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1目录目录摘要.2ABSTRACT.2引言.2一、对直流电动机运动方程的分析.3二、直流电动机的数学模型.3三、双闭环直流调速系统的组成.5四、双闭环直流调速系统性能分析.74.1启动过程.74.2双闭环直流调速系统的静特性.94.3双闭环直流调速系统的动态性能.10五、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真.115.1转速单闭环直流调速系统的Simulink仿真.115.2双闭环直流调速系统的simulink仿真.12六、实验验证双闭环直流调速系统的启动过程.14七、总结.15八、参考文献.152摘要摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。

然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。

因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。

转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。

本文用MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统进行仿真。

关键词：

关键词：

双闭环控制系统，转速控制环，电流控制环，MATLABABSTRACTDCmotorhasagoodstart,brakingperformance,itisappropriatetosmoothspeedoverawiderange,hasbeenwidelyusedinmanyspeedcontroland（or）fastforwardandreverseelectricdrivefield.Inrecentyears,therapiddevelopmentofhigh-performanceACvariablespeedACdrivesystemhasbeengraduallyreplacingtheDCspeedcontrolsystem.DCdrivecontrolsystem,however,notonlyintheoryandinpracticearemoremature,isstillused;andfromthepointofviewofthecontrollaw,theDCdrivecontrolsystemisthebasisoftheACdrivecontrolsystem.Therefore,graspthebasiclawoftheDCdrivecontrolsystemandcontrolmethodisnecessary.Speed,currentfeedbackcontrolforDCmotorstaticanddynamicperformance,themostwidelyusedDCspeedcontrolsystem.Speed,currentfeedbackcontrolforDCmotorusingMATLABsimulationsoftwaresimulation.Keywords:

Double-loopcontrolsystem,speedcontrolloop,currentcontrolloop,MATLAB引言引言转速电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统,利用电流调节器和转速调节器控制,可以无限逼近理想启动过程。

本文分析了系统的控制原理，建立了系统的动态数学模型，并利用MATLAB中的Simulink进行了系统建模仿真,给出了仿真结果。

通过对结果的分析进一步验证了双闭环调速系统的优越性。

3一、对直流电动机运动方程的分析一、对直流电动机运动方程的分析通过我们对电机学的学习，我们有直流电动机的简化运动方程，即dtdnGDTTle3752式中2GD为转动惯量（2m/N），n为转子的机械转速（r/min），eT为电磁转矩，lT为负载转矩。

从运动方程我们可以知道，若直流电动机的负载转矩lT不变，转速n发生改变时，方程要继续保持平衡，则电磁转矩eT必然改变，又由dteICT得电枢电流dI必然改变。

二、二、直流电动机的数学模型直流电动机的数学模型为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描直流电动机的数学模型。

电路方程：

动力学方程：

额定励磁下：

EtILRIUddddd0tnGDTTdd3752LenCEedmeICT4图1直流电动机电路图lT包括电机空载转矩在内的负载转矩（Nm）；2GD电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量（Nm2）；整理后得：

其中lT电枢回路电磁时间常数（s）mT电力拖动系统机电时间常数（s）在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数和电流与电动势间的传递函数：

分别画出对应上两式的动态结构框图：

图2动态结构框图组合成电动机的动态结构框图：

TL+-MUd0+-ERLTenIdM）dd（dd0dtITIREUltERTIIddmdLdLdLmTICRLTlme2m375CCRGDT11）（）（）（0ddsTRsEsUsIlsTRsIsIsEmdLd）（）（）（5图3直流电动机的数学模型由图可以看出，直流电动机有两个输入量:

一个是施加在电枢上的理想空载电压；一个是负载电流。

前者是控制输入量，后者是扰动输入量。

三、双闭环直流调速系统的组成三、双闭环直流调速系统的组成转速一电流双闭环直流调速系统的结构如图4所示。

图中，M为直流电动机，TG为测发电机，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为触发器，TA为电流互感器，VT整流装置。

Un*为转速给定电压，Un为转速反馈电压，Ui*为电流给定电压，Ui为电流反馈电压，Uc为控制电压，Ud0为电枢端电压。

两个调节器之间实行串级联接，转速调节器ASR的输出是电流调节器ACR的输入，其输出Uc控制电力电子变换器。

从闭环结构上看，转速环在外环，电流环在内环，这就构成了转速一电流双闭环直流调速系统。

电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。

可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环（内环）；转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环（外环）。

ASR和ACR均为PI调节器，输入输出均设有限幅电路。

6图4转速一电流双闭环直流调速系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。

为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。

根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。

因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。

采用转速、电流双闭环控制系统。

如图5所示。

图5双闭环直流调速系统动态结构图UiLMUd0IdEnifUn*UnUtgTGUPE3TAUiUc*ASRACR7a带电流截止负反馈的单闭环调速系统b理想的快速起动过程图6直流调速系统的电流、转速启动特性曲线四、四、双闭环直流调速系统性能分析双闭环直流调速系统性能分析4.1启动过程4.1启动过程双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。

双闭环调速系统在突加给定电压nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图7所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。

第阶段：

0t1是电流上升阶段。

突加给定电压nU后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当IdIdl后，电动机开始转动。

由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压Un=nUUn数值较大并使其输出达到饱和IdLnIdmIdcrn0ndmidlinttIdO8值*imU，强迫电流Id迅速上升。

当mdIId时，imiUU，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。

第阶段：

t1t2是恒流加速阶段。

这一阶段是起动过程的主要阶段。

在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定*imU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。

又nCIRUeddd0，n0dUctU，这样才能保持dI=常数。

由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压iiiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。

此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流mdU0也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。

第阶段：

t2以后是转速调节阶段。

此时*nn，*nnUU，0nU，但由于积分作用，*imiUU，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。

当*nn时，0nU，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压*iU迅速下降，dI也迅速下降。

但由于dLdII，在一段时间内，转速仍继续增加。

当dLdII时，LeTT，0dtdn，n达到最大值（t3时刻）。

此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流dI也出现一段小与dLI的过程，直到稳定。

在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。

由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使dI尽快地跟随ASR的输出量*iU，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

9图7转速和电流的过渡过程综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：

1）饱和非线性。

在不同情况下表现为不同结构的线性系统。

2）准时间最优控制。

阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。

采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。

3）转速必超调。

按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压nU为负值，才能使ASR退饱和。

这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。

4.2双闭环直流调速系统的静特性4.2双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的稳态特性如图8所示。

在正常负载时，双闭环调速系统的速度调节器ASR不饱和，依靠ASR的调节作用，表现为转速无静差，保证系统具有较硬的机械特性（稳态运行无静差）。

如图8中的n0A段。

IdmIdIIIIIIt4t3t2t1*ndLI*nnOOtt10电动机负载加重时，转速下降，ASR迅速进入饱和状态，同时输出限幅值。

ASR失去了调节作用，转速外环呈现开环状态，系统在固定的最大给定电流作用下，依靠电流环对电流继续进行调节，系统由恒转速变为恒电流调节，如图8中的AB段所示。

实际特性如虚线所示。

从静特性上看，转速环要求电流迅速地跟随转速变化，而电流环则力图保持电流不变，这种性能有使静特性变软的趋势，但它对包在外面的速度反馈环来说相当于一种扰动作用。

当速度调节器ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被ASR的积分作用消除。

一旦ASR饱和，转速环失去作用，仅电流环在起作用，这时系统表现为恒流调节系统。

结论结论：

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI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dmI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。

图8双闭环调速系统的静特性4.3双闭环直流调速系统的动态性能4.3双闭环直流调速系统的动态性能11图9双闭环调速系统动态结构图中WASR（s）和WACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

如果采用PI调节器，则有结论：

结论：

起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调节系统：

ASR退饱和，系统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统。

动态抗扰性能分析：

动态抗扰性能分析：

1、抗负载扰动：

抗负载扰动作用：

由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。

2、抗电网电压扰动：

抗电网电垃扰动作用：

由动态结构图知：

电网电压扰动在电流环之电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。

因而双闭环系电网电压扰动引起的动态速降（升）比单闭环小得多。

五、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真五、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真5.1转速单闭环直流调速系统的Simulink仿真5.1转速单闭环直流调速系统的Simulink仿真首先，本文对转速单闭环调速系统进行了Simulink仿真建模，如图10所示。

各环节参数如下：

直流电动机：

220V,55A,1000r/min,Ce=0.192。

假定晶闸管整流装置ssKsWnnnASR1）（ssKsWiiiACR1）（12输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167s。

电枢回路总电阻R=1.0，电枢回路电磁时间常数Tm=0.075s。

转速反馈系数为0.01。

对应额定转速时的给定电压Un*=10V。

图10转速单闭环调速系统Simulink仿真图转速单闭环闭环调速系统仿真结果如图11图11转速单闭环闭环调速系统仿真结果5.2双闭环直流调速系统的simulink仿真5.2双闭环直流调速系统的simulink仿真根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，提取各元件的仿真模块，连接模块得到按传递函数仿真的双闭环控制直流调速系统仿真模型，如图12所示。

其中，电流环PI参数为：

1.013+33.767/s，转速环PI参数为：

11.7+134.48/s。

13双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动时的转速与电流响应曲线，如图13所示，最终稳定运行于给定转速。

如把负载电流的设置为136，满载起动，其起动转速与电流响应曲线如图14所示，起动时间延长，退饱和超调量减少。

利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真，它是在负载电流的输入端加上负载电流，图11是在空载运行是突加额定负载的转速与电流响应曲线。

图12双闭环调速系统结构Simulink仿真图图13转速环空载高速起动波形图14图14转速环满载高速起动波形图图13转速环的抗扰波形图从图13仿真结果可以看到，电动机的启动经历了电流、上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。

与电动机的开环系统相比，电动机起动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用，使最大电流限制在设定的范围内。

结论：

结论：

由图11和图13的对比可知，转速、电流双环调速系统具有理想的快速启动过程。

六、实验验证双闭环直流调速系统的启动过程六、实验验证双闭环直流调速系统的启动过程15七、总结七、总结通过上述研究可知，转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：

系统的调整性能好，又很硬的静特性，基本上无硬差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便。

所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。

在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。

ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动，它有效的改善了控制对象的结构性能。

转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：

系统的调整性能好，又很硬的静特性，基本上无硬差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便。

所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。

通过对电力拖动自动控制系统的学习，使我了解了单闭环系统在运用中存在一些缺点和不足，为了弥补这个不足，我们引入了转速电流双闭环系统，它是通过转速负反馈和电流负反馈两个环节分别起作用来设计的，从而达到我们所期望的效果。

八、参考文献八、参考文献1.陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2009.82.许建国.电机与拖动基础.高等教育出版社，2009.63魏炳贵.电力拖动基础.机械工业出版社，2011.94王祖亮,侯北平,等.基于Simulink的双闭环调速系统仿真研究J.浙江科技学院学报,2009.3:

6-95王兆安,等.电力电子技术.机械工业出版社，2009.5