仿真设计报告转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计一、系统设计目的直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。

根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

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。

在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统。

对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。

采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。

二、系统理论分析2.1双闭环直流调速系统工作原理电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号直流电压迅速上升，电流也随即增大直到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动，速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数，还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节，可在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值,从而使速度稳定于某一转速。

2.2双闭环直流调速系统组成为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。

两者实行嵌套连接，如图1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。

这就形成转速、电流双闭环调速系统图1转速、电流双闭环直流调速系统其中：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Un -转速给定电压Un-转速反馈电压Ui -电流给定电压Ui -电流反馈电压2.3双闭环直流调速系统分析一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。

这种理想的起动过程如图2所示。

三、系统模型设计Un*1ke(t)Kn(TnS+ 1)1T«rtS+1TnSToS+1VSCRT S+lCt ；TkjiS+1图3双闭环直流调速系统动态结构图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识， 采用机理分析法可以得到双闭环系统 的动态结构图如图3所示。

2.4双闭环直流调速系统参数描述 参数：C eU N -gR a _ 220-136920 132Vn N1460T i15 10” 0.5~03T mGD 2R22.5 0.5375C e C m375 0.13230一 0.132二 0.18C m=30 C e =1.26图2理想启动过程ASRKKTiS*】｝ TiSACRRJ/R在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。

工程设计的步骤如下：1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。

2根据具体情况选定预期特性，即典型I系统或典型U系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。

3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。

4校正。

3.1电流环的设计1、电流环的简化：图4简化后电流环按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。

T T I，K i= (KK s B)的)2、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T s^o.oes；(2)电流滤波时间常数Toi。

三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本滤平波头，应有1~2 Toi =3.33ms，因此取Toi =2ms = °.°02s；(3)电流环小时间常数乃。

按小时间常数近似处理，取乃=Ts To^ 0.0037s。

3、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求"乞5%，而且五0038.11 ：：：10 ,因此，电流环可按典型I型T 亘0.0037 系统设计。

4、电流调节器的结构选择电流调节器选用PI型，其传递函数为：j , h S + 1W ACR s —T i s5、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：.i =丁 = 0.03s ;电流环开环增益：因为要求G空5% ,-05135.1s」0.00376、计算电流调节器的电路参数R i C iR bal图5电流调节器原理图电流调节器原理如图5所示，按所用运算放大器，取R0 =40K「，各电阻和电容值计算如下：R =KjR0 =1.013^40 =40.52K0，取40K0 ;C i- =0J003103=0.75l F，取0.75呻;R i40C oi =4 且=4 0.002103=0.2呻，取0.2牛。

R。

40 3.2转速环的设计1、转速环的简化：故应取KT1 =0.5，因此于是，ACR的比例系数为K i i—^=135.1 0.03 0.5 =1.013。

K s 0.05 40U i -R o/2R o/2D>---- C oiR0/2R o/2U ctC oiI dL (S )图6简化后的转速环2、 确定时间常数： （1 ）电流环等效时间常数为（2 ）转速滤波时间常数T o n （3）转速环小时间常数T n 3、 转速环设计系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求, 应按典型U 型系统设计转速环。

4、转速调节器的结构选择转速调节器选用PI 型，其传递函数为：W ASR….朋。

5、选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取 h=5，则ASR 超前时间常数: -hT n -5 0.0174 7.087s ; 注2® 2 25 0.01742=396.4 ；于是ASR 的比例系数6、计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图7所示，按所用运算放大器，取 R 。

=40K 「，各 电阻和电容值计算如下：R n = K n R o =11.7 40 = 468K"，取 470K"；0 087 L 二0^87103=0.185呻，取0.2牛;R n 470U *n (S )2T <-0.0074s ;根据所用测速发电机纹波情况，取 T on = 0.01s ；按小时间常数近似处理，取 T n =2Tq - T on = 0.0174s 。

转速开环增益：K N 二 为：K nh 1 C e T m6 0.05 0.132 0.182h ：RT 吊 2 5 0.07 0.5 0.0174 一11.7。

C on=4“ =4 001103=V l F，取1J F。

R°40图7转速调节器原理图四、系统仿真运行4.1双闭环直流调速系统定量仿真模型4.2双闭环直流调速系统定量仿真结果 4.2.1转速环空载高速启动R oC nU nR o /2 R o /2 C on- R o /2R o /2 O ------- 1l —[—I---------I —1二二 C onU ian R bal422转速环满载高速启动423转速环的抗扰分析：可以使电流快速达到，并保持略低于的值，实现快速启动，最终达到恒速。

且具有抗扰作用，使转速维持在给定值。

空载能比满载更快速启动。

10五、仿真设计总结本文通过建立直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型设计，根据具体指标参数，应用工程方法设计了电流调节器和转速调节器，设计中选择合适的调节器类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和性能分析。

利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink，对所设计的电流环和转速环的阶跃信号进行了仿真计算，很容易绘制出各单位扰动曲线，并计算出阶跃扰动响应性能指标，从阶跃扰动响应曲线及其指标得出：对扰动信号，该系统具有很强的抗扰性能。

由仿真计算结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。

对于调速系统的设计，MATLAB的simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。

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