双闭环直流电机调速系统的设计与MATLAB 仿真
双闭环调速系统的工作原理
转速控制的要求和调速指标
生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。

设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。

深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。

在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标
调速范围D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即
m in
m ax
n n D =
（1-1） 静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即
%1000
⨯∆=
n n s nom
（1-2） 静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。

跟随性能指标 在给定信号R （t ）的作用下，系统输出量C (t )的变化情况可用跟随性能指标来描述。

具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间r t ，超调量σ，调节时间s t .
抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落%max C ∆，恢复时间v t .
调速系统的两个基本方面
在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标，即
1) 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求； 2) 起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求。

采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个问题。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则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中的电流和转矩。

在电机最大电流受限的条件下，希望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为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

在单闭环调速系统中，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I dcr 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1-1a 所示。

a) b)
图1-1 调速系统启动过程的电流和转速波形
a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程
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
I d
t 0 I 0 t
长。

对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,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,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图1-1b 所示,起动电流呈方形波,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启动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图1-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。

调速系统的双闭环调节原理
见图1-2：
图1-2 双闭环调速系统的原理框图
设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器
基本数据
1、直流电动机参数计算
已知某直流电动机调速系统，控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下：
电动机：P nom =150 kw U nom =220 v I nom =700 A L d =2mH
N nom =1000 rpm R d =Ω Ra=Ω GD 2=125Kg ·m 2 λ= m=6
计算得到此直流电动机的相关参数： 电势常数：)/(185.01000
05
.07002201-⋅=⨯-=-=mim r V n R I U C nom a nom nom ε
转矩常数：
mA
kg C C M ⋅===
18.003
.1185.003.1ε 电磁时间常数：s R L T d d d 025.008.01023
=⨯==-
机电时间常数：s C C R GD T M
d
m 8.03752=⨯=ε
晶闸管整流装置滞后时间常数：
s
mf T s 0017.050
62121=⨯⨯==
选取转速输出限幅值：V U km 10=，可以计算得到 晶闸管装置放大系数：2305.1=⨯=
km
nom
s U U K 启动电流：A I I nom dm 10505.1==
选取电流调节器输出限幅值：V U im 10=，可以得到
电流反馈系数：A V I U dm
im
/0095.0==
β 选取电流反馈滤波时间常数：002.0=fi T
选取转速最大给定值：V U nm
10=*
得到转速反馈系数：)min /(01.01-*⋅==r V n U nom
nm
α
取转速反馈滤波时间常数：s T fn 01.0= 电流调节器采用PI 调节器：
s s K W i i i
ACR ττ1+=
s i 025.0=τ ，24.12=∑=∑
i
s l i T K R T K β
转速调节器采用PI 调节器：s
s K W n n n
ASR ττ1
+= s T
n
n 087.05=∑=τ ， 6.6021=∑
⨯+=
∑n
m
n T R T C h h K αβε 2.双闭环直流调速控制系统仿真
、基于数学模型的双闭环直流调速控制系统仿真
Transfer Fcn5
图2-1 双闭环调速系统动态结构图
图2-2 双闭环直流调速系统的电流和转速曲线
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。

总结
这次仿真设计让我学习到很多。

虽然结束了，但这只能是一个开始。

今后作为技术人员，要学习的规范，如何的不断提高自己的综合能力与专业水平是我未来很多年的职业生涯里都要认真考虑与学习的一个重要问题，在设计仿真过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在
整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在工作过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

由于自己水平有限，本次课题中有不少不足之处，恳请老师批评指正！。