转速电流双闭环直流调速系统 -------基于MATLAB的仿真实验
组员：王勇（201110231067）
朱海（201110231057）
艾合麦提江（201110231066）
王志刚（20110231062）
学院：物流工程学院
专业：电气工程及其自动化
班级：电气112班
目录
一、前言 (3)
二、课程设计的目的及内容 (3)
2.1-课程设计的目的 (3)
2.2-课程设计的内容 (3)
三、参数的选取与计算 (4)
四、MATLAB仿真 (6)
4.1 开环直流系统的仿真 (6)
4.2 转速单闭环系统的仿真 (9)
4.3电流、转速双闭环系统的仿真 (12)
4.3.1基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真 (13)
4.3.2基于Power System模块的双闭环直流调速系统仿真 .. 15
五、课程设计心得体会 (20)
一、前言
在单闭环的系统中，由于不能随心所欲的控制电流和转速的动态过程，因此不适用与要求调速性能较高的场合。
为了使系统在启动、制动的动态过程中，在最大的电流约束下，获得直流电动机最佳速度调节过程，就引入了转速 、电流负反馈双闭环直流调速系统,使得在电动机起动时转速调节器(ASR)饱和, ASR 不起作用 ,电流环调节器 (ACR)起主要作用 , 用以调节起动电流并使之保持最大值,使得转速线性变化,迅速上升到给定值 ;在电动机稳定运行时 , ASR 退出饱和状态,开始起主要调节作用 , 使转速跟随给定信号变化 ,电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。
但是 , 双闭环直流调速系统硬件的电气结构复杂 ,在研究和设计的过程中 ,许多参数的选择需要反复调试 , 需要我们花费大量的时间和精力。
而运用计算机仿真技术对系统进行仿真 , 可以方便地对参数进行设置 ,得到合理的参数组合,为系统的实现提供理论依据 。
鉴于上述理由 ,本文提出种面向控制系统电气原理结构图的转速 、电流双闭环不可逆直流调速系统仿真的新方法 。
使用 Matlab/Simulink 中的 SimPowerSystems 工具箱,用户不需要自己编程且不需推导系统的动态数学模型, 只需要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件 ,按电气系统的结构进行连接即可。
系统的建模过程接近实际系统的搭建过程,且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性,仿真结果的可信度很高,而且由于仿真模型是图形化的 ,面向对象的,非常适合本次课程设计的研究。
二、课程设计目的及内容
2.1课程设计的目的
参照课本P104例3-6，以及结合给定的三道例题的参数，设计电流调节器ACR 和转速调节器ASR ，使其满足
(1) 静态指标：调速范围100D =，静差率1%<δ。
(2) 动态指标：电流和转速的超调量均小于5%（可按10%计算），
转速上升时间小于0.5秒， 动态恢复时间小于1秒， 振荡次数小于2~3次。
2.2设计内容
(1) 计算转速电流双闭环直流调速系统的基本参数（三相交流电源、直流电动机、平
波电抗器等）。
(2) 按照先内环、后外环的设计原则，设计双闭环系统的电流调节器ACR 和转速调节器ASR （工程设计法）。
(3) 在MATLAB/SIMULINK 软件平台上构建仿真模型，并对调速系统进行模拟实验，研究参数变化对系统性能的影响。
三、参数的选取与计算
根据课本中P104页给出的例题以及老师给定的三道例题我们可以知道：电动机额定参数为：额定电压U N =220V, 额定电流I N =100A, 额定转速nN=1460r/min, Ke=0.132V ·min/r, 三相桥式电路中KS=40, Ts=0.18s,电枢回路总电阻为R=0.5Ω，电磁时间常数Tl=0.03s,转速反馈系数为Kn=0.007V ·min/r,转速滤波时间常数Ton=0.01s ，电流反馈系数Ki=0.05V/A,电流滤波时间常数Toi=0.002s, GD 2=22.5N ·m, 励磁电压Uf=220V,，励磁电流If=1.5A,平波电抗器的电感为Ld=10mH 。
由以上的数据我们可以推算出：
为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感Ls=0H ，直流电动机励磁由直流电源直接供电。
触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号Uc 决定，移相特性的数学表达式为
min
c
cmax
9090U U αα︒-=︒-
在本模型中取αmin=30，Ucmax=10V ，所以α=90-6Uc 。
在直流电动机的负载转矩输入端TL 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。
由公式： Ke =
Un−In∗Ra
nN
得到：电机的内阻为：
Ra=
Un−nN∗Ke
In
=220−1460×0.132
100
=0.273（Ω）
所以整流器的内阻为：Rrec=R-Ra=0.5-0.273=0.227（Ω）。
供电电源电压为： U2=Un+Rrec×In 2.34cosαmin
=
220+0.227×1002.34cos30°
=120（V ）
电动机的参数有： 励磁电阻为：
Rf=Uf/If=220/1.5=146.7（Ω）, 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
电枢电感有下式估算出：
La =19.1CUn 2p∗nN∗In =19.1×0.4×220
2×2×1460×100=0.0029（H ） 电枢绕组与励磁绕组之间的互感：
KT=60Ke/2π=60×0.132/2π=1.26（s ） Laf=KT/If=1.26/1.5=0.84(H) 电机的转动惯量为：
J=GD 2 /4g=22.5/(4×9.81)=0.57（kg ·m 2）
额定负载转矩：
T L =K T I N =1.26×100=126（N ·m ）
电流调节器ACR 参数的计算： 电流环时间常数之和
T1=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367（s ）
ACR 的传递函数为i ACR pi ii
pi i 11
(s)s W K K K s s
ττ+=+=，其中时间常数 ti=Tl=0.03s,
比列系数Kpi=ti∗R 2T1∗Ks∗Ki =0.03×0.5
2×0.00367×40×005=1.02 积分系数 Kii=Kpi/ti=1.02/0.03=34
转速调节器ASR 参数的计算： 电流环等效时间常数
2Ti=2×0.00367=0.00734s 转速环时间常数之和
Tn=2Ti+Ton=0.00734+0.01=0.01734s
ASR 的传递函数为n ASR pn pi
pn n 11
(s)s W k k k s s
+τ=+=τ，其中时间常数 tn=h*Tn=5×0.01734=0.0867s 比列系数Kpn=
(h+1)Ki∗Ke∗Tm 2h∗Kn∗R∗Tn
=6×0.05×0.132×0.18
2×5×0.007×0.5×0.01734=11.745
积分系数 Kin=Kpn/tn=11.745/0.0867=135.47
（选择中频段宽度5h =）
综合上述的数据我们得到如下一张表格：
四、MATLAB仿真
4.1开环直流系统的仿真
开环直流调速系统的电气原理如图1所示。
直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路
U调节晶闸管的控制角α，从而改变经平波电抗器L供电，通过改变触发器移相控制信号c
整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
该系统的仿真模型如图2所示。
图1 开环直流调速系统电气原理图
图2 直流开环调速系统的仿真模型
根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s，仿真时间为5.0s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=126N.m，得到以下曲线：
A、直流开环调速系统的输出转速波形：
电机空载启动，转速在0.5秒左右几乎为直线上升，之后便缓慢的增加，最终在2255r/min 达到稳定，在2.5s时加上额定负载126N.m，转速立即下降，最后稳定在1430r/min。
B、直流开环调速系统的输出电流波形：
电机空载启动，启动电流很大，达到350A，启动后由于是空载所以消耗的电流小，于是电流最后降低并稳定在0A，在2.5s时加上额定负载后电流上升最终稳定在100A。
C、励磁电流的波形
由于励磁电压一定，并且电机的阻抗看做只有电阻阻抗，感抗和容抗视为0，所以其励磁电流为常数1.5A。
D、电机的输出转矩的波形
由于电机的转矩和电机的电流成正比，所以电机输出的转矩波形和电机电流的波形十分相似，只是比例大小不一样。
4.2转速单闭环直流系统的仿真
U、带转速负反馈的有静差直流调速系统的电气原理如图4所示，系统由转速给定环节*
n
转速调节器ASR（放大器
p
K）、移相触发器GT、晶闸管整流器UCR和直流电动机M和测速发电机TG等组成。
图3 转速闭环直流调速系统电气原理图
图4转速闭环直流调速系统的仿真模型
转速负反馈有静差直流调速系统的仿真模型如图4所示，模型在图2开环调速系统的
基础上，增加了转速给定*
n
U，转速反馈n-feed、放大器Gain和反映放大器输出限幅的饱
和特性模块Saturation，饱和限幅模块的输出是移相触发器的控制电压
c
U，转速反馈直接
取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数
*
nm
n
N
U
K
n
=。
根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s ，仿真时间为5.0s ，直流电机空载启动，在2.5s 后加额定负载TL=126N.m ，得到以下曲线： A 、 输出转速波形：
由曲线知，电机空载启动是，电机转速直线上升，当达到额定转速时便稳定，为1460r/min ，在2.5s 时给电机加上额定负载，之后电机的转速便迅速下滑、振荡稳定在1392r/min 左右。
B 、输出电流波形：
波形与开环时的电机电流波形很相似，只是在加入额定负载后，电机的电流先上升，最后稳定振荡在100A 。
C、励磁电流的波形
和开环直流调速系统一样。
D、电机的输出转矩的波形
由于电机的转矩和电机的电流成正比，所以电机输出的转矩波形和电机电流的波形十分相似，只是比例大小不一样。
4.3转速电流双闭环直流调速系统的仿真
转速电流双闭环直流调速系统的电气原理如图7所示，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。
图5转速电流双闭环直流调速系统的电气原理图
双闭环直流调速系统的仿真可以依据系统的动态结构图（图8a ）进行，也可以用SIMULINK 的Power System 模块来组建。
两种仿真的不同在于主电路，前者晶闸管和电动机用传递函数来表示，后者晶闸管和电动机使用Power System 模块，而控制部分则是相同的。
下面对这两种方法分别进行介绍。
4.3.1 基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真
双闭环直流调速系统的实际动态结构图如图6b 所示，它与图6a 的不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。
这是因为电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。
这样的滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oi T 可按需要选定，以滤平电流检测信号为准。
然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。
其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。
同样，由测速发电机得到的转速反馈电压信号含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用on T 表示。
根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为on T 的给定滤波环节。
a)
b)
图6 转速电流双闭环直流调速系统的动态结构图
依据系统动态结构图的仿真模型如图7所示，仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的。
需要指出的是，双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI 调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI 调节器，过程如下：
线性PI 调节器的传递函数为
i pi p p
1()k s
W s k k s s
+=+
=ττ 式中，p k 为比例系数，i k 为积分系数，时间常数p i /k k =τ。
上述PI 调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK 中的传递函数或零极点模块，而考虑饱和和输出限幅的PI 调节器模型如图8所示。
模型中比例和积分环节分为两个通道，其中积分模块Integrate 的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation 设定。
图7 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型
图8 带饱和和输出限幅的PI调节器
根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s，仿真时间为2s，直流电机空载启动，在1s后加额定负载TL=126N.m，得到以下曲线：
电流I和转速N 的波形分别如下（上为电流，下为转速）
图9转速电流双闭环直流调速系统仿真模型的转速和电流波形
4.3.2基于Power System模块的双闭环直流调速系统仿真
采用SIMULINK的Power System模块组成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图10所示，模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速、电流调节器组成的控制电路两部分构成。
其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制和电动机等环节使用Power System模型库中的模块。
控制电路的主体是转速和电流两个调节器，以及反馈滤波环节，这部分与前述基于动态结构图的双闭环系统仿真相同。
将这两部分拼接起来即组成晶闸管-电动机转速电流双闭环控制的直流调速系统的仿真模型。
模型中转速反馈和电流反馈均直接取自电机测量单元的转速和电流输出端，这样减少
了测速和电流检测环节，但并不影响仿真的真实性。
电流调节器ACR 的输出端接移相特性模块（Shifter ）的输入端，而ACR 的输出限幅值就决定了控制角的min α（o 30）和max α（o 150）。
图10 基于Power System 的双闭环直流调速系统仿真模型
应该注意，图10与图7仿真模型的不同在于以晶闸管整流器和电动机模型取代了动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传递函数，由于动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传动函数是线性的，其电流可以反向，因此转速调节过程要快一些，而实际的晶闸管整流器不能通过反向电流，所以仿真的结果略有不同，采用晶闸管整流器和电动机模型的仿真可以更好地反映系统的工作情况。
根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法odel5s ，仿真时间为5s ，直流电机空载启动，在2.5s 后加额定负载TL=126N.m ，得到以下曲线：
A 、 电机的输出转速波形：
电机空载启动最终在1583转/min 稳定，当2.5s 时加上额定负载后，电机转速迅速下降，后又上升稳定至1150r/min 。
由图可知，其调节时间比较长，约为1.1s ，不是很符合要求，于需要后面的调整。
B 、 电机电流的波形
C 、电机的励磁电流波形
与开环和单闭环的励磁电流波形一样，其理由见开环。
D 、 电机输出转矩的波形：
改变调节器ASR 、ACR 参数，取pn 20k =，in 60k =；pi 5k =，ii 15k =，可见转速、电流的仿真结果基本满足设计指标的要求。
A 、 电机的输出转速波形为：
B 、 电机的电流波形为：
C 、电机的励磁电流波形：
D ．电机的输出转矩的波形：
在选取的参数的情况下，我们得到上面的四幅电机相关波形，根据波形我们也可以估算出电流和转速的超调量，以及调节时间等等需要算出的参数：
转速超调量：ζ=丨（1090-1150）丨/1150×100%≈5.2%
电流超调量：ζ=（141-133.3）/133.3×100%≈5.8%
转速上升时间约为0.5秒，动态回复时间为0.9秒，振荡次数为2次
五、课程设计心得体会
经过一周的课程设计，我们终于在规定的时间内完成了任务。
通过MATLAB实验仿真做出了符合调试要求的曲线。
在这次的课程设计中不仅检验了我们所学习的知识，也培养了我们如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
团队合作是这个社会的主流运作方式，很多事情都不是一个人可以完成的，如果说可以也会耗费相当长的时间，通过几个人的通力合作会使事情变得事半功倍，节省下来的时间有助于我们更好地改善我们的设计，使之臻于完美。
还可以留下时间培养同窗之情。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义．我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
通过这次仿真设计，本人在多方面都有所提高。
通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次转速双闭环仿真设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了电力传动等课程所学的内容，掌握转速双闭环设计的方法和步骤，掌握转速双闭环设计的基本的仿真技能，懂得了怎样分析电路的特性，怎样确定参数方案，了解了个原件的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中，体现出我们单独进行仿真实验的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
感谢对我们组帮助过的同学们，谢谢你们对我们的帮助和支持，让我们感受到同学的友谊。
由于我们组的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我们十分乐意接受你们的批评与指正。
