学号1622060132天津城建大学（运动控制系统课程设计）设计说明书
起止日期：2019年5月27日至2019年5月31日
学班成
生姓名级绩
赫华清16级自动化1班
指导教师(签字)
控制与机械工程学院2019年5月31日
天津城建大学课程设计任务书
2018—2019学年第2学期
控制与机械工程学院课程设计名称：
学院
自动化专业
16级1班
运动控制系统课程设计设计题目：转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真（使用powersystem模块
??15V）的直流双闭环系统仿真Un完成期限：自2019年5月27日至2019年5月31日共1设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：一、设计依据（直流电动机基本参数）：
周
已知直流电动机额定参数为Unom=220V，Inom=136A，nnom=1460r/min，4极，整流电路，整流器内阻Rrec=1.3Ω。平波电抗器Lp=200mH。Un=15V。?
Ra=0.21Ω，GD2=22.5Nm2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。采用三相桥式二、设计要求
（1）分析系统结构、原理（2）设计PI调节器结构参数。设计反馈系数（3）根据直流双闭环调速系统各环节的仿真模型，对直流双闭环调速系统进行建模（4）对该调速系统进行仿真，并分析仿真结果。指导教师（签字）：
系（教研室）主任（签字）：批准日期：2019年5月13日
目录
绪论................................................................................................................................1第一章工作原理..........................................................................................................2第二章双闭环调速系统启动过程分析......................................................................3
2.1整个动态过程分为三个阶段：................................................................32.2技术参数....................................................................................................4
第三章调节器参数的计算和设定..............................................................................4
3.1电流调节器的参数的计算和设定............................................................43.2转速调节器的参数的计算和设定............................................................6
第四章系统建模分析..................................................................................................6
4.2晶闸管整流器............................................................................................74.3同步六脉冲发生器...................................................................................7
第五章Matlab仿真.....................................................................................................7
5.1仿真步骤....................................................................................................75.2仿真图........................................................................................................85.3仿真结果....................................................................................................9
第六章总结................................................................................................................10参考文献......................................................................................................................11
绪论
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最为广泛的直流调速系统，是各种交流、直流电力拖动自动控制系统的重要基础；由于其具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，广泛应用于冶金、机床和矿山等各个行业，在电力拖动自动控制领域中发挥着极其重要的作用。
本设计采用工程设计的方法，对电流环和转速环分别进行设计，并根据实际要求对调节器的参数进行整定，利用SIMULINK及SimPowerSystem工具箱建立直流电动机转速、电流双闭环控制系统模型，并对系统进行了仿真，给出了电机在启动过程以及突加负载情况下的电机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩变化以及调速过程中转矩与转速关系的波形，并对结果进行了分析，从而进一步说明双闭环调速系统的可行性与优越性。
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，其特点是，电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。用经典的动态校正方法设计调节器需同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面互相矛盾的动态性能，要求设计者具有较丰富的经验和熟练的技巧，初学者难以掌握。
1第一章工作原理
随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用PI调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。
图为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。
图1转速电流反馈控制直流调速系统原理图ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。
ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。
2第二章双闭环调速系统启动过程分析
2.1整个动态过程分为三个阶段：
第I阶段是电流上升的阶段(0~t1)，突加给定电压U,后,经过两个调节器的跟随作用,Uc、Udo、Id都跟着上升，当Id
第II阶段是电流上升的阶段(t1~t2)，在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定Uim*下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长见图3-2,对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压△Ui=Uim*-Ui,必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Iam。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的。
第III阶段是转速调节阶段(t2以后)
当转速上升到给定值n=n0时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*,所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流Idl,转速就继续上升。直到Id=Idl时，转矩Te=Tl,则dn/dt=0,转速n才到达峰值(t=t3时)。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在,t3~t4时间内，Id 3图2双闭环直流调速起动过程的转速和电流波形2.2技术参数 U=220VInom=136Annom=1460r/min4 直流电动机额定参数为nom，，，极， 22Ra=0.21ΩGD=22.5NmU=220VI=1.5A ，。励磁电压f，励磁电流f。采用三 ? L=200mHUn=15VR=1.3Ω 相桥式整流电路，整流器内阻rec。平波电抗器p。。 转速、电流双闭环控制系统模型的参数如下：三相电源：峰值130*sqrt(2)V，频率50Hz。晶闸管装置放大系数Ks=44。 三相晶闸管整流电路平均失控时间Ts=0.0017s。 电极电磁时间常数：过载倍数：?=1.5。 。 取电流反馈滤波的时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s。 第三章调节器参数的计算和设定 按照工程设计的方法来设计转速和电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.1电流调节器的参数的计算和设定 电流反馈系数： 由已知可得： 4Tm=GD^2R/375CeCn=22.5*1.51/(375*0.131*1.252)=0.552三相晶闸管整流电路平均失控时间： Ts=0.0017s 取电流反馈滤波的时间常数： Toi=0.002s。 电流环的小时间常数为： T?i?Ts?Toi?(0.0017?0.002)s?0.0037s 根据设计要求?i%≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： Ki(?is?1)1 WACR(s)??Kp? ?isKiiS 式中Ki为电流调节器的比例系数，?i为电流调节器的超前时间常数。由下表3.1 根据设计要求?i%≤5%，应取 KiT?i=0.5 电流调节器的超前时间常数： ?i=Tl=0.154s 电流环开环增益： 0.50.5 ??135.1T?i0.0037于是电流调节器的比例系数为： KI? Ki? KI?iR?135.1*0.076*2.85 ?135.1*0.132*1.51/(46*0.049)=11.95?2.84Ks?206*0.05 验证：（1）1/3*Ts=1/(3*0.00167)=199.6>Wci （2）3/根号1/（Tm*Ti）=3/根号1/（0.552*0.132）=4.02 表3.1典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT超调量?0.250% 0.391.5% 0.54.3% 0.699.5% 1.016.3% 53.2转速调节器的参数的计算和设定 电机转矩时间常数： GD2R?3.53*2.85 Tm??0.552s?0.161s 375*9.55*CeCm375*9.55*0.1322 转速反馈系数： Un*10???0.0103V*min/r?0.0068V?min/r nN1460 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： KIn(?ns?1)1 WASR(s)??Kpn? ?nsKinS式中KIn为转速调节器的比例系数 ?n为转速调节器的超前时间常数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： ?n?hT?n?5*0.0174s?0.087s 其中T?n为： T?n?2T?i?Ton?(2*0.0037?0.01)s?0.0174s 于是可得ASR的比例系数KIn为： (h?1)?CeTm6*0.272*0.132*0.161KIn??7.88?10.29 2h?R?T?n2*5*0.0068*2.85*0.0174 由此可得到： ?n0.087Kin??0.00221?0.0085 KIn10.29 转速环截止频率Wcn=kn/wc=kn*τn=399.1*0.0867=34.6/s验证：（1）1/3根号(KI/TI)=1/3根号（136.240/0.00367）=64.244>Wci （2）1/3根号（Ki/Ton）=1/3/根号（136.240/0.001）=38.907>Wcn（3）τn/Kn=0.0867/11.855=0.00731满足。 第四章系统建模分析 由于采用SimPowerSystem模型库模块，且其中的主电路部分包括交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节，所以应考虑主电路各个模块的电源，以及整流桥的选择、整流桥的触发电路以及直流电机的选择问题。4.1交流电源的设计 本系统三相交流电源采用三个独立的交流电压源，采用Y型连接，并根据系统要求设置其峰值为130*sqrt(2)V，频率为50Hz，且每两相的相位差为120°， 6即分别设置为0°、-120°、-240°。4.2晶闸管整流器 由于系统无特殊要求，所以选取多功能桥式电路。4.3同步六脉冲发生器 同步六脉冲发生器用于产生三相桥式整流电路晶闸管的触发脉冲，在一个周期内产生6个触发信号，每个触发信号的间隔为60°，并采用双脉冲触发方式，以保证电流断续时，整流桥上下臂各有一个晶闸管导通，并设置脉冲宽度为1°。4.4移相控制环节 移相控制模块的输入是移相控制信号U，输出为控制角度。移相特性的数学表达式为： 90???min ??90??U Umax 本系统选取?min=30°，U=10V，即??90??6*U。 第五章Matlab仿真 5.1仿真步骤 打开matlab软件，点击主页下拉菜单中的simulink， 图3matlab工作界面点击untitied里边的librarybrowser如下界面 7图4原件查找将所需要的原件拖至画图区中。5.2仿真图 图5Matlab仿真图8Asr和acr如下图： 图6ASR和ACR内部仿真图5.3仿真结果 图79图8图9第六章总结 由于在工程设计方法中进行了相应的简化，忽略了一些其他干扰因素，仿真结果同实际系统之间有一定的差距，但是只要实际系统满足一定的条件，其输出结果就能够达到满意的效果，达到实际的要求。 利用MATLAB对系统进行仿真，不仅能够提高效率，大大节省系统开发时间，而且大大节约了成本。 10参考文献 1.王兆安，等.电.力电子技术[M〕.北京:机械工业出版社，2000.2.张广溢，等.电机学[M]。重庆:重庆大学出版社，2002.3.王军.自动控制原理[M]。重庆:重庆大学出版社，2008.4.周渊深.交直流调速系统与Flat1ab仿真[M].俨比京:中国电力出版社，2004.5.陈伯时，电力拖动自动控制系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社.20056.陈伯时.电力拖动自动控制系统一一运动控制系统(第3版)机械工业出版社11
1.13-12运动控制系统课程设计-转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真power system模块
