1设计目的
1进一步对自动控制系统这门学科进行理解。

2掌握双闭环直流调速系统的设计过程。

3体会参数设计的过程。

2 直流调速系统的理论设计
2.1系统组成及要求
本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图图1，双闭环直流调速系统稳态结构图图2和动态结构框图图3如下所示。

图1双环调直流速系统原理图
图2双闭环直流调速系统稳态结构图
图3双闭环直流调速系统动态结构框图
某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采取三相桥式电路，基本数据如下： 直流电机220V ，136A ，1460r/min ，r
V C e m in/132.0⋅=，允许过载倍数5.1=λ；
晶闸管装置放大倍数s k =40； 电枢回路总电阻R=0.5Ω；
时间常数s T l 03.0=，s
T m 18.0=；
电流反馈系数A V /05.0=β(N
I V 5.1/10≈)，转速反馈系数
()N n V r V /10m in/007.0≈⋅=α。

设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量%5≤σ；
设计转速调节器，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量
%10≤σ，并校验转速超调量的要求是否得到满足；
2.2电流调节器设计
2.2.1.确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数s T 三相桥式电路的平均失控时间s T s 0017.0=； （2）电流滤波时间常数oi T 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平波
F F F R C i
i
i μτ75.01075.010
4003
.063
=⨯=⨯=
=
-，取F μ75.0 F F F R T C oi oi μ2.0102.010
40002.0446
30=⨯=⨯⨯==
-，取F μ2.0 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（见表2），满足设计要求。

图4 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器
2.3转速调节器设计
2.3.1确定时间常数 （1） 电流环等效时间常数
I
K 1
，已知5.0=∑i I T K ，则 s s T K i I
0074.00037.0221
=⨯==∑ （2） 转速滤波时间常数on T ：根据所用测速发电机纹波情况，取s T on 01.0=。

（3） 转速环小时间常数n T ∑：按小时间常数近似处理，取
s s s T K T on I
n 0174.001.00074.01
=+=+=
∑ 2.3.2选择转速调节器结构
按设计要求转速无静差，转速调节器应含有积分环节；又根据动态设计要求，选用
KΩ
=
Ω
⨯
=
=468
40
7.
11
K
R
K
R
n
n
，取KΩ
470；
F
F
F
R
C
n
n
n
μ
τ
185
.0
10
185
.0
10
470
087
.0
6
3
=
⨯
=
⨯
=
=-，取F
μ
2.0；
F
F
F
R
T
C on
on
μ1
10
1
10
40
01
.0
4
4
6
3
=
⨯
=
⨯
⨯
=
=-，取F
μ1
图5 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
2.3.6校核转速超调量
当h=5时，由表3查得，%
6.
37
=
n
σ，不能满足设计要求。

实际上，由于表3是线性系统计算的，而突出阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR 退饱和的情况重新计算超调量，当h=5时，由表4查得%
2.
81
/
max
=
∆
b
C
C代入公式，可得
m
n
N
b
b
b
n T
n
T
n
Z
C
C
n
n
C
C
*
max
*
max)
)(
(2
)
(∑
∆
-
∆
=
∆
∆
=λ
σ
%
10
%
31
.8
18
.0
0174
.0
1460
132
.0
5.0
136
5.1
%
2.
81
2<
=
⨯
⨯
⨯
⨯
⨯
=
能满足设计要求。

表3 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标
h 3 4 5 6 7 8 9 10
t r/ T t s/ T
k 52.6%
2.4
12.15
3
43.6%
2.65
11.65
2
37.6%
2.85
9.55
2
33.2%
3.0
10.45
1
29.8%
3.1
11.30
1
27.2%
3.2
12.25
1
25.0%
3.3
13.25
1
23.3%
3.35
14.20
1 表4典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h 3 4 5 6 7 8 9 10
C max/C b t m/ T
t v/ T 72.2%
2.45
13.60
77.5%
2.70
10.45
81.2%
2.85
8.80
84.0%
3.00
12.95
86.3%
3.15
16.85
88.1%
3.25
19.80
89.6%
3.30
22.80
90.8%
3.40
25.85
3 系统仿真
使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究，根据实验原理图在Matlab 软件环境下查找器件、连线，接成图6和图7所示的线路图。

具体步骤：
a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的new model，创建一个文件头为的新文件。

b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。

根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图如下：
图6 MATLAB中电流环的仿真模型
图7MATLAB中转速环的仿真模型
运行之后，分别得到如下波形图9和图10
图9电流环的仿真结果
图10转速环空载起动的仿真结果
从图9图10 的仿真结果分析可知与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。

但是基本满足设计要求此时5.8=n K 5.41
=n τ
4结论
由于在启动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。

从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控。