
 
2、系统参数设计本文设计了一种具有具体参数计算的调速速统，并采用Matlab/Simulink进行仿真，仿真结果表明各种参数设计合理，达到了控制要求。
 
1、系统组成及工作原理
 
为了实现转速和电流两者负反馈分别起作用，双闭环系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)，分别调节转速和电流，两者实行串级连接，且都带有输出限幅电路，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；转速环在外面称作外环。以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组
 
成的环作为内环,以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的
 
“最优”
 
控制。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，这样构成了双闭环调速系统的原理图，如图1所示[1]：
 
图1双闭环直流调速系统电路原理图
 
工作原理如下：电动机的转速由给定电压U*
 
n决定，速度调节器ASR的输入偏差电压为ΔU=U*
 
*
 
n-Un，ASR的输出电压Ui作为电流调节器ACR的给定信号(其输出的限幅值U*
 
im决定了电流调节器给定电压的最大值)，电流调节器ACR的输入偏差电压为ΔU=U*
 
i-Ui，ACR的输出电压UC作为触发电路的控制电压(其输出的限幅值UCM决定了晶闸管整流输出电压的最大值)。改变控制电压UC，就能改变触发器控制角α及整流输出电压Ud0，相应地也就改变了电动机的转速,达到调速的目的。
 
通过原理图我们很容易画出其稳态结构框图，如图2所示。
 
图2双闭环直流调速系统的稳态结构图
 
α-转速反馈系数;β-电流反馈系数
 
图2中在设有转速调节器ASR，
 
电流调节器ACR，电力电子变换器UPE等的基础上增加了电流滤波，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按需要给定。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入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反
 
2.1主要技术指标
 
假设负载电机不可逆运行，调速范围D≥10，
 
静差率s≤2%；转速超调量δi≤5%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤8%，调节时间ts≤2s，电流调节器外电阻R=0.12，放大倍数K*
 
*
 
s=45，
 
Un=Uim=10V，n*=1800r/min。电机参数：PN=90KW，UN=220V,IN=136,nN=1480r/min,Ce=0.132，允许过载能力为λ=1.5，R∑=0.5Ω，T1=0.03s,Tm=0.18s电流反馈系数β=0.05转速反馈系数α=0.0.7。
 
2.2电流环的设计(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=0.0017s；
 
②电流滤波时间常数Toi，取Toi=0.002s；
 
③电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似处理，取T∑i=Toi+Ts=0.0037s
 
(2)根据设计要求：δi≤5%，而且T1=8.11，因此，电流环可按典型
 
∑i
 
Ⅰ型系统设计。
 
(3)电流调节器选用PI型，其传递函数为WACR(s)=Ki×τis+1
 
τis
 
取τi=T1=0.03s，取KIT∑i=0.5，则KI=135.1*
 
β=U
 
n=10=0.049NKi=KIτiR=135.1×0.03×0.12=0.22
 
s(4)计算电流调节器的电路参数。取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：Ri=Ki×R0=0.22×40=8.8KΩ，取9KΩCi=τi/Ri=0.03/(9×1000)F=3.33μFCio=4Toi/R0=4×0.002/(40×1000)F=0.2μF2.3转速环的设计(1)确定时间常数。
 
①电流环等效时间常数为2T∑i=0.0074s；②转速滤波时间常数Ton，取Ton=0.01s；
 
③转速环小时间常数T∑n=2T∑i+Ton=0.0174s。(2)转速调节器的结构选择。应按典型Ⅱ型系统设计转速环，转速
 
调节器选择PI型，
 
其传递函数为:WASR(S)=Knτns+1
 
n取h=5，则ASR超前时间常数为：τn=hT∑n=5×0.0174=0.087s
 
KN=h+15+12×h×T
 
==396.4∑n
 
于是，ASR的比例系数Kn计算：
 
Kn=(h+1)βCeTm=11.7
 
∑n
 
(3)计算转速调节器的电路参数，按所运算放大器,取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：
 
Rn=KnR0=365.2KΩCn=τn=0.0023μF
 
n
 
(下转第542页)
 
—541—

 
课程结业论文
 
基于Matlab的双闭环直流调速系统仿真研
 
究
 
1
 
目录
 
1前言 ............................................................................................................................................... 3 2双闭环直流调速系统的工作原理 ................................................................................................ 4
 
2.1双闭环直流调速系统的介绍 ............................................................................................. 4 2.2双闭环直流调速系统的组成 ............................................................................................. 5 2.3双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性 ................................................................. 5 2.4双闭环直流调速系统的数学模型 ..................................................................................... 7 2.5双闭环直流调速系统的起动过程分析 ............................................................................. 7 2.6双闭环直流调速系统的动态性能分析 ............................................................................. 9 2.7双闭环直流调速系统的动态性能指标 ........................................................................... 11 2.8双闭环直流调速系统的频域分析 ................................................................................... 13 2.9双闭环直流调速系统两个调节器的作用 ....................................................................... 13 3 MATLAB语言及Simulink ........................................................................................................ 15
 
3.1仿真技术的背景 ............................................................................................................... 15 3.2 Matlab和Simulink简介 .................................................................................................. 15 3.3 Matlab建模与仿真 .......................................................................................................... 16 3.4 Simulink仿真工具 ........................................................................................................... 16 3.5控制系统计算机仿真的过程 ........................................................................................... 17 4 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析 ...................................................................... 19
 
4.1电流环的MATLAB计算及仿真 .................................................................................... 20
 
4.1.1电流环校正前后给定阶跃响的MATLAB计算及仿真 ...................................... 20 4.1.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 ................................................ 21 4.1.3单位冲激信号扰动的响应曲线 ............................................................................ 22 4.1.4电流环频域分析的MATLAB计算及仿真.......................................................... 23 4.2转速环的MATLAB计算及仿真 .................................................................................... 24
 
4.2.1转速环校正前后给定阶跃响应的MATLAB计算及仿真 .................................. 24 4.2.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标 ........................................ 26 4.2.3单位冲激信号扰动的响应曲线 ............................................................................ 28 4.2.4转速环频域分析的MATLAB计算及仿真.......................................................... 28
 
5总结 ............................................................................................................................................. 31 附录 ................................................................................................................................................ 32 参考文献： .................................................................................................................................... 37
 
2
 
1前言
 
许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
 
由于该系统的结构较复杂，控制器可调参数较多，所以整个系统的设计和校正比较困难，需要有一个功能全面、分析方便的仿真设计平台。传统的仿真设计平台主要是VC和Delphi等高级语言环境，需要做大量的底层代码编写工作，很不方便，效率不高，仿真结果也不直观。自从MATLAB的Simulink推出以后，动态系统的仿真就变得非常容易了。因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，具有强大的数学计算功能，且提供方便的图形绘制功能，只要在Simulink中画出系统的动态结构图模型，编写极简单的程序，即可对该系统进行仿真，效率极高，环境友好，从而给系统的设计和校正带来很大的方便。Matlab在学术和许多实际领域都得到广泛应用，已成为国际控制界应用最广的语言和工具。
 
本课题主要是在Simulink环境中对双闭环直流调速系统进行仿真设计，具体内容有：对电流调节器和转速调节器进行校正设计；对电流环和转速环进行时域和频域分析；对调速系统进行跟随性和抗扰性分析。
 
3
 
2双闭环直流调速系统的工作原理
 
2.1双闭环直流调速系统的介绍
 
双闭环(转速环、电流环)直流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、抗干扰能力强的优点。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调节器的单闭环调速系统可以在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Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。当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。
 
在实际工作中,我们希望在电机最大电流(转矩)受限的条件下，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。这样的理想起动过程波形如图2-1b所示，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)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
 
Id n Idm Idcr n Id n Idm n IdL IdL O (a)
 
t O (b)
 
t (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程 (a)Current deadline with a single negative feedback loop (b)an ideal quick
 
start process
 
speed control system starting process
 
图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形
 
Fig2-1 speed system start of the current process and speed waveform 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Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量
 
4