皖 西 学 院
课程设计报告书
系 ：
机 电 学 院
专 业：
电气工程动化
学 生 姓 名：
桂邯郸
学 号：
2013011286
课程设计题目：
双闭环直流电机调速
起 迄 日 期
6 月 13日 ~ 6月 24日
课程设计点
机电学院实验室
指 导 教 师
汪 明 珠
达务书日期 2016年6月13日
摘 ：许生产机械求定范围进行速度滑调节求具良稳态动态性直流调速系统调速范围广静差率稳定性具良动态性高性拖动技术领域中相长时期采直流电力拖动系统双闭环直流调速系统直流调速控制系统中发展成熟应非常广泛电力传动系统具动态响应快抗干扰力强等优点知道反馈闭环控制系统具良抗扰性反馈环前通道切扰动作效加抑制采转速负反馈PI调节器单闭环调速系统保证系统稳定条件实现转速静差果系统动态性求较高例求起制动突加负载动态速降等等单闭环系统难满足求单闭环系统中完全需控制动态程电流转矩单闭环系统中电流截止负反馈环节专门控制电流超界电流值强烈负反馈作限制电流击理想控制电流动态波形实际工作中希电机电流限制条件充分利电机允许载力度程中始终保持电流（转矩）允许值电力拖动系统加速度启动达稳定转速电流立降转矩马负载相衡转入稳态运行时启动电流成方波形转速线性增长电流转矩条件调速系统快启动程着社会化生产断发展电力传动装置现代化工业生产中广泛应生产工艺产品质量求断提高需越越生产机械够实现制动调速样动调速系统作深入解研究 次设计课题双闭环晶闸逆直流调速系统包括电路控制回路电路晶闸构成控制回路检测电路驱动电路构成检测电路包括转速检测电流检测等部分
关键词：双闭环控制系统转速控制环系统现状发展趋势
Abstract：Many production machinery requirements within a certain range of speed smooth adjustment and has good steadystate and dynamic performance Dc speed regulation system and wide speed range small static rate good stability and good dynamic performance in the field of highperformance drive technology a long period of time almost all adopt dc electric drive system Double closedloop dc speed regulating system is the most mature dc speed control system in the development and wide application of power transmission system It has the advantages of fast dynamic response strong antijamming capability We know that feedback closed loop control system has good disturbance resistance it is for the feedback loop were all can effective to restrain disturbance Using negative feedback of rotation speed and the single closedloop speed control system of PI regulator may be guarantee conditions for the robust stability of the system to achieve speed astatic But if the system dynamic performance of the demand is higher such as requiring a small braking and sudden load dynamic downhill etc single closed loop system is difficult to meet the requirements This is mainly because in a single closedloop system can＇t completely according to the need to control the dynamic process of current and torque In a single closedloop system only by the current negative feedback link is specially used to control the current But it is only after more than the critical current value the impact of the strong negative feedback effect of limiting current is not very ideal control current dynamic waveform In the practical work we hope that under the condition of motor current biggest limit make full use of the machine allows the overload capacity the best is always in the process of excessive current (torque) to allow maximum value make the electric drive system with maximum acceleration start as far as possible after arrived at steady speed and let the current down immediately make torque and load balance immediately thus to steady state operation At this point the starting current square waveform and speed is linear growth This is the biggest moment of the electrical flow under the condition of speed control system can get the fastest startup process With the continuous development of socialized production power transmission device is widely used in modern industrial production the production process the requirement of increasing the quality of the product which requires more and more production machinery to realize braking speed so we will be the automatic speed control system of such some understanding and further research The topic of this design is double closedloop thyristor irreversible dc speed regulating system including the main circuit and control circuit Main circuit is composed of thyristor control circuit mainly by the detection circuit drive circuit detection circuit and includes speed detection and current detection
Keywords：Double closed loop control system speed control loop the system present situation development trend
目 录
1 双闭环直流调速系统工作原理 1
11 双闭环直流调速系统介绍 1
12 双闭环直流调速系统组成 2
13 双闭环直流调速系统稳态结构图静特性 4
14 双闭环直流调速系统数学模型 6
2调节器工程设计 10
21 调节器设计原 10
22 Ⅰ型系统Ⅱ型系统性较 11
23 电流调节器设计 12
24 转速调节器设计 16
3 Simulink仿真 20
31 双闭环直流调速系统仿真设计 21
致谢 23
参考文献 24
1 双闭环直流调速系统工作原理
11 双闭环直流调速系统介绍
双闭环（转速环电流环）直流调速系统种前应广泛济适电力传动系统具动态响应快抗干扰力强优点知道反馈闭环控制系统具良抗扰性反馈环前通道切扰动作效加抑制采转速负反馈PI调节器单闭环调速系统保证系统稳定条件实现转速静差果系统动态性求较高例求起制动突加负载动态速降等等单闭环系统难满足求单闭环系统中完全需控制动态程电流转矩
单闭环系统中电流截止负反馈环节专门控制电流超界电流值强烈负反馈作限制电流击理想控制电流动态波形带电流截止负反馈单闭环调速系统起动时电流转速波形图1（a）示电流值降低电机转矩减加速程必然拖长
IdL
n
t
Id
O
Idm
IdL
n
t
Id
O
Idm
Idcr
n
n
(a)
(b)
(a)带电流截止负反馈单闭环调速系统起动程 (b)理想快速起动程
图1 调速系统起动程电流转速波形
实际工作中希电机电流（转矩）受限条件充分利电机允许载力渡程中始终保持电流（转矩）允许值电力拖动系统加速度起动达稳定转速电流立降转矩马负载相衡转入稳态运行样理想起动程波形图1（b）示时启动电流成方波形转速线性增长电流（转矩）受限条件调速系统快起动程
实际电路电感作电流突跳实现允许条件快启动关键获段电流保持值恒流程反馈控制规律采某物理量负反馈保持该量基变采电流负反馈似恒流程问题希启动程中电流负反馈转速负反馈时加调节器输入端达稳态转速希转速负反馈电流负反馈发挥作采双闭环调速系统样做存转速电流两种负反馈作作阶段
12 双闭环直流调速系统组成
实现转速电流两种负反馈分起作系统中设置两调节器分调节转速电流二者间实行串级连接图2示转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制晶闸整流器触发装置闭环结构电流调节环里面做环转速环外面做外环样形成转速电流双闭环调速系统
该双闭环调速系统两调节器ASRACR般采PI调节器PI调节器作校正装置保证系统稳态精度系统稳态运行时静差调速提高系统稳定性作控制器时兼顾快速响应消静差两方面求般调速系统求稳准采PI调节器便保证系统获良静态动态性
图2 转速电流双闭环直流调速系统
图中U*nUn—转速定电压转速反馈电压U*iUi—电流定电压电流反馈电压 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
13 双闭环直流调速系统稳态结构图静特性
Ks
a
1Ce
U*n
Uct
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
ASR
+
U*i
IdR
R
b
ACR
Ui
UPE
图3：双闭环直流调速系统稳态结构图
双闭环直流系统稳态结构图图3示分析双闭环调速系统静特性关键掌握PI调节器稳态特征般存两种状况：饱——输出达限幅值饱——输出未达限幅值调节器饱时输出恒值输入量变化影响输出相该调节环开环调节器饱时PI作输入偏差电压稳太时总零
实际正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况
1．转速调节器饱
时两调节器饱稳态时输入偏差电压零
（11）
（12）
式（11）：n
静特性曲线CA段时ASR饱<知<说CA段特性理想空载状态Id0直延续般额定电流静特性运行段条水特性
2．转速调节器饱
时ASR输出达限幅值转速外环呈开环状态转速变化系统产生影响双闭环系统变成电流静差单电流闭环调节系统稳态时：
（13）
中电流取决电动机容许载力拖动系统允许加速度式静特性AB段条垂直特性样垂特性适合情况果ASR退出饱状态
图4 双闭环直流调速系统静特性曲线
14 双闭环直流调速系统数学模型
141 双闭环直流调速系统动态数学模型
双闭环控制系统数学模型形式然传递函数零极点模型基础系统动态结构图双闭环直流调速系统动态结构框图图5示图中分表示转速调节器电流调节器传递函数引出电流反馈电动机动态结构框图中必须电枢电流显露出
U*n
a
Uct
IdL
n
Ud0
Un
+
b
Ui
WASR(s)
WACR(s)
Ks
Tss+1
1R
Tl s+1
R
Tms
U*i
Id
1Ce
+
E
图5：双闭环直流调速系统动态结构框图
142 起动程分析
双闭环直流调速系统突加定电压静止状态起动时转速调节器输出电压电流调节器输出电压控整流器输出电压电动机电枢电流转速动态响应波形程图2—8示起动程中转速调节器ASR历饱饱退饱三种情况整动态程分成ⅠⅡⅢ三阶段
图6 双闭环直流调速系统起动程转速电流波形
第阶段电流升阶段突加定电压时电动机机电惯性较电动机转动（n0）转速负反馈电压时ASR输出突增ACR输出控整流器输出电枢电流迅速增加增加（负载电流）时电动机开始转动转速调节器ASR输出快达限幅值电枢电流达应值（程中降电流负反馈引起）时电流负反馈电压ACR定电压基相等
（13）
式中——电流反馈系数
速度调节器ASR输出限幅值正求整定
第二阶段恒流升速阶段电流升值开始转速升定值止启动程阶段阶段中ASR直饱转速负反馈起调节作转速环相开环状态系统表现恒流调节电流保持恒定值系统加速度恒值转速n线性规律升知线性增加求线性增加启动程中电流调节器应该饱晶闸控整流环节应该饱
第三阶段转速调节阶段转速调节器阶段中起作开始时转速已升定值ASR定电压转速负反馈电压相衡输入偏差等零输出积分作维持限幅值电动机电流加速转速超调超调ASR退出饱输出电压（ACR定电压）限幅值降降负载电流开始段时间转速继续升时电动机开始负载阻力减速知道稳定（果系统动态品质够振荡次稳定）阶段中ASRACR时发挥作转速调节器外环ASR处导位ACR作力图快ASR输出变化
稳态时转速等定值电枢电流等负载电流ASRACR输入偏差电压零积分作恒定输出电压ASR输出电压
（14）
ACR输出电压
（15）
述知双闭环调速系统启动程部分时间ASR处饱限幅状态转速环相开路系统表现恒电流调节基实现理想程双闭环调速系统转速响应定超调超调转速调节器退出饱稳定运行时ASR发挥调节作稳态接稳态运行中表现静差调速双闭环调速系统具良静态动态品质
综述双闭环调速系统起动程三特点：
（1）饱非线形控制：着ASR饱饱整系统处完全两种状态情况表现结构线形系统采分段线形化方法分析简单线形控制理笼统设计样控制系统
（2）转速超调：转速调节器ASR采PI调节器时转速必然超调转速略超调般容许完全允许超调情况应采控制方法抑制超调
（3）准时间优控制：设备允许条件实现短时间控制称作时间优控制电力拖动系统电动机允许载力限制恒流起动时间优控制起动程ⅠⅡ两阶段中电流突变实际起动程理想启动程相差距两段时间占全部起动时间中成分伤局称作准时间优控制采饱非线性控制方法实现准时间优控制种实价值控制策略种环控制中普遍应
2调节器工程设计
21 调节器设计原
保证转速发生器高精度高性系统采转速变化率反馈电流反馈双闭环电路考虑问题：
1 保证转速设定快达稳速状态
2 保证优稳定时间
3 减转速超调量
解决述问题必须转速电流两调节器进行优化设计满足系统需
建立调节器工程设计方法遵循原：
1 概念清楚易懂
2 计算公式简明记
3 仅出参数计算公式指明参数调整方
4 考虑饱非线性控制情况样出简明计算公式
5 适种简化成典型系统反馈控制系统
直流调速系统调节器参数工程设计包括确定典型系统选择调节器类型计算调节器参数计算调节器电路参数校验等容
选择调节器结构时采少量典型系统参数系统性指标关系已事先找具体选择参数时须现成公式表格中数计算样设计方法规范化减少设计工作量
22 Ⅰ型系统Ⅱ型系统性较
许控制系统开环传递函数表示：
根W(s)中积分环节数该控制系统称0型Ⅰ型Ⅱ型……系统动控制理证明0型系统稳态时差Ⅲ型Ⅲ型系统难稳定通常保证稳定性定稳态精度Ⅰ型Ⅱ型系统典型Ⅰ型Ⅱ型系统开环传递函数
（21）
（22）
般说典型Ⅰ型系统动态性做超调抗忧性差典型Ⅱ型系统超调量相抗扰性较基转速电流双闭环调速系统中电流环重作保持电枢电流动态程中超允许值否抑制超调设计电流环首先考虑问题般电流环设计Ⅰ型系统电流调节设计应限定条件转速环稳态静差根求转速环通常设计Ⅱ型系统双闭环调速系统中整流装置滞时间常数Ts电流滤波时间常数Toi般电枢回路电磁Tl前两者似惯性环节取T∑iTs+Toi样惯性环节似处理电流环控制象双惯性环节设计成典型Ⅰ型系统理惯性环节似处理转速环控象形式(21)前述转速环应设计成Ⅱ型系统转速调节器设计成PI型调节器式示
（23）
23 电流调节器设计
231 结构框图化简结构选择
动态性设计电流环时暂考虑反电动势变化动态影响DE≈0时电流环图7示
图7 电流环动态结构框图化简
忽略反电动势电流环作似条件：
式中电流环开环频率特性截止频率
果定滤波反馈滤波两环节等效移环时定信号改成U*i(s) b 电流环便等效成单位负反馈系统
图8a 等效成单位负反馈系统
Ts T0i 般Tl 作惯性群似作惯性环节时间常数 T∑i Ts + Toi
电流环结构图终简化成图8
图8b 惯性环节似处理
232 时间常数计算
直流电机参数
整流装置滞时间常数Ts00017s
电流滤波时间常数Toi0002s
电流环时间常数T∑Ts+Toi00017s +0002s 00037s
电枢回路电磁时间常数
电力拖动系统机电时间常数
233 选择电流调节器结构
求电流静差实际系统允许电枢电流突加控制作时太超调保证电流动态程中超允许值电网电压波动时抗扰作次素电流环应性应选典型I型系统
电流环控制象双惯性型校正成典型 I 型系统显然应采PI型电流调节器传递函数写成
（25）
式中 Ki — 电流调节器例系数
ti — 电流调节器超前时间常数
检查电源电压抗扰性：参典型Ⅰ型系统动态抗扰性指标参数关系表格出项指标接受
234 计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：tiTl007s
电流环开环增益：求δi＜5时应取KIT∑i05
ACR例系数：
235 校验似条件
电流环截止频率：ciKI1351s1
晶闸整流装置传递函数似条件：
满足似条件
忽略反电动势变化电流环动态影响条件：
满足似条件
电流环时间常数似处理条件：
满足似条件
236 计算调节器电阻电容
图9 PI型电路调节器组成
运算放器取R040k电阻电容值：
24 转速调节器设计
241 转速环结构框图化简
电流环简化视作转速环中环节接入转速环电流环等效环节输入量应Ui*(s)电流环转速环中应等效
电流环等效环节代电流环整转速控制系统动态结构图便图10示
电流环样转速定滤波反馈滤波环节移环时定信号改成U*n(s)a时间常数1 KI T0n 两惯性环节合起似成时间常数惯性环节中
n (s)
+
Un (s)
ASR
CeTms
R
U*n(s)
Id (s)
a
T0ns+1
1
T0ns+1
U*n(s)
+
IdL (s)
图10 等效环节代电流环转速环动态结构图
转速环结构简图图11
图11 等效成单位负反馈系统惯性似处理转速环结构框图
242 确定时间常数
1电流环等效时间常数1KI电流环参数知KIT∑i05
2转速滤波时间常数Ton根已知条件知Ton001s
3转速环时间常数T∑n时间常数似处理取
243 选择转速调节器结构
实现转速静差负载扰动作点前面必须积分环节应该包含转速调节器 ASR 中现扰动作点面已积分环节转速环开环传递函数应两积分环节应该设计成典型 Ⅱ 型系统样系统时满足动态抗扰性求见ASR应该采PI调节器传递函数
式中 Kn — 转速调节器例系数
t n — 转速调节器超前时间常数
244 计算转速调节器参数
抗扰性较原取h5ASR超前时间常数：
转速环开环增益：
ASR例系数：
245 检验似条件
转速环截止频率
1) 电流环传递函数简化条件
满足似条件
2) 转速环时间常数似处理条件
满足似条件
246 计算调节器电阻电容
图12 PI型转速调节器组成
取R040k
h5时查询典型Ⅱ型系统阶跃输入性指标表格出满足设计求需添加微分负反馈：
3 Simulink仿真
31 双闭环直流调速系统仿真设计
图18 双闭环仿真结果
致谢
通次设计基掌握直流双闭环调速系统设计具体说第解调速发展史时进步解交流调速系统蕴涵发展潜力掌握方面未发展动态第二解双闭环直流调速系统基组成静态动态特性第三基掌握ASRACR（速度电流调节器）满足系统动态静态指标结构选取包括参数计算第四运MATLAB仿真系统建立双闭环直流调速系统进行仿真时进步熟悉MATLAB相关功掌握方法
课程设计综合运动控制原理电力电子技术电力拖动控制技术等知识更完成设计重新复遍原学知识加深知识理解提高知识应力时认识课程间紧密联系
总设计程中仅学前未接触新知识学会独立发现面分析解决新问题力仅学知识锻炼力受益非浅时感谢设计中提供帮助老师学
参考文献
[1] 阮毅陈维钧 运动控制系统 清华学出版社2002
[2] 陈伯时 电力拖动动控制系统（第2版） 机械工业出版1991
[3] 陈伯时陈敏逊 交流调速系统 机械工业出版社1997
[4] 胡崇岳 现代交流调速技术 机械工业出版社2001
[5] 李友善 动控制原理北京：国防工业出版社1981
[6] 周渊深 交直流调速系统MATLAB仿真北京：中国电力出版社2004
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皖 西 学 院
课程设计报告书
系 ：
机 电 学 院
专 业：
电气工程动化
学 生 姓 名：
桂邯郸
学 号：
2013011286
课程设计题目：
双闭环直流电机调速
起 迄 日 期
6 月 13日 ~ 6月 24日
课程设计点
机电学院实验室
指 导 教 师
汪 明 珠
达务书日期 2016年6月13日
摘 ：许生产机械求定范围进行速度滑调节求具良稳态动态性直流调速系统调速范围广静差率稳定性具良动态性高性拖动技术领域中相长时期采直流电力拖动系统双闭环直流调速系统直流调速控制系统中发展成熟应非常广泛电力传动系统具动态响应快抗干扰力强等优点知道反馈闭环控制系统具良抗扰性反馈环前通道切扰动作效加抑制采转速负反馈PI调节器单闭环调速系统保证系统稳定条件实现转速静差果系统动态性求较高例求起制动突加负载动态速降等等单闭环系统难满足求单闭环系统中完全需控制动态程电流转矩单闭环系统中电流截止负反馈环节专门控制电流超界电流值强烈负反馈作限制电流击理想控制电流动态波形实际工作中希电机电流限制条件充分利电机允许载力度程中始终保持电流（转矩）允许值电力拖动系统加速度启动达稳定转速电流立降转矩马负载相衡转入稳态运行时启动电流成方波形转速线性增长电流转矩条件调速系统快启动程着社会化生产断发展电力传动装置现代化工业生产中广泛应生产工艺产品质量求断提高需越越生产机械够实现制动调速样动调速系统作深入解研究 次设计课题双闭环晶闸逆直流调速系统包括电路控制回路电路晶闸构成控制回路检测电路驱动电路构成检测电路包括转速检测电流检测等部分
关键词：双闭环控制系统转速控制环系统现状发展趋势
Abstract：Many production machinery requirements within a certain range of speed smooth adjustment and has good steadystate and dynamic performance Dc speed regulation system and wide speed range small static rate good stability and good dynamic performance in the field of highperformance drive technology a long period of time almost all adopt dc electric drive system Double closedloop dc speed regulating system is the most mature dc speed control system in the development and wide application of power transmission system It has the advantages of fast dynamic response strong antijamming capability We know that feedback closed loop control system has good disturbance resistance it is for the feedback loop were all can effective to restrain disturbance Using negative feedback of rotation speed and the single closedloop speed control system of PI regulator may be guarantee conditions for the robust stability of the system to achieve speed astatic But if the system dynamic performance of the demand is higher such as requiring a small braking and sudden load dynamic downhill etc single closed loop system is difficult to meet the requirements This is mainly because in a single closedloop system can＇t completely according to the need to control the dynamic process of current and torque In a single closedloop system only by the current negative feedback link is specially used to control the current But it is only after more than the critical current value the impact of the strong negative feedback effect of limiting current is not very ideal control current dynamic waveform In the practical work we hope that under the condition of motor current biggest limit make full use of the machine allows the overload capacity the best is always in the process of excessive current (torque) to allow maximum value make the electric drive system with maximum acceleration start as far as possible after arrived at steady speed and let the current down immediately make torque and load balance immediately thus to steady state operation At this point the starting current square waveform and speed is linear growth This is the biggest moment of the electrical flow under the condition of speed control system can get the fastest startup process With the continuous development of socialized production power transmission device is widely used in modern industrial production the production process the requirement of increasing the quality of the product which requires more and more production machinery to realize braking speed so we will be the automatic speed control system of such some understanding and further research The topic of this design is double closedloop thyristor irreversible dc speed regulating system including the main circuit and control circuit Main circuit is composed of thyristor control circuit mainly by the detection circuit drive circuit detection circuit and includes speed detection and current detection
Keywords：Double closed loop control system speed control loop the system present situation development trend
目 录
1 双闭环直流调速系统工作原理 1
11 双闭环直流调速系统介绍 1
12 双闭环直流调速系统组成 2
13 双闭环直流调速系统稳态结构图静特性 4
14 双闭环直流调速系统数学模型 6
2调节器工程设计 10
21 调节器设计原 10
22 Ⅰ型系统Ⅱ型系统性较 11
23 电流调节器设计 12
24 转速调节器设计 16
3 Simulink仿真 20
31 双闭环直流调速系统仿真设计 21
致谢 23
参考文献 24
1 双闭环直流调速系统工作原理
11 双闭环直流调速系统介绍
双闭环（转速环电流环）直流调速系统种前应广泛济适电力传动系统具动态响应快抗干扰力强优点知道反馈闭环控制系统具良抗扰性反馈环前通道切扰动作效加抑制采转速负反馈PI调节器单闭环调速系统保证系统稳定条件实现转速静差果系统动态性求较高例求起制动突加负载动态速降等等单闭环系统难满足求单闭环系统中完全需控制动态程电流转矩
单闭环系统中电流截止负反馈环节专门控制电流超界电流值强烈负反馈作限制电流击理想控制电流动态波形带电流截止负反馈单闭环调速系统起动时电流转速波形图1（a）示电流值降低电机转矩减加速程必然拖长
IdL
n
t
Id
O
Idm
IdL
n
t
Id
O
Idm
Idcr
n
n
(a)
(b)
(a)带电流截止负反馈单闭环调速系统起动程 (b)理想快速起动程
图1 调速系统起动程电流转速波形
实际工作中希电机电流（转矩）受限条件充分利电机允许载力渡程中始终保持电流（转矩）允许值电力拖动系统加速度起动达稳定转速电流立降转矩马负载相衡转入稳态运行样理想起动程波形图1（b）示时启动电流成方波形转速线性增长电流（转矩）受限条件调速系统快起动程
实际电路电感作电流突跳实现允许条件快启动关键获段电流保持值恒流程反馈控制规律采某物理量负反馈保持该量基变采电流负反馈似恒流程问题希启动程中电流负反馈转速负反馈时加调节器输入端达稳态转速希转速负反馈电流负反馈发挥作采双闭环调速系统样做存转速电流两种负反馈作作阶段
12 双闭环直流调速系统组成
实现转速电流两种负反馈分起作系统中设置两调节器分调节转速电流二者间实行串级连接图2示转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制晶闸整流器触发装置闭环结构电流调节环里面做环转速环外面做外环样形成转速电流双闭环调速系统
该双闭环调速系统两调节器ASRACR般采PI调节器PI调节器作校正装置保证系统稳态精度系统稳态运行时静差调速提高系统稳定性作控制器时兼顾快速响应消静差两方面求般调速系统求稳准采PI调节器便保证系统获良静态动态性
图2 转速电流双闭环直流调速系统
图中U*nUn—转速定电压转速反馈电压U*iUi—电流定电压电流反馈电压 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
13 双闭环直流调速系统稳态结构图静特性
Ks
a
1Ce
U*n
Uct
Id
E
n
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Un
+
+
ASR
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R
b
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Ui
UPE
图3：双闭环直流调速系统稳态结构图
双闭环直流系统稳态结构图图3示分析双闭环调速系统静特性关键掌握PI调节器稳态特征般存两种状况：饱——输出达限幅值饱——输出未达限幅值调节器饱时输出恒值输入量变化影响输出相该调节环开环调节器饱时PI作输入偏差电压稳太时总零
实际正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况
1．转速调节器饱
时两调节器饱稳态时输入偏差电压零
（11）
（12）
式（11）：n
静特性曲线CA段时ASR饱<知<说CA段特性理想空载状态Id0直延续般额定电流静特性运行段条水特性
2．转速调节器饱
时ASR输出达限幅值转速外环呈开环状态转速变化系统产生影响双闭环系统变成电流静差单电流闭环调节系统稳态时：
（13）
中电流取决电动机容许载力拖动系统允许加速度式静特性AB段条垂直特性样垂特性适合情况果ASR退出饱状态
图4 双闭环直流调速系统静特性曲线
14 双闭环直流调速系统数学模型
141 双闭环直流调速系统动态数学模型
双闭环控制系统数学模型形式然传递函数零极点模型基础系统动态结构图双闭环直流调速系统动态结构框图图5示图中分表示转速调节器电流调节器传递函数引出电流反馈电动机动态结构框图中必须电枢电流显露出
U*n
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Ui
WASR(s)
WACR(s)
Ks
Tss+1
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R
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+
E
图5：双闭环直流调速系统动态结构框图
142 起动程分析
双闭环直流调速系统突加定电压静止状态起动时转速调节器输出电压电流调节器输出电压控整流器输出电压电动机电枢电流转速动态响应波形程图2—8示起动程中转速调节器ASR历饱饱退饱三种情况整动态程分成ⅠⅡⅢ三阶段
图6 双闭环直流调速系统起动程转速电流波形
第阶段电流升阶段突加定电压时电动机机电惯性较电动机转动（n0）转速负反馈电压时ASR输出突增ACR输出控整流器输出电枢电流迅速增加增加（负载电流）时电动机开始转动转速调节器ASR输出快达限幅值电枢电流达应值（程中降电流负反馈引起）时电流负反馈电压ACR定电压基相等
（13）
式中——电流反馈系数
速度调节器ASR输出限幅值正求整定
第二阶段恒流升速阶段电流升值开始转速升定值止启动程阶段阶段中ASR直饱转速负反馈起调节作转速环相开环状态系统表现恒流调节电流保持恒定值系统加速度恒值转速n线性规律升知线性增加求线性增加启动程中电流调节器应该饱晶闸控整流环节应该饱
第三阶段转速调节阶段转速调节器阶段中起作开始时转速已升定值ASR定电压转速负反馈电压相衡输入偏差等零输出积分作维持限幅值电动机电流加速转速超调超调ASR退出饱输出电压（ACR定电压）限幅值降降负载电流开始段时间转速继续升时电动机开始负载阻力减速知道稳定（果系统动态品质够振荡次稳定）阶段中ASRACR时发挥作转速调节器外环ASR处导位ACR作力图快ASR输出变化
稳态时转速等定值电枢电流等负载电流ASRACR输入偏差电压零积分作恒定输出电压ASR输出电压
（14）
ACR输出电压
（15）
述知双闭环调速系统启动程部分时间ASR处饱限幅状态转速环相开路系统表现恒电流调节基实现理想程双闭环调速系统转速响应定超调超调转速调节器退出饱稳定运行时ASR发挥调节作稳态接稳态运行中表现静差调速双闭环调速系统具良静态动态品质
综述双闭环调速系统起动程三特点：
（1）饱非线形控制：着ASR饱饱整系统处完全两种状态情况表现结构线形系统采分段线形化方法分析简单线形控制理笼统设计样控制系统
（2）转速超调：转速调节器ASR采PI调节器时转速必然超调转速略超调般容许完全允许超调情况应采控制方法抑制超调
（3）准时间优控制：设备允许条件实现短时间控制称作时间优控制电力拖动系统电动机允许载力限制恒流起动时间优控制起动程ⅠⅡ两阶段中电流突变实际起动程理想启动程相差距两段时间占全部起动时间中成分伤局称作准时间优控制采饱非线性控制方法实现准时间优控制种实价值控制策略种环控制中普遍应
2调节器工程设计
21 调节器设计原
保证转速发生器高精度高性系统采转速变化率反馈电流反馈双闭环电路考虑问题：
1 保证转速设定快达稳速状态
2 保证优稳定时间
3 减转速超调量
解决述问题必须转速电流两调节器进行优化设计满足系统需
建立调节器工程设计方法遵循原：
1 概念清楚易懂
2 计算公式简明记
3 仅出参数计算公式指明参数调整方
4 考虑饱非线性控制情况样出简明计算公式
5 适种简化成典型系统反馈控制系统
直流调速系统调节器参数工程设计包括确定典型系统选择调节器类型计算调节器参数计算调节器电路参数校验等容
选择调节器结构时采少量典型系统参数系统性指标关系已事先找具体选择参数时须现成公式表格中数计算样设计方法规范化减少设计工作量
22 Ⅰ型系统Ⅱ型系统性较
许控制系统开环传递函数表示：
根W(s)中积分环节数该控制系统称0型Ⅰ型Ⅱ型……系统动控制理证明0型系统稳态时差Ⅲ型Ⅲ型系统难稳定通常保证稳定性定稳态精度Ⅰ型Ⅱ型系统典型Ⅰ型Ⅱ型系统开环传递函数
（21）
（22）
般说典型Ⅰ型系统动态性做超调抗忧性差典型Ⅱ型系统超调量相抗扰性较基转速电流双闭环调速系统中电流环重作保持电枢电流动态程中超允许值否抑制超调设计电流环首先考虑问题般电流环设计Ⅰ型系统电流调节设计应限定条件转速环稳态静差根求转速环通常设计Ⅱ型系统双闭环调速系统中整流装置滞时间常数Ts电流滤波时间常数Toi般电枢回路电磁Tl前两者似惯性环节取T∑iTs+Toi样惯性环节似处理电流环控制象双惯性环节设计成典型Ⅰ型系统理惯性环节似处理转速环控象形式(21)前述转速环应设计成Ⅱ型系统转速调节器设计成PI型调节器式示
（23）
23 电流调节器设计
231 结构框图化简结构选择
动态性设计电流环时暂考虑反电动势变化动态影响DE≈0时电流环图7示
图7 电流环动态结构框图化简
忽略反电动势电流环作似条件：
式中电流环开环频率特性截止频率
果定滤波反馈滤波两环节等效移环时定信号改成U*i(s) b 电流环便等效成单位负反馈系统
图8a 等效成单位负反馈系统
Ts T0i 般Tl 作惯性群似作惯性环节时间常数 T∑i Ts + Toi
电流环结构图终简化成图8
图8b 惯性环节似处理
232 时间常数计算
直流电机参数
整流装置滞时间常数Ts00017s
电流滤波时间常数Toi0002s
电流环时间常数T∑Ts+Toi00017s +0002s 00037s
电枢回路电磁时间常数
电力拖动系统机电时间常数
233 选择电流调节器结构
求电流静差实际系统允许电枢电流突加控制作时太超调保证电流动态程中超允许值电网电压波动时抗扰作次素电流环应性应选典型I型系统
电流环控制象双惯性型校正成典型 I 型系统显然应采PI型电流调节器传递函数写成
（25）
式中 Ki — 电流调节器例系数
ti — 电流调节器超前时间常数
检查电源电压抗扰性：参典型Ⅰ型系统动态抗扰性指标参数关系表格出项指标接受
234 计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：tiTl007s
电流环开环增益：求δi＜5时应取KIT∑i05
ACR例系数：
235 校验似条件
电流环截止频率：ciKI1351s1
晶闸整流装置传递函数似条件：
满足似条件
忽略反电动势变化电流环动态影响条件：
满足似条件
电流环时间常数似处理条件：
满足似条件
236 计算调节器电阻电容
图9 PI型电路调节器组成
运算放器取R040k电阻电容值：
24 转速调节器设计
241 转速环结构框图化简
电流环简化视作转速环中环节接入转速环电流环等效环节输入量应Ui*(s)电流环转速环中应等效
电流环等效环节代电流环整转速控制系统动态结构图便图10示
电流环样转速定滤波反馈滤波环节移环时定信号改成U*n(s)a时间常数1 KI T0n 两惯性环节合起似成时间常数惯性环节中
n (s)
+
Un (s)
ASR
CeTms
R
U*n(s)
Id (s)
a
T0ns+1
1
T0ns+1
U*n(s)
+
IdL (s)
图10 等效环节代电流环转速环动态结构图
转速环结构简图图11
图11 等效成单位负反馈系统惯性似处理转速环结构框图
242 确定时间常数
1电流环等效时间常数1KI电流环参数知KIT∑i05
2转速滤波时间常数Ton根已知条件知Ton001s
3转速环时间常数T∑n时间常数似处理取
243 选择转速调节器结构
实现转速静差负载扰动作点前面必须积分环节应该包含转速调节器 ASR 中现扰动作点面已积分环节转速环开环传递函数应两积分环节应该设计成典型 Ⅱ 型系统样系统时满足动态抗扰性求见ASR应该采PI调节器传递函数
式中 Kn — 转速调节器例系数
t n — 转速调节器超前时间常数
244 计算转速调节器参数
抗扰性较原取h5ASR超前时间常数：
转速环开环增益：
ASR例系数：
245 检验似条件
转速环截止频率
1) 电流环传递函数简化条件
满足似条件
2) 转速环时间常数似处理条件
满足似条件
246 计算调节器电阻电容
图12 PI型转速调节器组成
取R040k
h5时查询典型Ⅱ型系统阶跃输入性指标表格出满足设计求需添加微分负反馈：
3 Simulink仿真
31 双闭环直流调速系统仿真设计
图18 双闭环仿真结果
致谢
通次设计基掌握直流双闭环调速系统设计具体说第解调速发展史时进步解交流调速系统蕴涵发展潜力掌握方面未发展动态第二解双闭环直流调速系统基组成静态动态特性第三基掌握ASRACR（速度电流调节器）满足系统动态静态指标结构选取包括参数计算第四运MATLAB仿真系统建立双闭环直流调速系统进行仿真时进步熟悉MATLAB相关功掌握方法
课程设计综合运动控制原理电力电子技术电力拖动控制技术等知识更完成设计重新复遍原学知识加深知识理解提高知识应力时认识课程间紧密联系
总设计程中仅学前未接触新知识学会独立发现面分析解决新问题力仅学知识锻炼力受益非浅时感谢设计中提供帮助老师学
参考文献
[1] 阮毅陈维钧 运动控制系统 清华学出版社2002
[2] 陈伯时 电力拖动动控制系统（第2版） 机械工业出版1991
[3] 陈伯时陈敏逊 交流调速系统 机械工业出版社1997
[4] 胡崇岳 现代交流调速技术 机械工业出版社2001
[5] 李友善 动控制原理北京：国防工业出版社1981
[6] 周渊深 交直流调速系统MATLAB仿真北京：中国电力出版社2004
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