目录摘要11双闭环系统设计方案分析22电流调节器ACR设计32.1电流环结构设计32.2参数计算42.3近似条件校验53转速调节器ASR设计63.1转速环结构设计63.2参数计算83.3近似条件校验94 Matlab 仿真104.1转速和电流仿真114.2直流电压Ud仿真124.3 ASR和ACR输出电压波形仿真125心得体会14参考文献15摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的调 速系统。转速反馈的直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载 转矩扰动对稳态转速的影响。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电 流的动态过程。对于经常正、反转运行的调速系统，在起动（或制动）过渡过程中，希望始 终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运 行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡， 从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为 了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm 的恒流过程。采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。为了使转速和电流 两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电 流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套（或称串级）连接。两个调节器 均采用带限幅作用的PI调节器。关键字：调速系统PI调节器 动态过程调速系统调节器设计及变负载扰动下电流环突然断线matlab仿真1双闭环系统设计方案分析双闭环系统的动态结构图如图1所示。图1双闭环系统的动态结构图双闭环系统的两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。电流环是内环， 转速环是外环。转速调节器ASR的输出限幅电压U*决定了电流给定的最大值， 电流调节器ACR的输出限幅电压 七限制了电力电子变换器的最大输出电压 U。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输出量的变化不再影响输出，饱和的 调节器暂时隔离了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱 和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使偏差电压U在稳态时为零。 为了获得良好的静态特性，转速和电流两个调节器都一般采用PI调节器。设计 电流环时先进行必要的变换和近似处理，然后根据控制要求确定把它校正成哪一 型系统，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。如图1所示，双闭环调速系统的实际动态结构图增 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。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它扰动量，这样的滤波环节 传递函数可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 扰动量得同时，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。双闭环调速系统的稳态参数计算根据各调节器的给定与反馈值计算有关的 反馈系数如下：U *转速反馈系数a =一nm（1-1）nmaxU *电流反馈系数p = -yim（1-2）dm三相桥式电路的平均失控时间是Ts=0.0017s。电流滤波时间常数（12） Toi=3.33ms，取 Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数七=+ 孔=0.0037s。根 据设计要求，c . 3 （2-1）ci T t式中3 .电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为U*（s）.B，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-b所示，从这里可以看 i出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于Ts和T 一般都比T小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为（2-2）则电流环结构框图最终简化成图13c所示。简化的近似条件为（2-3）从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转性能，由图2 c）可以看 出，采用I型系统就够了，这也符合动态要求。a)b)叩）Ac)图2电流环的动态结构图及其化简a）忽略反电动势的动态影响b）等效成单位负反馈系统 c）小惯性环节近似处理2.2参数计算如图2 c）所示，要使系统无静差，所以采用PI调节器校正为典型I型系统，其传递函数为(2-4)电流调节器超前时间常数：因为，所以选择T = T = 0.03s。电流环开环增益：要求C , ci满足近似条件(2) 校验忽略反电动势变化对环动态影响的条件3 ：上=31s-1R 40.82s-1 ci满足近似条件计算电流调节器的电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型调节器如图3所示Rol按所选放大器取R0 = 50k。，各电阻和电容计算如下R = KR0 = 1.013 x 50 = 50.65 kQ，取 R = 50KQC =R = 5；二 F = 0.6x 10-6F = 0.6uFiC = E = 4 x Q 00F = 0. 1 6 -6(F =0uH6oi R05 0x 10按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为。i = 4.3% 5%，满足 设计要求。3转速调节器ASR设计3.1转速环结构设计调速系统的等效动态结构图如图4所示(a)E)（b）匕. 1)r 皿+1)（c）图4转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环（b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理（c）校正后成为典型II型系统如图4 （a），用电流环的等效环节代替电流环，和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波 同时等效地一道环内前向通道上，并将给定信号改为1U*（/，再把时间常数为Ki和九的两个小惯性环节合并起来近似成七。所示为了实现无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，由于扰动作用 点后面已经有一个积分环节，因此转速环中就有两个积分环节，应该设计为典型II型系统，ASR也采用PI调节器，传递函数为(3-1)式子中Kn为转速调节器比例系数， 调速系统的开环传递函数为为转速调节器超前时间常数。(3-2)(T s + 1 )NnS 2(T s + 1)S n其中KN按照典型II型系统的参数关系，有(3-3)(3-4)所以S垸好,无特殊要求,取h=5Sn3.2参数计算(1)电流环等效时间常数上=4T = 4x0.0037s = 0.0148s，KT = 0.5.K 勺1勺1(2)转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton= 0.01s(3)转速换小时间常数TS n1一 + T = 0.074s + 0.01s = 0.0174 si=396.4s -22h 2T 22 x 5 x 5 x 0.0248 x 0.0248S nT n= hTS nK = h +1n2hTS n（4）取 h=5，ASR 的超前时间常数为t = h七=5x0.0248s = 0.124s，ASR的比例系数为K =n3.3近似条件校验转速环截止频率为cnK 一 一n = K t = 396.4 x 0.087st = 34.49sti（1）电流环传递函数简化条件1 ：K 1s一1= 63.7s-1，满足简化条件3，J 30.0037cn（2）转速环小时间常数近似处理条件；JK = :135%-1 = 38.7s-1,满足近似条件3 Y T 3 Y 0.01c（3）计算ASR调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图5所示。Rn Cn Ro2U-OR。I2图取 R0 50&Q，则ConR。5给定滤波与反馈滤波的1的Pi型转速调节器R = K R0 11.7迎 K0 58 6 取 580 kQC =n = 0,087 F = 0.15 x 10 -6 F = 0.15uFn R580 x103nCon4TonR4 x 0.0150 x103F = 0.8uF（4）校核ASR调节器超调量当h=5时，查表得到q . = 37.6%，这是突加阶跃给定时，ASR饱和而得出的超调量，当ASR退保和以后，136x 0.5Q =（竺max）竺b = 2（竺e）Q z）竺nM = 2x81.2%x1.5x 0.132 x= 8.31% 10%i Cn*Cn* T14600.18满足空载启动到额定转速时的超调量要求。4 Matlab 仿真采用了转速、电流反馈控制的直流调速系统可用MATLAB仿真软件进行仿真，可 以根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。双闭环系统仿真模型如图6所示。图6双闭环系统仿真模型图在仿真模型中增加了 一个饱和非线性模块（Saturation），他来自于 Discontinuities组，把上界和下界参数分别设置为+10和-10.在图6所示的电 流环仿真模型中，已把反电动势的影响考虑进去，他可以得到更真实的仿真结果。 4.1转速和电流仿真置空载启动