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1、基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究1基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究摘要：本次的实验内容介绍了双闭环直流调速系统的原理及组成，并且分别对电流调节器和转速调节器进行了分析，而且对电流环和转速环模型的建立和参数的设计，运用 MATLAB 计算机软件对其进行了仿真研究，并得出实验结果。关键词：双闭环直流调速系统 电流环 转速环 计算机仿真一、研究要求1、掌握双闭环直流调速系统的原理及组成2、掌握双闭环直流调速系统的仿真研究方法二、双闭环直流调速系统原理2.1、双闭环直流调速系统的介绍 许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制 动、反转的过渡过程中，因
2、此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用 PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。 双闭环直流调速系统较单闭环相比具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。具有单闭环不能比拟的优势2.2、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 1 图所示，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
3、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。 图 1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.3 系统的静态和动态性能指标2.3.1 系统的静态性能指标首先，画出其稳态系统结构框图，如图 2 所示基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿
4、真研究2图 2 双闭环直流调速系统的稳态结构图由于当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出量，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于该调节环开环，当调节器不饱和时，PI 调节器工作在线性调节状态。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况2.3.1.1 转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零。Un*=Un=n=n0n= =n0，Ui*=Ui=IdUn*由于 ASR 不饱和， Ui*wc 满足近似条件13Ts 13
5、0.0017（2） 校验忽略反电动势对电流环影响的条件：满足近似条件cilm ssTp821.40*3.180（3）小时间常数近似处理条件满足近似条件ciois ssTf81.0*2.017.13.2.5 计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图 5 所示图 5 电流调节器原理图按所有运算放大器取 ，各电阻和电容值计算如下40KR取,52.13.Koii K40取,7.004.63FRCii F75.取,2.12.68Toii .0按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为： ，满足设计要求。%53.4pi基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究63.3 转速环的设计在设计转速环时，可把
6、已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。3.3.1 确定时间常数（1） 电流环等效时间常数为 。sTi074.2（2） 转速滤波时间常数 on根据所用调速发电机纹波情况，取 son01.（3） 转速环小时间常数 nT按小时间常数近似处理，取 sonin 0174.23.3.2、选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故 选用 调节器，其传递函数为ASRPIsKsWnAS1)(3.3.3、选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 ,则 的超前时间常数5hASR为 shTn 087.14.5转速环开环增益 222
7、 4.3961074.56ssThKnN于是， 的比例系数为ASR7.104.57.02813262)1( nThCmen3.3.4、效验近似条件基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究7转速环截止频率为 11 5.34087.4396sKnNcn（1） 电流环传递函数简化条件： = s =63.7 s wcn 满足简化条件。13 13（2） 小时间常数近似处理条件： = s =38.7 s wcn 满足近似条件。13 133.3.5、计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如下图 6：图 6 转速调节器原理图取 ，则KR40， 取Kn46807.10 470，取FRCn 15.48.63
8、2.， 取Ton01.6303.3.6、校核转速超调量当 h=5 时，n=37.6%,不能满足设计要求。实际上，以上我们是按照线性系统计算而得，当加阶跃时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，则需按 ASR 退饱和情况重新计算。当按 ASR 退饱和情况重新计算时：基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究8n=281.2%1.5 8.31%10%0.1740.18能满足设计要求。四、Simulink 仿真实验4.1 电流环的仿真电流环的仿真模型如图 7图 7 电流环的仿真模型（1） 当参数关系是 KT=0.5 时，电流环的仿真结果如图 8 所示：图 8 电流环的仿真结果分析：从图中可以曲
9、线看出，其阶跃响应的仿真曲线有很小的超调量，接着曲线呈略微的下降趋势，最终趋于稳定，且稳定值略低于 200A。（2）当参数关系是 KT=0.25 时，按 I 型系统的设计方法得到 PI 调节器的传递函数为基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究90.5067+ ,电流环的阶跃的仿真结果如图 9 所示。16.89s图 9 无超调的仿真结果分析：从图中可以曲线看出，其阶跃响应的仿真曲线无超调，但上升时间较上幅图的结果有变长，其稳定值也略低于 200A。（3） 当参数关系是 KT=1.0 时，得到 PI 调节器的传递函数为 2.027+ ，电流环的阶跃的仿67.567s真结果如图 10 所示
10、。图 10 转速环的抗扰波形图分析：从图中可以曲线看出，其阶跃响应的仿真曲线超调量很大，较上述的结果而言上升时间变短，且其稳定值也略低于 200A。基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究10三种情况分析小结：观察三条仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于 N,其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，其是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是 Id 略低于 Idm。4.2、转速环的系统仿真PI 参数采用上述转速环的设计结果，其传递函数为 11.7+ 。134.48s转速环的仿真模型如图 11 所示图 11 转速环的仿真模型（1） 将阶跃值设置为 10，得到启动
11、时的转速与电流响应曲线如图 12 所示，ASR 调节器经过了不饱和，饱和，退饱和三个阶段，最终稳定运行于给定转速。基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究11图 12 转速环空载高速起动波形图分析：从图中得到启动时的转速与电流响应曲线，转速的响应看出启动转速上诉，最终达稳定与给定转速，而电流的响应曲线呈上升，不变，下降三种趋势，即对应着，ASR 调节器经过了不饱和，饱和，退饱和三个阶段。（2）将负载电流设置为 136，满载启动，响应曲线如图 13 所示，启动时间延长，退饱和超调量减少。图 13 转速环满载高速起动波形图分析：从图中可以看出当满载启动时，转速曲线的上升阶段时间较上幅图而言
12、时间延长，即，启动时间延长。而电流响应曲线在退饱和时超调量有所减少。（3）转速环抗扰过程仿真结果响应曲线，如图 14 所示基于 MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真研究12图 14 转速环的抗扰波形图分析：图中曲线是在空载运行过程中受到了额定电流扰动时转速和电流仿真结果响应曲线，可以看到其受到扰动后，又迅速趋于稳定，即可以看出其抗扰性能强。 ，五、研究内容总结及体会在运动控制课程中，我们已经学习了双闭环直流调速系统，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；，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，实现转速和电流两种负反馈分别起作用，把转速调节器的输出
13、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，形成转速、电流双闭环调速系统。而且相对于单闭环来说双闭环直流调速系统具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，具有良好的抗扰性能，并且它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。另外，基本掌握了 ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算。 另一方面，在控制系统仿真课实验上，我们学习了有关 MATLAB 软件仿真的知识和方法，通过本次实验，我们掌握了双闭环直流调速系统的仿真研究方法，这不仅加深了我们对专业课上所学内容的理解，而且，也使得我们可以更加熟练的运用计算机仿真这个工具，这对于我们日后的工作和学习都会有很大的帮助，我觉得收获很大。五、参考文献控制系统仿真 郑恩让 聂诗良 中国林业出版社运动控制系统 阮 毅 陈伯时 机械工业出版社
