直流双环系统的设计及仿真.doc

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
学 号：

课 程 设 计

题 目
直流双环系统（二）的设计及仿真分析（四）
学 院
自动化学院
专 业
自动化专业
班 级

姓 名

指导教师

2013
年
12
月
30
日

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 自动化学院
题 目: 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（四）
初始条件：
有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流调速系统，电动机参数为： ，电枢电阻，电枢回路总电阻，允许电流过载倍数，电势系数，电磁时间常数，机电时间常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数，调节器输入输出电压，调节器输入电阻，电力晶体管的开关频率，PWM环节的放大倍数。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。画出系统结构框图并计算：
(1) 电流反馈系数β和转速反馈系数α；
(2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取）；
(3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；
(4) 让电机带载（，风机泵类负载）启动到额定转速，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。

时间安排： 2013.12.25布置课程设计题目
2013.12.26 - 2013.12.29 完成课程设计
2013.12．30 – 2014.1.3 撰写课程设计报告
2014.1.6 答辩并上交报告

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
目 录
摘 要 1
1双闭环系统组成及工作原理 2
1.1 双闭环系统的组成 2
1.2 双闭环系统工作原理 2
1.3 带滤波环节的双闭环调速系统 3
2 双闭环系统的设计 5
2.1 电流反馈系数β和转速反馈系数α的计算 5
2.2 电流调节器的设计 5
2.3 转速调节器的设计 7
3 系统仿真与分析 11
3.1 系统空载启动时的仿真 11
3.2 带风机泵类负载启动时的仿真 12
心得体会 14
参考文献 15
本科生课程设计成绩评定表 16

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
摘 要
转速单闭环直流调速系统解决了开环系统调速范围和静差率的矛盾关系，但不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程，对于经常正、反转运行的调速系统，转速单闭环系统的表现不尽人意。转速、电流双闭环系统既能在启动（或制动）过渡过程中，使电流保持为最大允许电流，是调速系统以最大的加速度运行，又能在正常运行过程中，很好地抑制扰动对系统的影响。同时，由于增设了电流内环，电网电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，因此，双闭环系统中，由电网波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。
用工程设计方法来设计双闭环调速系统时，先从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制性能指标要求确定把它校正成哪一典型类型，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。
在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行仿真，分别使电机空载启动和带额定负载启动，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。

关键词：双闭环系统 工程设计方法 MATLAB仿真
1双闭环系统组成及工作原理
1.1 双闭环系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，本系统设计中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，组成串级控制系统，如图1-1所示。
TG
n
ASR
ACR
U*n
+
-
Un
Ui
U*i
+
-
Uc
TA
V
M
+
-
Ud
Id
UPE
L
-

M
TG

图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统

把转速调节器的输出当成电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环系统。
1.2 双闭环系统工作原理
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都是采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图1-2所示：
图中含有两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的变换电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒向作用。图中还含有两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

+
+
-

+
-
M
TG
+
-
+
-
RP2
n
U*n
R0
R0
Uc
Ui
TA
L
Id
Ri
Ci
Ud
+
+
-
R0
R0
Rn
Cn
ASR
ACR
LM
GT
V
RP1
Un
U*i
LM

M
TG
UPE
图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
如果采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差。
1.3 带滤波环节的双闭环调速系统
双闭环调速系统的实际动态结构图如图1-3所示，该系统增加了电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需增加低通滤波，这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定。然而，在抑制扰动量的同时，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滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

图1-3 双闭环调速系统的动态结构图

2 双闭环系统的设计
2.1 电流反馈系数β和转速反馈系数α的计算
根据系统的初始条件，有调节器输入输出电压，电枢电流Id=IN=3.7A，电动机额定转速nN=200r/min，可得：
电流反馈系数
转速反馈系数
2.2 电流调节器的设计
设计要求：设计电流调节器，电流超调量，计算电阻和电容的数值（取）。
(1) 确定时间常数
1) PWM装置的延迟时间Ts。电力晶体管的开关频率为f=1KHz，则。
2) 电流反馈滤波时间常数。
3) 电流环小时间常数之和T∑i= Ts+Toi=0.002s。
(2) 选择电流调节器结构
根据设计要求，并保证稳态电流无静差，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型的，因此可用PI型电流调节器，即

检查对电源电压的抗扰性能：，参看表2-1的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

表2-1 典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标于参数的关系

27.8%
16.6%
9.3%
6.5%
tm/T
2.8
3.4
3.8
4.0
tv/T
14.7
21.7
28.7
30.4
(3) 计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数：τi=Tl=0.015s。
电流环开环增益：要求，按表2-2，应取KIT∑i=0.5，因此

ACR的比例系数为

表2-2 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT
0.25
0.39
0.50
0.69
1.0
阻尼比ξ
1.0
0.8
0.707
0.6
0.5
超调量σ
0%
1.5%
4.3%
9.5%
16.3%
上升时间tr

6.6T
4.7T
3.3T
2.4T
峰值时间tp

8.3T
6.2T
4.7T
3.6T
相角稳定裕度γ
76.3º
69.9º
65.5º
59.2º
51.8º
截止频率ωc
0.243/T
0.367/T
0.455/T
0.596/T
0.786/T
(4) 校验近似条件
电流环截止频率：ωc=KI=250s-1
1) 校验进闸管整流装置传递函数的近似条件
>ωci 满足近似条件
2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
满足近似条件
3) 校验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
(5) 计算调节器电阻和电容

图2-1 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器

含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图2-1所示。图中Ui*为电流给定电压，-βId为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc。按运算放大器取R0=40 kΩ，各电阻和电容值如下：
Ri=KiR0=4.63×40=185.2kΩ 取185kΩ
取0.08μF
取0.1μF

2.3 转速调节器的设计
设计要求：设计转速调节器，空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间，计算电阻和电容的数值（取）。
(1) 确定时间常数

1）电流环等效时间常数。在电流调节器设计中，已得KI=250s-1，则

2) 转速滤波时间常数Ton=0.005s。
3）转速环小时间常数T∑n=+ Ton=0.004+0.005=0.009s。
(2) 选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

(3) 计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，去h=5，则ASR的超前时间常数为
τn=hT∑n=5×0.009=0.045s
则转速环开环增益

于是，可求得ASR的比例系数为

(4) 校验近似条件
转速环截止频率为

1）电流环传递函数简化条件
满足简化条件
2）转速环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
(5) 计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器的电路原理图于电流调节器类似，转速调节器的参数与计算基本一样：
Rn=KnR0=5.4×40=216kΩ 取220 kΩ
取0.2μF
取0.5μF
(6) 校核转速超调量
当h=5时，由表2-3查得，σn=37.6%，不能满足设计要求。
表2-3 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标
h
3
4
5
6
7
8
9
10
σ
52.6%
43.6%
37.6%
33.2%
29.8%
27.2%
25.0%
23.3%
tr/T
2.40
2.65
2.85
3.0
3.1
3.2
3.3
3.35
ts/T
12.15
11.65
9.55
10.45
11.30
12.25
13.25
14.20
k
3
2
2
1
1
1
1
1

实际上，由于表2-3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。ASR退饱和后的转速超调量为

式中z为负载系数，，n*为基准值。
理想空载启动时z=0，由已知数据：λ=2，R=8Ω，Id=3.7A，nN=200r/min，Ce=0.12V·min/r，Tm=0.2s，T∑n=0.009s。当h=5时，由表2-4查得ΔCmax/Cb=81.2%，可以得到转速调节器退饱和时的转速超调量

满足设计要求。
表2-4 典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
ΔCmax/Cb
72.2%
77.5%
81.2%
84.0%
86.3%
88.1%
89.6%
90.8%
tm/T
2.45
2.70
2.85
3.00
3.15
3.25
3.30
3.40
tv/T
13.60
10.45
8.80
12.95
16.85
19.80
22.80
25.85
(7) 计算过渡过程时间
由表2-3查得，当h=5时，ts/T=9.55，则过渡过程时间
ts=9.55×T∑n=9.55×0.009≈0.086s<0.1s
满足设计要求。

3 系统仿真与分析
3.1 系统空载启动时的仿真
系统空载时的仿真模型如图3-1所示。
图3-1 系统空载启动时的仿真模型
启动仿真过程，得到图3-2和图3-3所示的曲线。
图3-3 空载启动时的转速波形
图3-2 空载启动时的电流波形
观察图3-2和图3-3，可以看出电流波形于电压波形都比较理想。突加给定电压后，电流上升迅速，很快变达到最大允许电流Idm=7.4，在一个小的超调过后，基本稳定在Idm附近。从图3-2中可以看出，Id有逐渐变小的趋势，这是由于电流调节系统受到电动机反电动势的影响比较大，去掉电动机反电动势后再次运行仿真过程，得到的电流波形如图3-4所示，可以看出电流是稳定的，没有减小的趋势。
从图3-2和3-3可以计算出电流于转速的超调量
电流的超调量
转速的超调量
均满足设计要求。

图3-4 去掉电动机反电动势时的转速波形

3.2 带风机泵类负载启动时的仿真
系统带风机泵类负载启动时的仿真模型如图3-5所示。
图3-5 带风机泵类负载启动时的仿真模型
启动仿真过程，得到图3-6和图3-7所示的曲线。
将图3-6和图3-7与图3-3和图3-4做对比，可以看出，启动时间延长，退饱和超调量减小，稳定运行时的电流于转速均为设定值。

图3-8 带风机泵类负载启动时的转速波形
图3-7 带风机泵类负载启动时的电流波形

4 心得体会
本学期学习了《运动控制系统》这门课程，在我看来，这是一门综合性较强的课程。大三上学期，本人学习了《自动控制原理》、《电机与拖动基础》及《电力电子技术》这几门课程。由于间隔时间较长，这些课程的内容或多或少有一些遗忘，因此，在大四这学期刚接触《运动控制系统》时略感吃力。这门课程兼具很强的理论性和应用性，只有在学好课本知识的同时付诸实践，才能够较好的掌握其中的精髓。而这次课程设计给了我一个实践的机会，我认真地对待并完成了本次课程设计。
双闭环只留调速系统的设计是本门课程的一个重点，按照课本上提供的方法，按工程设计方法设计转速、电流反馈控制的直流调速系统，可以很快计算出设计所要求的参数。但是使用MATLAB软件进行仿真分析，本人并不是很熟练。在按照课本上提供的方法设计仿真模型后，得到了双闭环系统在空载启动时的电流与转速曲线，但是设计任务还有一定的差距。在查阅了相关的电力拖动控制系统的MATLAB仿真的相关文献后，成功得到了让电机带风机泵类负载启动时的转速与电流的波形，从而完成了本次课程设计所要求的全部任务。
通过本次课程设计，我体会到了学好理论知识的重要性，同时，将理论知识应用到实际中也非常重要。我认为，本次课程设计对我今后的学习和工作有着很大的帮助。

参考文献
[1] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统. 第4版. 机械工业出版社，
2010.1
[2] 王兆安，刘进军. 电力电子技术. 第5版. 机械工业出版社，2009.7
[3] 胡寿松. 自动控制原理. 第4版. 科学出版社，2001.2
[4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真. 机械工业出版社，2006
[5] 林立，蒋寿生. 双闭环调速工程设计仿真建模及应用研究，2007

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：直流双环系统（二）的设计及仿真分析（四）
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：
设计态度认真、遵守纪律（10分）

绘图或仿真（20分）

电路设计、参数计算正确（15分）

报告规范，参考文献充分（10分）

独立完成（20分）

答辩（25分）

总分：___________
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日
16