题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真已知：直流电动机：P N=60KW，U N=220V，I N=305A，n N=1000r/min,λ=2，R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。

设计要求：稳态无静差，σ≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。

(要求完i成系统各环节的原理图设计和参数计算)。

系统各环节的原理图设计和参数计算，包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等，并进行必要的计算。

按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。

设计内容与要求：1、分析双闭环系统的工作原理2、改变调节器参数，分析对系统动态性能的影响3、建立仿真模型1．双闭环直流调速系统的原理及组成对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。

当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，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dmI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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

为了使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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，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。

从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。

这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。

为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。

2．双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。

双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,触发整流环节的放大倍数s K =35。

电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。

额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =6.5V 。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。

试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.1N I 以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR,计算其参数R i, 、C i 、C Oi 。

画出其电路图,调节器输入回路电阻R 0=40Ωk 。

（3）设计转速调节器ASR,计算其参数R n 、C n 、C On 。

(R 0=40k Ω)（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。

（5）计算空载起动到额定转速的时间。

解：（1）*/8/(1.1*)8/3390.0236/im dm N U I V I V A V A β==== 10/10000.01min/V r α==（2）电流调节器设计确定时间常数：)0.00333s a T s =)0.0025oi b T s =0)0.00250.003330.00583i i s c T T T s ∑=+=+=电流调节器结构确定：因为5%i σ≤，可按典型I 型系统设计，选用PI 调节器，(1)()i i ACR i K S W S Sττ+=, 电流调节器参数确定: 10.012,0.5,0.5/85.76i l I i I i T s K T K T s τ-∑∑=====选，85.760.0120.180.224350.0173I i i s K R K K τβ⨯⨯===⨯。

校验等效条件：185.76ci I K s ω-==11011)1101.01330.0033311)3379.060.120.0121111)115.52330.003330.0025ci S ci m l ci s i a T b S T T c s T T ωωω--==>⨯==<⨯===>⨯电力电子装置传递函数的近似条件：忽略反电势的影响的近似条件： 电流环小时间常数的近似条件：可见满足近似等效条件，电流调节器的实现：选040R K =,则：00.224408.96i i R K R K K ==⨯=, 取9K.由此33000/0.012/(910) 1.334/40.0025/40100.25i i i i i C R FC T R F τμμ==⨯===⨯⨯=（3）速度调节器设计确定时间常数：a) 电流环等效时间常数1/I K :因为0.5I i K T ∑=则 1/220.005830.01I i K T s ∑==⨯= b) 0.015on T s =c) 1/0.011660.0150.02666n I on T K T s ∑=+=+=速度调节器结构确定：按照无静差的要求，应选用PI 调节器，(1)()n n ASR n K s W s sττ+=, 速度调节器参数确定：,5,0.1333n n n n hT h hT s ττ∑∑====取2222216168.822250.02666(1)60.02360.1960.12 6.942250.010.180.02666N n e m n n h K s h T h C T K h RT βα-∑∑+===⨯⨯+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯校验等效条件：11/168.820.133322.5cn N N n K K s ωωτ-===⨯=1101185.76)40.43330.005831185.76)25.2330.015Icni I cnn K a s T K b s T ωω-∑-==>==>电流环近似条件：转速环小时间常数近似：可见满足近似等效条件。

转速超调量的校验 (空载Z=0）max *3080.180.02666%2*()()281.2% 1.10.19610000.1211.23%10%n N n b m T C n z C n T σλ∑∆∆⨯=-=⨯⨯⨯⨯⨯=> 转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。

因此需重新设计。

查表，应取小一些的h ，选h=3进行设计。

按h=3，速度调节器参数确定如下：0.07998n n hT s τ∑==2222(1)/24/(290.02666)312.656(1)/240.02360.1960.12/(230.010.180.02666)7.6N n n e m n K h h T sK h C T h RT βα-∑∑=+=⨯⨯==+=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=校验等效条件：11/312.6560.0799825cn N N n K K s ωωτ-===⨯= 1/21/211/21/21)1/3(/)1/3(85.76/0.00583)40.43)1/3(/)1/3(85.76/0.015)25.2I i cn I on cn a K T s b K T s ωω-∑-==>==>可见满足近似等效条件。

转速超调量的校验：272.2% 1.1(3080.18/0.1961000)(0.02666/0.12)9.97%10%n σ=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=< 转速超调量的校验结果表明，上述设计符合要求。

速度调节器的实现：选040R K =,则07.640304n n R K R K =⨯=⨯=,取310K 。

330/0.07998/310100.2584/40.015/4010 1.5n n n on on C R FC T R Fτμμ==⨯===⨯⨯=4) 40%额定负载起动到最低转速时: %272.2%(1.10.4)(3080.18/0.196100)(0.02666/0.12)63.5%n σ=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=5) 空载起动到额定转速的时间是：(书上无此公式）仅考虑起动过程的第二阶段。

222()(),()375375375m dm dL dm dL e L dm dL e m e m eGD dn dn C I I R I I R T T I I GD GD R dt dt C T C C C --=-===-根据电机运动方程：所以：*0.196*0.12*10000.385()(1.1*3080)*0.18e m dm dL C T n t s I I R ===--分析：启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。

第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。

第三阶段，当转速达到给定值后。

转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。

转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。

由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。