本科课程设计
题目：转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
姓名王金良
学院
专业电气工程及其自动化
年级
学号
指导教师
2013 年1月11日
转速、电流反馈控制直流调速系统仿真
摘要
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。
本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink 对系统进行仿真。
关键词：双闭环调速、转速、电流、Simulink
一、 设计的题目及任务
（一）概述
本次仿真设计需要用到的是Simulink 仿真方法，Simulink 是Matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink 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，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
（二）仿真题目
某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：
额定电压220V U =,额定电流136I A =；
额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅，
允许过载倍数 1.5λ=；
晶闸管装置放大系数40s K =；
电枢回路总电阻0.5R =Ω；
时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；
电流反馈系数0.05/V A β=；
转速反馈系数α=0.00666Vmin/r 。
（三）要完成的任务
1）用MATLAB 建立电流环仿真模型；
2）分析电流环不同参数下的仿真曲线；
3）用MATLAB 建立转速环仿真模型；
4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线。
二、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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1所示，即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晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。
因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
双闭环调速系统的结构图如：
图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构图
三、MATLAB计算、建立及仿真
一）、设计思路
设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。
1、从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统。
2、再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。
3、电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。
二）、电流调节器（内环）的设计
matlab 的电流环的整体仿真模型如图所示：
（一）电流环各个模块的参数设置
已知题目：双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路的参数如下：
直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；
晶闸管装置放大系数：Ks = 40；
电枢回路总电阻：R = 0.5 Ω；
时间常数： Ti = 0.03s， Tm = 0.18s；
电流反馈系数：β= 0.05 V/A ；
转速反馈系数：α = 0.07 V·min/r。
1、确定时间常数
1）整流装置滞后的时间 Ts。
按表 1 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）来设置，表1如下所示：
表1
由表可知三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.00167s。
2）电流滤波时间常数Toi。
由上表知道Tsmax=3.33，为了基本滤平波头，应有 (1~2)Toi=3.33ms,因此我们取
Toi=2ms=0.002s.
3）电流环小时间常数之和TΣi 。
按小时间常数近似处理，取
TΣi=Ts+Toi=0.00367s。
2、各模块的设置（除ACR 模块）
将各模块的参数输入图1
的电流环各模块中即可得
到图2所示的仿真模型；
3、ACR 参数设置
ACR 的传递函数式为：
即：
=Ki+Kp/s
1）电流调节器超前时间常数为：τi=Tl=0.03s。
2）电流环开环增益Ki：
Ki=KT/TΣi
=KT/0.00367
其中参数关系KT按表2如下所示：
表2
3)KT=0.5时PI传函 W = Ki + Kp / s = 0.5/0.00367 + （0.5/0.00367）/0.03s
= 1.0134 + 33.78 / s
同理：
KT=0.25时PI传函 W = Ki + Kp / s = 0.5067 + 16.89 / s
KT=1时PI传函 W = Ki + Kp / s =2.027 + 67.567 / s
4、在Simulink模型窗口工具栏里的Simulation ——>Configuration Parameters菜单项可以更改Start time 和Stop time的值按需要分别设为0.0s 和 0.05s或0.1s。
（二）电流环的仿真图形
KT=0.5时，ACR 中的PI 调节器的传递函数为
=1.0134 + 33.78 / s ，
按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形如右图6所示： 其超调量 满足σ≦4.3% 。
三）、转速调节器（外环）的设计
matlab 的转速环的整体仿真模型如图所示：
()s W ACR
()s I dL ()s I
dL
（一）转速环各个模块的参数设置
由电流环的仿真知电流环的参数取KT=0.5时超调量满足综合条件，电流环模块的值保持不变。
1、确定时间常数
1）电流环的等效时间常数 1/Ki 。
由上面可知取 KiT Σi = 0.5，则
1/Ki = 2T Σi = 0.0074s
2）转速滤波时间常数 Ton=0.01s ； 3）转速环小时间常数T Σn=1/Ki+Ton=0.0174s ； 2、除去电流环各模块按图10所示编号设置如下：
（1）将①框的阶跃输入将Step time 设为0，
Initial value 设为0，
Final value 设为10；
（2）②框对应结构图中的ASR 模块，由例题3-2得到的结果，其传递函数设置为
即Gain3设置为11.7，Gain4设置为134.48 ；
（3）③框的Saturation 将其上界（upper ）和下界（lower ）分别设置为10和-10；
（4）④框的函数式为
α/(Tons+1) = 0.00666/(0.01s+1) ；
（5）⑥框的函数式 1/Ce = 1/0.132 = 7.576 ；
（6）⑤框的阶跃信号按要求输入：将Step time 设为0，Initial value 设为0；
空载（负载电流为0）时，阶跃信号Step1的Final value 设为0；
满载（负载电流为136）时，阶跃信号Step1的Final value 设为136 （电动机的额定电流为136 A ）；
做干扰测试时，将Step time 设为1，Initial value 设为0，Final value 设为100。
(二)转速环的系统仿真
1、空载起动时,阶跃信号Step1的Final value 输入设为0,仿真波形如图所示： s 48.1347.11W ASR +=
2、满载起动时，阶跃信号Step1的Final value设为136,仿真波形如图所示：
3、抗干扰性的测试，将阶跃信号Step1的Step time 设置为1，将Initial value设置为0，将Final value设置为100（或其他1到136均可做干扰），其他设置不变，仿真如图所示：
四、小结与体会
这次课程设计中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。
本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解，对此设计加深了认识。
通过matlab的仿真，使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。
通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。
同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。
参考文献
[1]阮毅.《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》.北京：机械工业出版社，2009。