毕业文（设计）
基双闭环控制直流电机调速系统设计
学生姓名： 学 号：
系 ： 电气工程系 专 业：电气工程动化
指导教师： 评阅教师：
文答辩日期 2013
答辩委员会席
摘
伴科学技术迅猛发展电动机关控制技术发展时俱进电动机运领域现实生活中许领域起缺作中直流电机更快速反应度精准调速性极低功耗宽阔调速范围等优点整调速控制系统中独占鳌头
直流电动机控制调速系统中开环性指标差必性进行修正改善量研究实践证明采闭环调速系统调速性求般场合采单闭环控制系统调速指标高采闭环系统[1]根引回反馈量性质致分电压反馈电流反馈转速反馈等双闭环系统中惯采电流转速闭环控制采双闭控制调速系统做差调节性优越尤高精尖技术中运广范研究具高现实意义
文首先述直流调速系统现状背景讨研究该系统重意义然双闭环调速系统进行理分析理研究基础根求数参数设计出合理双闭环直流调速系统理完成系统设计设计系统进行MATLAB仿真出仿真结果分析结果理值异找出系统中合理环节参数进行校正必处理终出符合求系统模型突出该系统优缺点会双闭环直流调速系统调速系统（开环调速系统单闭环调速系统）进行较
关键词 稳态性直流电机双闭环静差MATLAB
ABSTRACT
Along with the rapid development of science and technology related to motor control technology development is also advancing with The Times the motor application in many fields in real life it also plays an indispensable role And the DC motor is relying on its quick response and accurate performance of speed and low power consumption and wide speed range etc in the speed regulation control system
In a DC motor speed regulation system open loop performance is poor therefore it is necessary to be revised to improve the performance of these after a lot of research and practice has proved can adopt the closed loop speed regulation system For speed control performance requirements in general situation adopt single closed loop control system and high speed control indexes the multi closed loop system Habit in the double closed loop system using current and speed closed loop control Speed control system with double closed control can be done without adjustment and superior performance especially in many advanced technology used in broader range this makes the study of it has high practical significance
First of all the paper discusses the present situation of DC speed regulating system and background researching significance of this system and then theoretical analysis was carried out on the double closed loop speed regulation system and finally on the basis of theoretical research according to the requirements of the data parameter design a reasonable double closedloop DC speed regulating system After finishing the system design to system design by MATLAB simulation the simulation results and analyzes the similarities and differences between the results with the theoretical value and find out the unreasonable links and in the system parameters calibration and the necessary processing and eventually concluded that conform to the requirements of system model To highlight the advantages and disadvantages of the system and will with other speed regulation system of double closed loop DC speed control system (open loop speed control system and a single closedloop speed control system)
Keywords Steady state performance directcurrent motorDouble closed loop MATLAB
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 绪言
11 课题背景现状 1
12 课题研究意义 2
13 双闭环直流电动机调速概况 3
14 MATLAB简介 4
15 课题设计容 4
2 双闭环调速系统工作原理
21 直流电动机 5
22 双闭环调速系统组成 6
23 双闭环调速系统工作原理 6
24 直流电动机起动调速 7
241直流电动机起动 7
242直流电动机速度调节 8
3 双闭环直流调速系统性指标
31 静态性指标 9
32 双闭环控制性指标 11
33 双闭环调速系统动态结构 13
331控硅整流装置数学模型 13
332 电动机传递函数动态结构 14
333 测速发电机例放器传递函数 15
334 电流负反馈环节模型 16
335 双闭环控制系统动态模型 17
4 双闭环控制系统静差分析
41 典型系统 18
411 典型Ⅰ型系统 18
412 典型Ⅱ型系统 20
42 双闭环调速系统静差分析 22
5 双闭环调速系统设计
51 电流环设计 25
52 转速环设计 27
53 双闭环系统数运算 29
531 电流调节器参数计算 30
532 转速调节器参数计算 31
6 双闭环控制系统仿真分析
61 双闭环系统仿真 34
611 电流环仿真 34
612 转速环仿真 40
62 单双闭环系统仿真较 45
621 单闭环系统仿真 45
622 两种调速系统较 46
63 双闭环开环较 47
64 结 49
总结展 50
致谢 51
参考文献 52
1 绪言
11 课题背景现状
广泛角度直流电动机调速系统应该代电力拖动动控制系统中起步发展成熟较早技术电力电子技术发展起步二十世纪五六十年代发展益现代传感器原理发展电气中传统电子技术动控制原理理技术微型电子技术运微型机算机应领域投入飞速发展观成果技术发展运造直流调速系统沧海桑田改变直接导致电变换控制成现实促现种节高效新型电源电机调速系统装置问世[2]工业生产交通运输甚家庭动化提供先进技术改善生产效率提高生活质量社会生产生活方式发生质变化伴着新型高性电力电子器件深入研究全面开发先进控制技术完善电力电子电力拖动控制装置性断优化提高种变化带影响断增加会越越[2]
1964年提出PWM技术应电机传动中开始电机传动推广发展进入新王步入代体积耗电少低成高速高性安全稳定集成化电路着规模增已市场化直流电机控制放全新时期微型处理器运数字控制中作目前传动系统中直流电动机调速控制中般PWM协桥式驱动电路实现直流电机调速十分方便简单更重点调速区间长
目前世界直流电动机调速系统方面研究发展着科技发展越越深入取观成绩
国世纪中期开发首种硅晶闸开始运晶闸直流电动机调速系统获全速发展应现国院校科研单位厂家进行数字式直流调速系统开发提出许关直流调速系统控制算法单闭环直流调速系统研究提出观点法直流电动机直流调速系统参数辩识方法直流电动机调速系统模控制方法模糊控制方法等研究方法直流调速系统研究侧面科研员进行程度研究[3]
国外科技整体起步发展国早技术方面甚超百年者代直流电动机调速方面样国外电机出现国早百年控制更长现电机控制技术已相成熟实际运十分完美开发研究新型产品世界着统治位西门子公司生产SIMOREGK 6RA24 系列整流装置三相交流电源直接供电全数字控制装置[4]结构紧凑直流电机电枢励磁供电完成调速务装置身带参数设定单元需附加设备便完成参数设定[4]控制调节监控附加功微处理器实现选择定值反馈值数字量模拟量[5]
12 课题研究意义
然双闭环直流调速系统先进性许方面应承担着非常重作然优劣存双闭环直流调速优点具调速性具较起动转矩良起制动性易较宽范围实现滑调速更重做差调速[6]说闭环中熟知环节反馈整系统关键部闭环反馈输出接输入中整系统变成封闭式结构输入输出输出反影响输出动态中找合适结果带输出量负反馈闭环控制系统具提高系统抗干扰性改善控制精度性广泛类动调节系统中[7]双闭环整环节中做时电流转速成功引回点更加具超优越性
然事情利蔽调速系统样成功引入反馈作带典型优势时缺点显易见说造价昂贵护理极方便整结构较繁杂等外采封闭式系统会带外问题譬说载电流出现般电动机说允许电流值旦超样界值电动机损环重更危生命问题必运行前加解决然电路中常见问题难处理常方法加限流器样限制电枢中高电流引入电流负反馈环节时身够定程度保持电流变跨越允许值
双闭环直流调速系统指转速电流负反馈构成双闭环控制系统[2]研究双闭环直流调速系统需研究双闭环直流调速系统板组成部分研究[9]组成部分功配合时相互影响限制直流调速系统中更高动静态性指标通常采负反馈控制系统调速性高求调速系统常常利直流电动机作动力系统中利转速负反馈增加稳态精度采例调节器负反馈调速系统实际存着静差消静差必须措施解决办法利例积分调节器取代例调节器[8]
年直流电动机调速问题早独树帜直流机非常优越线性调特性优异完美动态特性观效率方便简单控制性目前止然牢牢掌握着需求研究直流电机速度控制着非常重意义双闭环直流调速系统重部分利直流调速控制电机够节约耗够电机输出达需结果提高电机效率通研究双闭环直流调速系统达提高系统效率提升系统精确度目科学技术发展意义
13 双闭环直流电动机调速概况
整体说双闭环直流调速系统（面简称双闭环调速系统）转速反馈环电流反馈环组成实现达稳态转速时电流理想求变化原理图图11
图11 双闭环调速系统原理
ASR转速调节器 ACR电流调节器
TG测速发电机 TA电流互感器
UPE电力电子变换器
常正反转运行调速系统起制动程济效益明显程中希始终够保持电流值加速度生活实际中电流突变允许电流快起制动关键段保持电流恒电流程利反馈控制规律重原作然会带相应问题希起动程中电流负反馈没转速负反馈达稳态转速转速负反馈没电流反馈[9]
14 MATLAB简介
MATLAB开发研究美国mathworks公司完成作进行数运算程序设计调试担供种先进运算处理环境线性计算理数视图化数分析规动态系统理想建模仿真数精准模拟等批强功块集成容易视窗口环境中理研究项目设计量数计算须效数值科研领域提供种全新合理满足求实行方案范围删惯种非交互式程序设计方法（譬FortranC）中必须种编辑模式赖国际高科技计算软件龙头工具
MATLAB四数学（三分MapleMathematicaMathCAD）工具时物理数学类尖端技术软件中数运算模拟等方面枝独秀MATLAB实现数值函数精确绘制直线式矩阵运算完成实现算法溶合程序设计程序搭建户窗口等运系统控制设计项目计算信号观测解释等领域矩阵MATLAB基数单元MATLAB指令表达方式数学物理运工程中常运方式十分类似MATLAB计算问题会类类似功语言简便快捷MATLAB时吸收众软件优点成强数学运软件更重新版中MATLAB加入CC++JAVA等语言支持进行直接调户动手编写出效常会程序插入MATLAB库函数中样次时方便调取出节省时间
15 课题设计容
设计中控制象然直流电动机惯中PI控制方法双闭环直流调速系统进行详细设计性仿真基础会设计整体方案合理性进行探讨次设计中问题进行细致工作：
1）系统整体方案勾画设计前双闭环直流电动机调速系统基原理方法进行学解特性组成进行综合分析咨询老师确定双闭环调速系统达稳定状态时工作条件进行总体设计
2）基原理基础针数学模型着手稳定性分析
3）系统参数进行计算选择合适数
4）利SIMULINK进行系统结果仿真中升时间作分析调整
5）开环单闭环系统进行较
2 双闭环调速系统工作原理
说双闭环调速系统通常指转束电流双闭环调速系统简称双闭环调速系统均意特作说明
21 直流电动机
双闭环直流电动机调速系统控制象直流电动机谓调速针电动机转速进行调节必性做定介绍直流电动机具良制动起动特性合适范围滑调速许需宽范围调速求快速正反转电机拖动控制区域中普遍应稳态转速根电机知识似表示：
(11)
式中 n指转速（rmin）
U指电枢电压（V）
I指电枢电流（A）
R指电枢回路总电阻（Ω）
指励磁磁通（Wb）
指电动势常
式式难理解针转速调整采取三种措施：
1）调节电枢电压
2）减弱励磁磁通
3）调节电枢回路电阻
明显求定范围级滑调速系统说调节电枢电压方式减弱磁通够滑调速受调速范围限制般作辅助调速电阻调速做级调速直流调速变压调速转化数学表达式：
（12）
讨知转速调节实际电枢电压调节双闭环调速系统基础实际生产中情况电枢电流严格求电流反馈参调节形成转速电流组成双闭环调速两基础面详细阐述处作说明
22 双闭环调速系统组成
双闭环直流调速系统中存转速电流两调节器分调节转速电流引入转速电流负反馈分转速环电流环起作引入两调节器分引入转速负反馈电流负反馈调节转速电流二者间进行嵌套（称串级）联接图21示[10]转速调节器ASR输出作电流调节器ACR输入电流调节器输出控制电力电子变换器UPE系统结构电流环作环嵌套里面层转速环作外环联接电流环外部样常见电流转速组成双闭环直流调速系统
图21 转速电流反馈控制直流调速系统原理图
ASR转速调节器 电流定电压 TG测速发电机
电流互感器 UPE电力电子变换器 电流反馈电压
转速定电压 ACR电流调节器转速反馈电压
23 双闭环调速系统工作原理
实际中转速通连杆控制电动机连接起样控制电动机转动时会带动测速发电机样转速转动知道转速实际情况引入反馈中引入例系数串测速电机输出处理信号引入输入端然定值引入处理信号作面熟知环节结果引入放环节想控制电流环电压电压作电流环输入电流环输出通单导通二极反馈输入信号处终达控制电机转速目[11]
中放环节选择中种方法采集成实现电路说难事电路选择控整流器根需设置电动机输入供二极直接采惯中常二极具体原理图图22：
图22 双闭环直流调速系统原理图
24 直流电动机起动调速
241直流电动机起动
常直流电动机起动方法三种：①接入变阻器起动②降压起动③直接起动[12]常正反转运行调速系统起制动程济效益明显程中希始终够保持电流值加速度[13]生活实际中电流子变化合理电流快制起动关键段保持电流恒电流程利反馈控制规律重原作然会带相应问题希起动程中电流负反馈没转速负反馈达稳态转速转速负反馈没电流反馈[14]
达目引入反馈中理想起动图图23
图23 理想起动程
242直流电动机速度调节
电动机驱动生产机械根负载需常常希电动机转速定甚宽广范围进行调节调节方法简单济[15]直流电动机方面独特优点式（11）知转速进行调节三种方法：
1）调节电枢电压
2）减弱励磁磁通
3）调节电枢回路电阻
中求某定范围做线性调速系统说电枢电压改变方式佳电阻减弱磁通方式般作辅助调速直流电动机调速控制改变电压调速形式数学表达式：
（21）讨知转速调节实际电枢电压调节处说明次
3 双闭环直流调速系统性指标
31 静态性指标
（1）静差率
电机拖动控某转速运转时系统理想空载转速额定负载时转速降落理想空载转速做静差率s[16]：
（31）
百分数表示：
（32）
（2）调速范围
生产机械求电动机额定负载运转时提供高运转速度低运转速度称调速范围符号D表示：
（33）
式中指额定负载低转速指额定负载高转速
（3）静差率调速范围间关系
静差率S表达
（34）
根该式变形：
（35）
结合式（23）联立解：
（36）
静特性详细分析研究出样结K值控制稳定特性产生忽视影响越稳定速降相越静特性会越硬特静差率特求控制范围会越宽提出果控制中（常数）时稳态速降减少消
（37）
仅时现实生产中企样调速控制总静差调速系统简称差调速系统
闭开环系统理想机械特性图31
图31 闭开环系统机械特性较
开坏系统双闭环系统基础明显足图难知定电压应机械特性固定谓调速坐标移动说改变确定工作曲线唯确定调速范围静差率互相制约性指标果提高调速范围时降低静差率减少说没稳定静差率时增加调速范围
面问题提高调速范围时降低静差率解决方法采反馈优秀技术组建转速闭环形式调节系统降低转速幅降减轻静差增宽调速范围容易出闭环控制范围远远
32 双闭环控制性指标
清楚环节中欲做改善系统动静态性做添加种调节器静态指标节中已做详讲述节动态级性指标做阐述研究系统动态级性指标长期生活生产中结合种验实际求通定时间整理观察实践总结智化似智化系统中认动态指标两种较突出明显参数系数会作做介绍
（1） 性指标
1）升时间
实际典阶跃响应模拟程输出量C0开始首次提高稳定时数值需时间通常称阶跃响应升时间表示动态响应快速性见图32
图32 常见阶跃响应程种性指标
2）调节时间
原应该输入引起系统变化响应开始变化系统稳定出现稳定响应者输出时程历总时间调节时间系统整调节程快慢衡量调节时间衡量然系统想达真正完全稳定呼尤正例形式控制系统中想做点更理实现点时间必定会穷否定性现实程中时素出现渡时间达定量基停止签似模拟假设认响应值达定值波动会超稳定值百分五左右时短时间说调节时间图32中直观点样变清楚
3）超调量σ
系统响应输出量会升稳定值第次达稳定值时响应会稳定数保持升趋势直增加值达峰值系统响应降然回落程间响应离稳定值数值差稳定值两者间值通常说超调量百分数进行表达：
（38）
超调量作明显控制系统稳定性体现果值说明控制稳定性反差
（2） 抗扰动力性指标
控制系统中设计时时刻刻理想条件工作基础设计系统应生活中理想情况控制系统正常工作设计系统必须做作工作成败标志种干扰稳定安全运行系统算真正合格度量种性指标讲抗扰性指标图33示常见抗扰动力性指标两动态降落恢复时间图中清楚
图33 突然受干扰响应程指标图
33 双闭环调速系统动态结构
动态结构系统动态数学模型效直观表示方法根该环节动态程微分方程建立该方块传递函数然系统中环节分方块图表示系统中环节间关系方块图连接起出系统传递函数动态结构图
331控硅整流装置数学模型
实际动态分析时晶闸触发整流装置作环节输入量控制电路引导电压导出值作整流电压然放系数视作常数晶闸应系统中基电路图34示：
图34应晶闸整流电路图
先作样假定单位值阶跃函数表示整流系统触发滞节样晶闸输入负载输出关系
（39）
式中指控硅放例晶闸输入电压
指失控时间
采啦士变换该装置传递函数
（310）
332 电动机传递函数动态结构
直流电动机标准励磁环境定子回路模拟等效电路图35图中电感包含控硅中电感值定子回路中电感电阻分包含两部分值然包括电路接入中电感电阻值电枢电流方图35示：
图35 直流电动机等效电路
根直流型电机模拟电路图定子回路电压衡关系：
（311）
式中指额定电动势
指总电枢回路中电阻包含整流装置阻
指定子回路中励磁效感应电感中国包括波电抗器
指定子回路效电磁时间常数s
零初始条件运数学知识式（311）两边取拉氏变换：
（312）
移项变形整理够变形出电压电流两者传递函数：
（313）
进直流机转矩关系式：
（314）
式中指标准励磁效电磁转矩单位设
指直流机效转矩电流单位
指负载转矩中应该包括空载时转矩里面单位样负载电流
面式代入式(314)
（315）
式中指系统机电时间常数单位
运数学方法电动势电流二者间传递函数
（316）
作输入量作输出量结合（313）（316）画出直流电动机结构图图36示
图36 直流电机效动态结构图
333 测速发电机例放器传递函数
测速发电机例放器响应认瞬时测速发电机例放器身放系数认单元环节传递函数：
（317）
（318）
334 电流负反馈环节模型
直流控制系统中电流选时传输反馈环节图37反馈中出现电流信号串入电动机定子回路中阻值电阻关联密切正电流实现求开通关断作需助二级作特性图38示动态图中电流反馈环节系数β连入
图37 电流截止负反馈环节
38 信号输入输出特性
335 双闭环控制系统动态模型
述三节分析已环节动态结构进行整合容易双闭环直流控制系统动态模型框图图39
图39 双闭环直流调速系统动态结构框图
图中电流调节器传递函数转速调节器传递函数 IGBT传递函数传动装置传递函数电机电枢传递函数
4 双闭环控制系统静差分析
41 典型系统
通常情况控制系统开环传递函数式表示：
（41）
中分母中表示系统s0处存r重极点抑说系统包含r积分环节做r型系统根动控制理0型系统（r0）具较低稳态精度Ⅲ型系统容易稳定具较高稳态精度稳定性采Ⅰ型Ⅱ型系统
411 典型Ⅰ型系统
典型Ⅰ型系统开环传递函数表示
（42）
式中 K指系统开环增益T指系统惯性时间常数
Ⅰ型系统结构较简单选参数时需保证中频带宽度足够系统会稳定够保证达需稳定裕度时应保证
典型闭环Ⅰ型系统结构框图开环频率响应特性分图41：
图41（a）Ⅰ型系统结构框图
图41（b）Ⅰ型系统开环数频率特性
典型Ⅰ型系统动态性指标抗扰性参数关系览表4142
表41 Ⅰ型系统参数动态指标关系
参数关系KT
025
039
050
069
10
阻尼ξ
10
08
0707
06
05
超调量σ
0
15
43
95
163
升时间
66T
47T
33T
24T
峰值时间
83T
62T
47T
36T
相角稳定裕度γ
截止频率
024T
037T
046T
060T
079T
表知选择参数时根动态响应超调量综合选择ξK
表42 Ⅰ型系统参数动态抗扰性指标关系
278
166
93
65
28
34
38
40
147
217
287
304
表知控制象两时间常数相距较时动态降落减回复时间延长
412 典型Ⅱ型系统
Ⅱ型系统开环时传递函数表示：
（43）
闭环Ⅱ型系统结构框图开环条件频率响应特性图43示
43 （a）闭环Ⅱ型系统结构框图
43（b）典型闭环Ⅱ型系统开环频率响应特性
典型Ⅱ型系统性指标动态抗扰性参数关系分表4344示
表43典型Ⅱ型系统阶跃输入性指标
h
3
4
5
6
7
8
9
10
σ
526
436
376
332
298
272
250
233
240
265
285
30
31
32
33
335
122
117
96
105
113
123
133
142
k
3
2
2
1
1
1
1
1
表知：调节时间h变化单调h减时升时间快h增时超调量综合指标h5动态性较适中[18]
表44Ⅱ型系统参数动态抗扰性指标关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
722
775
812
840
863
881
896
908
245
270
285
300
315
325
330
340
1360
1045
880
1295
1685
1980
2280
2585
表：h越抗扰性越超调量增般取h5
综合四表格出两种系统长短Ⅱ型说抗扰性较超调量相较Ⅰ型讲超调量优势耐干扰二者根求运环境选择合适种
42 双闭环调速系统静差分析
转速环中果运例调节器写出模块输出：
（44）
时电动机运行
时电动机停止运行
式（44）难出控制电动机电压较电压直接挂钩重缺点输入反馈必须晓电压差电动机转电压差零（然做差）电动机转例积分调节器基作差调节保证电动机转动中角色积分环节采例积分环节调节器输出点点积累起达稳定转速时新增零积分调节器输出量积累开始结束时间输入偏差量历史输出保持变达稳定做差面简单闭环系统作介绍加证
采例调节器时系统静差运例积分调节器时消静差处做差调速
突然加负载时候动态抗扰性说例积分控制规律例控制规律区：历史现存否积分定会存零便发出系统正常工作运行必需控制性输入电压 例调节器输出做点某时刻挂钩果零转取决输入偏差量现状
想弄清例系统工作原理妨原理图（图44）分析控制程情况误差原理图开始然已知道仅参闭环系统静差分析静差程原找解决方法例积分样出现采时负载扰动引起稳态速差：
（45）
静特性分析结果相符合
图44 例调节器原理图
然样会出现静差根面分析做差改变调节器实现求系统中必须接入静差元件系统出现偏差时调整输出消偏差没偏差时输出稳定变解决系统静差问题应采典型静差元件—例积分元件（PI调节器）
例积分调节器（图45）控制PI样关系：
（47）
零状态时运数学工具传递函数：
（48）
式中放倍数
超前时间常数
零初始条件阶跃输入条件（47）PI调节器输出特性表达式：
（49）
图45 例积分器原理图
稳态速差： （410）
式410知例积分控制做静差调速
5 双闭环调速系统设计
整体思路先里外设计环着手外环基原理设计电流环作转速环（外环）中环节设计转速环
检测电流信号中常交流分量影响调节器输入应加入低通滤波器然滤波环节会反馈信号延迟消延迟影响定位置增设时间差惯性环节确保时间步理消测速发电机引起干扰换纹波需加入滤波环节
51 电流环设计
（1）结构框图化简
图33里点画线包围部分电流环反电动势干扰作缓慢程电流突然间发生变化时暂时认样动态性设计环节时完全暂时忽略反电动势变化带种动态影响考虑电机定子反电动势环节干扰条件
（51）
式中 指环开环截止频率
定信号反馈滤波时移环前通道定信号变成电流环等效单位负反馈控制系统[20]
般情况作惯性群似成惯性环节时间常数
（52）
电流环部结构简化似条件：
（53）
（2）电流调节器结构选择
动态求电枢电流允许太超调静态求希电流静差甚没静差环设计性应采Ⅰ型系统较合适
电流环控制象双惯性型校正成Ⅰ型系统时电流调节器选PI型传递函数式子表示[21]
（54）
式中 指电流调节器超前时间常数
指电流调节器例系数
实现控制象时间常数极点调节器零点消[24]选择
（55）
电流环动态结构框图变成图51示典型形式中
（56）
图51Ⅰ型系统电流环动态结构框图
述结果做假设条件基础条件：
①电力电子变换器进行纯滞性似处理
（57）
②考虑反电动势变化会环动态影响
（58）
③电流环惯性群作似处理
（59）
（3）环调节器参数计算
（53）电流调节器参数已选定需求求动态性指标选取般情况希电流超调量表32选
（510）
结合考虑式（53）式（54）整理：
（511）
52 转速环设计
（1）环等效闭环传递函数
电流环简化作转速环环节需先求闭环传递函数：
（512）
考虑高次项降低阶次似表示成
（513）
似条件式
（514）
式中指转速环开环频率特性截止频率
电流环作转速环环节输入量电流环转速环等效成[24]
（515）
（2）转速调节器结构选择
电流环样转速定滤波反馈滤波两环节移入环定信号变两时间常数惯性环节合起似成时间常数惯性环节中
（516）
满足电机转速调节静差想满足动态性指标求转速环开环传递函数两积分环节设计Ⅱ型系统例积分（PI）调节器[25]传递函数表示：
（517）
式中 环PI调节器超前时间常数
环PI调节器例系数
样直流电机调速控制系统开环传递函数表示
（518）
令转速环开环增益
（519）
（520）
结果必须似条件：
（521）
（522）
（3）环PI调节器参数计算
转速环调节器包含两参数典型Ⅱ型系统相关参数关系式
（523）
式
（524）
（525）
中频宽h选择需动态性求决定h5时调节时间短性抗扰性适中般情况选择h5[26]
53 双闭环系统数运算
设计中采三相桥式晶闸整流装置供电电流转速双闭环控制系统关数：
直流电动机关参数：电动机电动势系数允许载放例
电枢回路总电阻：
晶闸装置放系数：
时间常数：电枢回路电磁时间常数电力拖动系统机电时间常数
电流反馈系数：
转速反馈系数：
求：（1）稳态性指标做静差
（2）动态指标求电流超调量空载起动转速达额定时转速超调量
531 电流调节器参数计算
1选择电流环调节器结构
根设计求电流超调量保证稳态电流差典型Ⅰ型系统设计电流环调节器电流环控制象两惯性环节例积分（PI）型调节器设计电流环传递函数[27]
校验系统中电源电压变化抗扰性：参表31典型Ⅰ型系统动态抗扰动性指标表中出项性指标设计系统满足电流环典型Ⅰ型系统标准模型设计
2时间常数确定
（1）整流装置滞时间常数设计成三相桥式全控整流电路均失控时间
电枢回路电感
电枢电阻
（2）电流滤波时间常数三相桥式全控整流电路波头时间333基滤波头应（1~2）333ms取2ms0002s
电流环时间常数时间常数似处理取+00037s
3电流环调节器参数计算
电流环调节器超前时间常数：
系统电流环开环放倍数：求时表32应取
电流环ACR例放系数：
4电流环似条件校验
电流环频率特性中截止频率：
(1)校验晶闸三相全控桥式整流装置传递函数似条件
满足求
(2)校验考虑反电动势电流环动态性影响条件
满足求
(3)校验电流环动态时间常数似条件
满足求
根述参数电流环达动态性指标（见表42）满足设计求
532 转速调节器参数计算
1．时间常数确定
（1）电流环等效电路动态程时间常数已取
（2）转速滤波时间常数取
（3）转速环时间常数时间常数似处理取
2．转速调节器结构选择
设计时求转速静差转速调节器含积分环节动态性求应Ⅱ型系统设计调速环采PI调节器传递函数表示成[28]
3．转速环PID调节器参数计算
根性抗扰动动态性时满足原取h5转速环超前时间常数
转速环开环增益
转速环调节器（ASR）例系数
4．似条件校验
转速环频率特性中截止时频率
(1)电流环调节器传递函数简化条件
满足条件
(2)转速环较时间常数似条件
满足条件
5．转速超调量校核
h5时查表43满足设计求应该ASR退饱情况重新计算
求出
取h5查表34
h5满足设计求
6 双闭环控制系统仿真分析
61 双闭环系统仿真
双闭环直流电动机调速系统仿真分两部分部分电流环仿真部分转速环仿真
611 电流环仿真
电机模型等效：
图61 电动机仿真等效模型
整双闭环系统中电流环Simulink中创建模型图62：
图62 电流环仿真模型
中环节已模块参数进行设置参数设置详细数进行说明
1） 双击tansfer fun模块设置参数：
tansfer fun
tansfer fun1
tansfer fun2
tansfer fun3
tansfer fun4
2) 双击Gain模块设置指标：
Gain1
Gain2
电流环仿真结果图63：
图63 电流环仿真结果
图定位参数值：
电流I1250A
升时间
电流仿真结果说明电机额定电流136A允许电流204A时系统中出现电流已远远超电机够承受电流必须采取限流者解决措施
限流器模块仿真模型数指标：
时仿真系统模型见图64：
图64加入限流器电流环模型
仿真结果见图65
图65电流环修正结果
612 转速环仿真
转速环（双闭环）系统simulink中仿真模型见图66：
图66 转速环仿真模型
转速环仿真中环参数电流环样保持变处重设参数转速环参数设置：
1）双击Gain模块设置参数：
Gain4
Gain5
2) 双击Transfer Fcn模块设置参数：
Transfer Fcn5
转速环仿真结果见图67：
图67 转速环仿真结果
图知：
转速
升时间
根仿真结果难知该系统超调量效果转速极稳定想升时间理想般系统说长起动时间会便缺失美中足加电流环遇情况必须该系统进行改善校正
减升时间参数没影响电机课程中会涉样容需启动电动机时采阶段加入电阻协助启动常串电阻启动调速方法电枢绕组线路中接入电阻启动电流通时电阻产生电压降分担应该全部落电枢绕组面电压降实现降低启动电流作增加电阻原先计算参数中部分会变化
取增加阻值035欧电阻电枢总电阻06欧：
电枢回路电感
中电流环（ACR）部分放系数：
转速环调节器（ASR）例
系统中需固定电阻串普通电阻解决问题
加入电阻会反转矩出现直流电动机反转矩转矩时直流电动机会加速反转矩转矩时直流电动机会减速S增转速降转矩会增直转矩衡止新衡达时直流电动机便前略低转速运行串接电阻实现改变转差率进达调速目更重调速时减少系统升时间调速系统利蔽副作时间影响选择法目法实行仿真模块没改变需中参数进行修改非常方便效果明显
修正参数：
Transfer Fun2
Transfer Fun3
仿真结果见图68：
图68 转速环修正结果
图知：
转速
升时间
62 单双闭环系统仿真较
621 单闭环系统仿真
单闭环仿真模型：
图69 单闭环调速系统仿真模型
仿真结果见图610：
图610 电机电枢电流转速曲线
图知：
转速
升时间
图知双闭环直流电动机调速控制系统快速反应差调节两优势
分解图见图611：
图611 单闭环直流调速转速波形（左）单闭环直流调速电流波形（右）较
622 两种调速系统较
单双闭环直流调速系统仿真转速波形较见图612
图612 单闭环直流调速转速波形(左)双闭环直流调速转速波形(右)较
单双闭环直流调速系统仿真电枢电流波形见图613
图613单闭环直流调速电流调整波形(左)双闭环直流调速电流调整波形(右)较
面两种系统较出单闭环直流调速系统反应时间略慢双闭环调速系统反应时间快单闭环调速系统超调量明显双闭环系统双闭环系统稳定性单闭环系统抗扰动方面优势明显[30]
63 双闭环开环较
开环仿真仿真模型图614
图614 开环系统仿真模型
仿真结果图615
图615 开环系统转速仿真结果
转速升时间双闭环调速系统较图616
图616 开环（左）双闭环系统（右）转速较
图便知：开环系统反应时间闭环反应时间长开环系统超调量较优点开环系统适合简单民电机中益较高精准求需快速反应系统中出现双闭环系统快速反应差调节优势胜更高求系统
64 结
通章较开环控制系统反应时间闭环反应时间长系统启动迟钝功耗较采种方式济效益高益广范推广开环系统超调量较造价低优点民中尚未会完全淘汰开环系统适合简单民电机中益较高精准求需快速反应系统中出现单闭环直流调速控制系统开环更优抗扰性调速性更制起动性超调量明显开环调速控制系统常出现击电流电动机正常工作利运行中出现电流脉动击会电输送网络生产机械产生较影响甚严重时会安全事双闭环直流电动机调速控制系统具单闭环直流电动机调速调速系统更加完美性指标升时间超调量较理想结构复杂投入价格高易维修总体说双闭环直流电动机调速控制系统快速反应差调节优势胜更高求系统种精密系统首选
总结展
开题现查阅相关文献动手仿真实验老师细致指导学热情帮助通身努力目前止文已基完成
文完成工作项目：
（1）直流电动机调速控制系统发展现状进行解认识双闭环调速目意义直流电机基特性做分析双闭环直流电机调速控制系统进行理分析研究
（2）分析双闭环直流电动机调速系统工作原理进行深入研究作出原理图推导出环节传递函数动态模块部分组成特性进行分析介绍
（3）根已参数指标数设计合理参数利MATLAB中SIMULINK系统进行仿真校正
（4）仿真中仿真结果波形基础系统合理部分进行发现加解决特效灵活运电动机串电阻启动原理行文更具魅力
通课题研究中收获直流调速更深入解知识板块单片机交流调速等更解着双闭环调速系统研究深入意识文足需改进处：
（1）升时间电枢电阻协调电枢电阻身时改变样电阻带问题难解决境加电阻难减某元件电阻难电阻时超调量达接受求
（2）电机调速系统传统模式已较成熟运较高精技术行业系统参数值求高传统办法法实现文中末突破点想领域创造公单元
致谢
文开题已尾声感谢父母现切感谢学四年老师辛勤教授知识特专业知识积累天文利完成教远简单篇文传达次感谢您感谢教切
特感谢XX老师正年轻活力激情热情督促指导利完成结业文感谢您年帮助指导
感谢学朋友生活动力激情生命活力
参考文献
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毕业文（设计）
基双闭环控制直流电机调速系统设计
学生姓名： 学 号：
系 ： 电气工程系 专 业：电气工程动化
指导教师： 评阅教师：
文答辩日期 2013
答辩委员会席
摘
伴科学技术迅猛发展电动机关控制技术发展时俱进电动机运领域现实生活中许领域起缺作中直流电机更快速反应度精准调速性极低功耗宽阔调速范围等优点整调速控制系统中独占鳌头
直流电动机控制调速系统中开环性指标差必性进行修正改善量研究实践证明采闭环调速系统调速性求般场合采单闭环控制系统调速指标高采闭环系统[1]根引回反馈量性质致分电压反馈电流反馈转速反馈等双闭环系统中惯采电流转速闭环控制采双闭控制调速系统做差调节性优越尤高精尖技术中运广范研究具高现实意义
文首先述直流调速系统现状背景讨研究该系统重意义然双闭环调速系统进行理分析理研究基础根求数参数设计出合理双闭环直流调速系统理完成系统设计设计系统进行MATLAB仿真出仿真结果分析结果理值异找出系统中合理环节参数进行校正必处理终出符合求系统模型突出该系统优缺点会双闭环直流调速系统调速系统（开环调速系统单闭环调速系统）进行较
关键词 稳态性直流电机双闭环静差MATLAB
ABSTRACT
Along with the rapid development of science and technology related to motor control technology development is also advancing with The Times the motor application in many fields in real life it also plays an indispensable role And the DC motor is relying on its quick response and accurate performance of speed and low power consumption and wide speed range etc in the speed regulation control system
In a DC motor speed regulation system open loop performance is poor therefore it is necessary to be revised to improve the performance of these after a lot of research and practice has proved can adopt the closed loop speed regulation system For speed control performance requirements in general situation adopt single closed loop control system and high speed control indexes the multi closed loop system Habit in the double closed loop system using current and speed closed loop control Speed control system with double closed control can be done without adjustment and superior performance especially in many advanced technology used in broader range this makes the study of it has high practical significance
First of all the paper discusses the present situation of DC speed regulating system and background researching significance of this system and then theoretical analysis was carried out on the double closed loop speed regulation system and finally on the basis of theoretical research according to the requirements of the data parameter design a reasonable double closedloop DC speed regulating system After finishing the system design to system design by MATLAB simulation the simulation results and analyzes the similarities and differences between the results with the theoretical value and find out the unreasonable links and in the system parameters calibration and the necessary processing and eventually concluded that conform to the requirements of system model To highlight the advantages and disadvantages of the system and will with other speed regulation system of double closed loop DC speed control system (open loop speed control system and a single closedloop speed control system)
Keywords Steady state performance directcurrent motorDouble closed loop MATLAB
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 绪言
11 课题背景现状 1
12 课题研究意义 2
13 双闭环直流电动机调速概况 3
14 MATLAB简介 4
15 课题设计容 4
2 双闭环调速系统工作原理
21 直流电动机 5
22 双闭环调速系统组成 6
23 双闭环调速系统工作原理 6
24 直流电动机起动调速 7
241直流电动机起动 7
242直流电动机速度调节 8
3 双闭环直流调速系统性指标
31 静态性指标 9
32 双闭环控制性指标 11
33 双闭环调速系统动态结构 13
331控硅整流装置数学模型 13
332 电动机传递函数动态结构 14
333 测速发电机例放器传递函数 15
334 电流负反馈环节模型 16
335 双闭环控制系统动态模型 17
4 双闭环控制系统静差分析
41 典型系统 18
411 典型Ⅰ型系统 18
412 典型Ⅱ型系统 20
42 双闭环调速系统静差分析 22
5 双闭环调速系统设计
51 电流环设计 25
52 转速环设计 27
53 双闭环系统数运算 29
531 电流调节器参数计算 30
532 转速调节器参数计算 31
6 双闭环控制系统仿真分析
61 双闭环系统仿真 34
611 电流环仿真 34
612 转速环仿真 40
62 单双闭环系统仿真较 45
621 单闭环系统仿真 45
622 两种调速系统较 46
63 双闭环开环较 47
64 结 49
总结展 50
致谢 51
参考文献 52
1 绪言
11 课题背景现状
广泛角度直流电动机调速系统应该代电力拖动动控制系统中起步发展成熟较早技术电力电子技术发展起步二十世纪五六十年代发展益现代传感器原理发展电气中传统电子技术动控制原理理技术微型电子技术运微型机算机应领域投入飞速发展观成果技术发展运造直流调速系统沧海桑田改变直接导致电变换控制成现实促现种节高效新型电源电机调速系统装置问世[2]工业生产交通运输甚家庭动化提供先进技术改善生产效率提高生活质量社会生产生活方式发生质变化伴着新型高性电力电子器件深入研究全面开发先进控制技术完善电力电子电力拖动控制装置性断优化提高种变化带影响断增加会越越[2]
1964年提出PWM技术应电机传动中开始电机传动推广发展进入新王步入代体积耗电少低成高速高性安全稳定集成化电路着规模增已市场化直流电机控制放全新时期微型处理器运数字控制中作目前传动系统中直流电动机调速控制中般PWM协桥式驱动电路实现直流电机调速十分方便简单更重点调速区间长
目前世界直流电动机调速系统方面研究发展着科技发展越越深入取观成绩
国世纪中期开发首种硅晶闸开始运晶闸直流电动机调速系统获全速发展应现国院校科研单位厂家进行数字式直流调速系统开发提出许关直流调速系统控制算法单闭环直流调速系统研究提出观点法直流电动机直流调速系统参数辩识方法直流电动机调速系统模控制方法模糊控制方法等研究方法直流调速系统研究侧面科研员进行程度研究[3]
国外科技整体起步发展国早技术方面甚超百年者代直流电动机调速方面样国外电机出现国早百年控制更长现电机控制技术已相成熟实际运十分完美开发研究新型产品世界着统治位西门子公司生产SIMOREGK 6RA24 系列整流装置三相交流电源直接供电全数字控制装置[4]结构紧凑直流电机电枢励磁供电完成调速务装置身带参数设定单元需附加设备便完成参数设定[4]控制调节监控附加功微处理器实现选择定值反馈值数字量模拟量[5]
12 课题研究意义
然双闭环直流调速系统先进性许方面应承担着非常重作然优劣存双闭环直流调速优点具调速性具较起动转矩良起制动性易较宽范围实现滑调速更重做差调速[6]说闭环中熟知环节反馈整系统关键部闭环反馈输出接输入中整系统变成封闭式结构输入输出输出反影响输出动态中找合适结果带输出量负反馈闭环控制系统具提高系统抗干扰性改善控制精度性广泛类动调节系统中[7]双闭环整环节中做时电流转速成功引回点更加具超优越性
然事情利蔽调速系统样成功引入反馈作带典型优势时缺点显易见说造价昂贵护理极方便整结构较繁杂等外采封闭式系统会带外问题譬说载电流出现般电动机说允许电流值旦超样界值电动机损环重更危生命问题必运行前加解决然电路中常见问题难处理常方法加限流器样限制电枢中高电流引入电流负反馈环节时身够定程度保持电流变跨越允许值
双闭环直流调速系统指转速电流负反馈构成双闭环控制系统[2]研究双闭环直流调速系统需研究双闭环直流调速系统板组成部分研究[9]组成部分功配合时相互影响限制直流调速系统中更高动静态性指标通常采负反馈控制系统调速性高求调速系统常常利直流电动机作动力系统中利转速负反馈增加稳态精度采例调节器负反馈调速系统实际存着静差消静差必须措施解决办法利例积分调节器取代例调节器[8]
年直流电动机调速问题早独树帜直流机非常优越线性调特性优异完美动态特性观效率方便简单控制性目前止然牢牢掌握着需求研究直流电机速度控制着非常重意义双闭环直流调速系统重部分利直流调速控制电机够节约耗够电机输出达需结果提高电机效率通研究双闭环直流调速系统达提高系统效率提升系统精确度目科学技术发展意义
13 双闭环直流电动机调速概况
整体说双闭环直流调速系统（面简称双闭环调速系统）转速反馈环电流反馈环组成实现达稳态转速时电流理想求变化原理图图11
图11 双闭环调速系统原理
ASR转速调节器 ACR电流调节器
TG测速发电机 TA电流互感器
UPE电力电子变换器
常正反转运行调速系统起制动程济效益明显程中希始终够保持电流值加速度生活实际中电流突变允许电流快起制动关键段保持电流恒电流程利反馈控制规律重原作然会带相应问题希起动程中电流负反馈没转速负反馈达稳态转速转速负反馈没电流反馈[9]
14 MATLAB简介
MATLAB开发研究美国mathworks公司完成作进行数运算程序设计调试担供种先进运算处理环境线性计算理数视图化数分析规动态系统理想建模仿真数精准模拟等批强功块集成容易视窗口环境中理研究项目设计量数计算须效数值科研领域提供种全新合理满足求实行方案范围删惯种非交互式程序设计方法（譬FortranC）中必须种编辑模式赖国际高科技计算软件龙头工具
MATLAB四数学（三分MapleMathematicaMathCAD）工具时物理数学类尖端技术软件中数运算模拟等方面枝独秀MATLAB实现数值函数精确绘制直线式矩阵运算完成实现算法溶合程序设计程序搭建户窗口等运系统控制设计项目计算信号观测解释等领域矩阵MATLAB基数单元MATLAB指令表达方式数学物理运工程中常运方式十分类似MATLAB计算问题会类类似功语言简便快捷MATLAB时吸收众软件优点成强数学运软件更重新版中MATLAB加入CC++JAVA等语言支持进行直接调户动手编写出效常会程序插入MATLAB库函数中样次时方便调取出节省时间
15 课题设计容
设计中控制象然直流电动机惯中PI控制方法双闭环直流调速系统进行详细设计性仿真基础会设计整体方案合理性进行探讨次设计中问题进行细致工作：
1）系统整体方案勾画设计前双闭环直流电动机调速系统基原理方法进行学解特性组成进行综合分析咨询老师确定双闭环调速系统达稳定状态时工作条件进行总体设计
2）基原理基础针数学模型着手稳定性分析
3）系统参数进行计算选择合适数
4）利SIMULINK进行系统结果仿真中升时间作分析调整
5）开环单闭环系统进行较
2 双闭环调速系统工作原理
说双闭环调速系统通常指转束电流双闭环调速系统简称双闭环调速系统均意特作说明
21 直流电动机
双闭环直流电动机调速系统控制象直流电动机谓调速针电动机转速进行调节必性做定介绍直流电动机具良制动起动特性合适范围滑调速许需宽范围调速求快速正反转电机拖动控制区域中普遍应稳态转速根电机知识似表示：
(11)
式中 n指转速（rmin）
U指电枢电压（V）
I指电枢电流（A）
R指电枢回路总电阻（Ω）
指励磁磁通（Wb）
指电动势常
式式难理解针转速调整采取三种措施：
1）调节电枢电压
2）减弱励磁磁通
3）调节电枢回路电阻
明显求定范围级滑调速系统说调节电枢电压方式减弱磁通够滑调速受调速范围限制般作辅助调速电阻调速做级调速直流调速变压调速转化数学表达式：
（12）
讨知转速调节实际电枢电压调节双闭环调速系统基础实际生产中情况电枢电流严格求电流反馈参调节形成转速电流组成双闭环调速两基础面详细阐述处作说明
22 双闭环调速系统组成
双闭环直流调速系统中存转速电流两调节器分调节转速电流引入转速电流负反馈分转速环电流环起作引入两调节器分引入转速负反馈电流负反馈调节转速电流二者间进行嵌套（称串级）联接图21示[10]转速调节器ASR输出作电流调节器ACR输入电流调节器输出控制电力电子变换器UPE系统结构电流环作环嵌套里面层转速环作外环联接电流环外部样常见电流转速组成双闭环直流调速系统
图21 转速电流反馈控制直流调速系统原理图
ASR转速调节器 电流定电压 TG测速发电机
电流互感器 UPE电力电子变换器 电流反馈电压
转速定电压 ACR电流调节器转速反馈电压
23 双闭环调速系统工作原理
实际中转速通连杆控制电动机连接起样控制电动机转动时会带动测速发电机样转速转动知道转速实际情况引入反馈中引入例系数串测速电机输出处理信号引入输入端然定值引入处理信号作面熟知环节结果引入放环节想控制电流环电压电压作电流环输入电流环输出通单导通二极反馈输入信号处终达控制电机转速目[11]
中放环节选择中种方法采集成实现电路说难事电路选择控整流器根需设置电动机输入供二极直接采惯中常二极具体原理图图22：
图22 双闭环直流调速系统原理图
24 直流电动机起动调速
241直流电动机起动
常直流电动机起动方法三种：①接入变阻器起动②降压起动③直接起动[12]常正反转运行调速系统起制动程济效益明显程中希始终够保持电流值加速度[13]生活实际中电流子变化合理电流快制起动关键段保持电流恒电流程利反馈控制规律重原作然会带相应问题希起动程中电流负反馈没转速负反馈达稳态转速转速负反馈没电流反馈[14]
达目引入反馈中理想起动图图23
图23 理想起动程
242直流电动机速度调节
电动机驱动生产机械根负载需常常希电动机转速定甚宽广范围进行调节调节方法简单济[15]直流电动机方面独特优点式（11）知转速进行调节三种方法：
1）调节电枢电压
2）减弱励磁磁通
3）调节电枢回路电阻
中求某定范围做线性调速系统说电枢电压改变方式佳电阻减弱磁通方式般作辅助调速直流电动机调速控制改变电压调速形式数学表达式：
（21）讨知转速调节实际电枢电压调节处说明次
3 双闭环直流调速系统性指标
31 静态性指标
（1）静差率
电机拖动控某转速运转时系统理想空载转速额定负载时转速降落理想空载转速做静差率s[16]：
（31）
百分数表示：
（32）
（2）调速范围
生产机械求电动机额定负载运转时提供高运转速度低运转速度称调速范围符号D表示：
（33）
式中指额定负载低转速指额定负载高转速
（3）静差率调速范围间关系
静差率S表达
（34）
根该式变形：
（35）
结合式（23）联立解：
（36）
静特性详细分析研究出样结K值控制稳定特性产生忽视影响越稳定速降相越静特性会越硬特静差率特求控制范围会越宽提出果控制中（常数）时稳态速降减少消
（37）
仅时现实生产中企样调速控制总静差调速系统简称差调速系统
闭开环系统理想机械特性图31
图31 闭开环系统机械特性较
开坏系统双闭环系统基础明显足图难知定电压应机械特性固定谓调速坐标移动说改变确定工作曲线唯确定调速范围静差率互相制约性指标果提高调速范围时降低静差率减少说没稳定静差率时增加调速范围
面问题提高调速范围时降低静差率解决方法采反馈优秀技术组建转速闭环形式调节系统降低转速幅降减轻静差增宽调速范围容易出闭环控制范围远远
32 双闭环控制性指标
清楚环节中欲做改善系统动静态性做添加种调节器静态指标节中已做详讲述节动态级性指标做阐述研究系统动态级性指标长期生活生产中结合种验实际求通定时间整理观察实践总结智化似智化系统中认动态指标两种较突出明显参数系数会作做介绍
（1） 性指标
1）升时间
实际典阶跃响应模拟程输出量C0开始首次提高稳定时数值需时间通常称阶跃响应升时间表示动态响应快速性见图32
图32 常见阶跃响应程种性指标
2）调节时间
原应该输入引起系统变化响应开始变化系统稳定出现稳定响应者输出时程历总时间调节时间系统整调节程快慢衡量调节时间衡量然系统想达真正完全稳定呼尤正例形式控制系统中想做点更理实现点时间必定会穷否定性现实程中时素出现渡时间达定量基停止签似模拟假设认响应值达定值波动会超稳定值百分五左右时短时间说调节时间图32中直观点样变清楚
3）超调量σ
系统响应输出量会升稳定值第次达稳定值时响应会稳定数保持升趋势直增加值达峰值系统响应降然回落程间响应离稳定值数值差稳定值两者间值通常说超调量百分数进行表达：
（38）
超调量作明显控制系统稳定性体现果值说明控制稳定性反差
（2） 抗扰动力性指标
控制系统中设计时时刻刻理想条件工作基础设计系统应生活中理想情况控制系统正常工作设计系统必须做作工作成败标志种干扰稳定安全运行系统算真正合格度量种性指标讲抗扰性指标图33示常见抗扰动力性指标两动态降落恢复时间图中清楚
图33 突然受干扰响应程指标图
33 双闭环调速系统动态结构
动态结构系统动态数学模型效直观表示方法根该环节动态程微分方程建立该方块传递函数然系统中环节分方块图表示系统中环节间关系方块图连接起出系统传递函数动态结构图
331控硅整流装置数学模型
实际动态分析时晶闸触发整流装置作环节输入量控制电路引导电压导出值作整流电压然放系数视作常数晶闸应系统中基电路图34示：
图34应晶闸整流电路图
先作样假定单位值阶跃函数表示整流系统触发滞节样晶闸输入负载输出关系
（39）
式中指控硅放例晶闸输入电压
指失控时间
采啦士变换该装置传递函数
（310）
332 电动机传递函数动态结构
直流电动机标准励磁环境定子回路模拟等效电路图35图中电感包含控硅中电感值定子回路中电感电阻分包含两部分值然包括电路接入中电感电阻值电枢电流方图35示：
图35 直流电动机等效电路
根直流型电机模拟电路图定子回路电压衡关系：
（311）
式中指额定电动势
指总电枢回路中电阻包含整流装置阻
指定子回路中励磁效感应电感中国包括波电抗器
指定子回路效电磁时间常数s
零初始条件运数学知识式（311）两边取拉氏变换：
（312）
移项变形整理够变形出电压电流两者传递函数：
（313）
进直流机转矩关系式：
（314）
式中指标准励磁效电磁转矩单位设
指直流机效转矩电流单位
指负载转矩中应该包括空载时转矩里面单位样负载电流
面式代入式(314)
（315）
式中指系统机电时间常数单位
运数学方法电动势电流二者间传递函数
（316）
作输入量作输出量结合（313）（316）画出直流电动机结构图图36示
图36 直流电机效动态结构图
333 测速发电机例放器传递函数
测速发电机例放器响应认瞬时测速发电机例放器身放系数认单元环节传递函数：
（317）
（318）
334 电流负反馈环节模型
直流控制系统中电流选时传输反馈环节图37反馈中出现电流信号串入电动机定子回路中阻值电阻关联密切正电流实现求开通关断作需助二级作特性图38示动态图中电流反馈环节系数β连入
图37 电流截止负反馈环节
38 信号输入输出特性
335 双闭环控制系统动态模型
述三节分析已环节动态结构进行整合容易双闭环直流控制系统动态模型框图图39
图39 双闭环直流调速系统动态结构框图
图中电流调节器传递函数转速调节器传递函数 IGBT传递函数传动装置传递函数电机电枢传递函数
4 双闭环控制系统静差分析
41 典型系统
通常情况控制系统开环传递函数式表示：
（41）
中分母中表示系统s0处存r重极点抑说系统包含r积分环节做r型系统根动控制理0型系统（r0）具较低稳态精度Ⅲ型系统容易稳定具较高稳态精度稳定性采Ⅰ型Ⅱ型系统
411 典型Ⅰ型系统
典型Ⅰ型系统开环传递函数表示
（42）
式中 K指系统开环增益T指系统惯性时间常数
Ⅰ型系统结构较简单选参数时需保证中频带宽度足够系统会稳定够保证达需稳定裕度时应保证
典型闭环Ⅰ型系统结构框图开环频率响应特性分图41：
图41（a）Ⅰ型系统结构框图
图41（b）Ⅰ型系统开环数频率特性
典型Ⅰ型系统动态性指标抗扰性参数关系览表4142
表41 Ⅰ型系统参数动态指标关系
参数关系KT
025
039
050
069
10
阻尼ξ
10
08
0707
06
05
超调量σ
0
15
43
95
163
升时间
66T
47T
33T
24T
峰值时间
83T
62T
47T
36T
相角稳定裕度γ
截止频率
024T
037T
046T
060T
079T
表知选择参数时根动态响应超调量综合选择ξK
表42 Ⅰ型系统参数动态抗扰性指标关系
278
166
93
65
28
34
38
40
147
217
287
304
表知控制象两时间常数相距较时动态降落减回复时间延长
412 典型Ⅱ型系统
Ⅱ型系统开环时传递函数表示：
（43）
闭环Ⅱ型系统结构框图开环条件频率响应特性图43示
43 （a）闭环Ⅱ型系统结构框图
43（b）典型闭环Ⅱ型系统开环频率响应特性
典型Ⅱ型系统性指标动态抗扰性参数关系分表4344示
表43典型Ⅱ型系统阶跃输入性指标
h
3
4
5
6
7
8
9
10
σ
526
436
376
332
298
272
250
233
240
265
285
30
31
32
33
335
122
117
96
105
113
123
133
142
k
3
2
2
1
1
1
1
1
表知：调节时间h变化单调h减时升时间快h增时超调量综合指标h5动态性较适中[18]
表44Ⅱ型系统参数动态抗扰性指标关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
722
775
812
840
863
881
896
908
245
270
285
300
315
325
330
340
1360
1045
880
1295
1685
1980
2280
2585
表：h越抗扰性越超调量增般取h5
综合四表格出两种系统长短Ⅱ型说抗扰性较超调量相较Ⅰ型讲超调量优势耐干扰二者根求运环境选择合适种
42 双闭环调速系统静差分析
转速环中果运例调节器写出模块输出：
（44）
时电动机运行
时电动机停止运行
式（44）难出控制电动机电压较电压直接挂钩重缺点输入反馈必须晓电压差电动机转电压差零（然做差）电动机转例积分调节器基作差调节保证电动机转动中角色积分环节采例积分环节调节器输出点点积累起达稳定转速时新增零积分调节器输出量积累开始结束时间输入偏差量历史输出保持变达稳定做差面简单闭环系统作介绍加证
采例调节器时系统静差运例积分调节器时消静差处做差调速
突然加负载时候动态抗扰性说例积分控制规律例控制规律区：历史现存否积分定会存零便发出系统正常工作运行必需控制性输入电压 例调节器输出做点某时刻挂钩果零转取决输入偏差量现状
想弄清例系统工作原理妨原理图（图44）分析控制程情况误差原理图开始然已知道仅参闭环系统静差分析静差程原找解决方法例积分样出现采时负载扰动引起稳态速差：
（45）
静特性分析结果相符合
图44 例调节器原理图
然样会出现静差根面分析做差改变调节器实现求系统中必须接入静差元件系统出现偏差时调整输出消偏差没偏差时输出稳定变解决系统静差问题应采典型静差元件—例积分元件（PI调节器）
例积分调节器（图45）控制PI样关系：
（47）
零状态时运数学工具传递函数：
（48）
式中放倍数
超前时间常数
零初始条件阶跃输入条件（47）PI调节器输出特性表达式：
（49）
图45 例积分器原理图
稳态速差： （410）
式410知例积分控制做静差调速
5 双闭环调速系统设计
整体思路先里外设计环着手外环基原理设计电流环作转速环（外环）中环节设计转速环
检测电流信号中常交流分量影响调节器输入应加入低通滤波器然滤波环节会反馈信号延迟消延迟影响定位置增设时间差惯性环节确保时间步理消测速发电机引起干扰换纹波需加入滤波环节
51 电流环设计
（1）结构框图化简
图33里点画线包围部分电流环反电动势干扰作缓慢程电流突然间发生变化时暂时认样动态性设计环节时完全暂时忽略反电动势变化带种动态影响考虑电机定子反电动势环节干扰条件
（51）
式中 指环开环截止频率
定信号反馈滤波时移环前通道定信号变成电流环等效单位负反馈控制系统[20]
般情况作惯性群似成惯性环节时间常数
（52）
电流环部结构简化似条件：
（53）
（2）电流调节器结构选择
动态求电枢电流允许太超调静态求希电流静差甚没静差环设计性应采Ⅰ型系统较合适
电流环控制象双惯性型校正成Ⅰ型系统时电流调节器选PI型传递函数式子表示[21]
（54）
式中 指电流调节器超前时间常数
指电流调节器例系数
实现控制象时间常数极点调节器零点消[24]选择
（55）
电流环动态结构框图变成图51示典型形式中
（56）
图51Ⅰ型系统电流环动态结构框图
述结果做假设条件基础条件：
①电力电子变换器进行纯滞性似处理
（57）
②考虑反电动势变化会环动态影响
（58）
③电流环惯性群作似处理
（59）
（3）环调节器参数计算
（53）电流调节器参数已选定需求求动态性指标选取般情况希电流超调量表32选
（510）
结合考虑式（53）式（54）整理：
（511）
52 转速环设计
（1）环等效闭环传递函数
电流环简化作转速环环节需先求闭环传递函数：
（512）
考虑高次项降低阶次似表示成
（513）
似条件式
（514）
式中指转速环开环频率特性截止频率
电流环作转速环环节输入量电流环转速环等效成[24]
（515）
（2）转速调节器结构选择
电流环样转速定滤波反馈滤波两环节移入环定信号变两时间常数惯性环节合起似成时间常数惯性环节中
（516）
满足电机转速调节静差想满足动态性指标求转速环开环传递函数两积分环节设计Ⅱ型系统例积分（PI）调节器[25]传递函数表示：
（517）
式中 环PI调节器超前时间常数
环PI调节器例系数
样直流电机调速控制系统开环传递函数表示
（518）
令转速环开环增益
（519）
（520）
结果必须似条件：
（521）
（522）
（3）环PI调节器参数计算
转速环调节器包含两参数典型Ⅱ型系统相关参数关系式
（523）
式
（524）
（525）
中频宽h选择需动态性求决定h5时调节时间短性抗扰性适中般情况选择h5[26]
53 双闭环系统数运算
设计中采三相桥式晶闸整流装置供电电流转速双闭环控制系统关数：
直流电动机关参数：电动机电动势系数允许载放例
电枢回路总电阻：
晶闸装置放系数：
时间常数：电枢回路电磁时间常数电力拖动系统机电时间常数
电流反馈系数：
转速反馈系数：
求：（1）稳态性指标做静差
（2）动态指标求电流超调量空载起动转速达额定时转速超调量
531 电流调节器参数计算
1选择电流环调节器结构
根设计求电流超调量保证稳态电流差典型Ⅰ型系统设计电流环调节器电流环控制象两惯性环节例积分（PI）型调节器设计电流环传递函数[27]
校验系统中电源电压变化抗扰性：参表31典型Ⅰ型系统动态抗扰动性指标表中出项性指标设计系统满足电流环典型Ⅰ型系统标准模型设计
2时间常数确定
（1）整流装置滞时间常数设计成三相桥式全控整流电路均失控时间
电枢回路电感
电枢电阻
（2）电流滤波时间常数三相桥式全控整流电路波头时间333基滤波头应（1~2）333ms取2ms0002s
电流环时间常数时间常数似处理取+00037s
3电流环调节器参数计算
电流环调节器超前时间常数：
系统电流环开环放倍数：求时表32应取
电流环ACR例放系数：
4电流环似条件校验
电流环频率特性中截止频率：
(1)校验晶闸三相全控桥式整流装置传递函数似条件
满足求
(2)校验考虑反电动势电流环动态性影响条件
满足求
(3)校验电流环动态时间常数似条件
满足求
根述参数电流环达动态性指标（见表42）满足设计求
532 转速调节器参数计算
1．时间常数确定
（1）电流环等效电路动态程时间常数已取
（2）转速滤波时间常数取
（3）转速环时间常数时间常数似处理取
2．转速调节器结构选择
设计时求转速静差转速调节器含积分环节动态性求应Ⅱ型系统设计调速环采PI调节器传递函数表示成[28]
3．转速环PID调节器参数计算
根性抗扰动动态性时满足原取h5转速环超前时间常数
转速环开环增益
转速环调节器（ASR）例系数
4．似条件校验
转速环频率特性中截止时频率
(1)电流环调节器传递函数简化条件
满足条件
(2)转速环较时间常数似条件
满足条件
5．转速超调量校核
h5时查表43满足设计求应该ASR退饱情况重新计算
求出
取h5查表34
h5满足设计求
6 双闭环控制系统仿真分析
61 双闭环系统仿真
双闭环直流电动机调速系统仿真分两部分部分电流环仿真部分转速环仿真
611 电流环仿真
电机模型等效：
图61 电动机仿真等效模型
整双闭环系统中电流环Simulink中创建模型图62：
图62 电流环仿真模型
中环节已模块参数进行设置参数设置详细数进行说明
1） 双击tansfer fun模块设置参数：
tansfer fun
tansfer fun1
tansfer fun2
tansfer fun3
tansfer fun4
2) 双击Gain模块设置指标：
Gain1
Gain2
电流环仿真结果图63：
图63 电流环仿真结果
图定位参数值：
电流I1250A
升时间
电流仿真结果说明电机额定电流136A允许电流204A时系统中出现电流已远远超电机够承受电流必须采取限流者解决措施
限流器模块仿真模型数指标：
时仿真系统模型见图64：
图64加入限流器电流环模型
仿真结果见图65
图65电流环修正结果
612 转速环仿真
转速环（双闭环）系统simulink中仿真模型见图66：
图66 转速环仿真模型
转速环仿真中环参数电流环样保持变处重设参数转速环参数设置：
1）双击Gain模块设置参数：
Gain4
Gain5
2) 双击Transfer Fcn模块设置参数：
Transfer Fcn5
转速环仿真结果见图67：
图67 转速环仿真结果
图知：
转速
升时间
根仿真结果难知该系统超调量效果转速极稳定想升时间理想般系统说长起动时间会便缺失美中足加电流环遇情况必须该系统进行改善校正
减升时间参数没影响电机课程中会涉样容需启动电动机时采阶段加入电阻协助启动常串电阻启动调速方法电枢绕组线路中接入电阻启动电流通时电阻产生电压降分担应该全部落电枢绕组面电压降实现降低启动电流作增加电阻原先计算参数中部分会变化
取增加阻值035欧电阻电枢总电阻06欧：
电枢回路电感
中电流环（ACR）部分放系数：
转速环调节器（ASR）例
系统中需固定电阻串普通电阻解决问题
加入电阻会反转矩出现直流电动机反转矩转矩时直流电动机会加速反转矩转矩时直流电动机会减速S增转速降转矩会增直转矩衡止新衡达时直流电动机便前略低转速运行串接电阻实现改变转差率进达调速目更重调速时减少系统升时间调速系统利蔽副作时间影响选择法目法实行仿真模块没改变需中参数进行修改非常方便效果明显
修正参数：
Transfer Fun2
Transfer Fun3
仿真结果见图68：
图68 转速环修正结果
图知：
转速
升时间
62 单双闭环系统仿真较
621 单闭环系统仿真
单闭环仿真模型：
图69 单闭环调速系统仿真模型
仿真结果见图610：
图610 电机电枢电流转速曲线
图知：
转速
升时间
图知双闭环直流电动机调速控制系统快速反应差调节两优势
分解图见图611：
图611 单闭环直流调速转速波形（左）单闭环直流调速电流波形（右）较
622 两种调速系统较
单双闭环直流调速系统仿真转速波形较见图612
图612 单闭环直流调速转速波形(左)双闭环直流调速转速波形(右)较
单双闭环直流调速系统仿真电枢电流波形见图613
图613单闭环直流调速电流调整波形(左)双闭环直流调速电流调整波形(右)较
面两种系统较出单闭环直流调速系统反应时间略慢双闭环调速系统反应时间快单闭环调速系统超调量明显双闭环系统双闭环系统稳定性单闭环系统抗扰动方面优势明显[30]
63 双闭环开环较
开环仿真仿真模型图614
图614 开环系统仿真模型
仿真结果图615
图615 开环系统转速仿真结果
转速升时间双闭环调速系统较图616
图616 开环（左）双闭环系统（右）转速较
图便知：开环系统反应时间闭环反应时间长开环系统超调量较优点开环系统适合简单民电机中益较高精准求需快速反应系统中出现双闭环系统快速反应差调节优势胜更高求系统
64 结
通章较开环控制系统反应时间闭环反应时间长系统启动迟钝功耗较采种方式济效益高益广范推广开环系统超调量较造价低优点民中尚未会完全淘汰开环系统适合简单民电机中益较高精准求需快速反应系统中出现单闭环直流调速控制系统开环更优抗扰性调速性更制起动性超调量明显开环调速控制系统常出现击电流电动机正常工作利运行中出现电流脉动击会电输送网络生产机械产生较影响甚严重时会安全事双闭环直流电动机调速控制系统具单闭环直流电动机调速调速系统更加完美性指标升时间超调量较理想结构复杂投入价格高易维修总体说双闭环直流电动机调速控制系统快速反应差调节优势胜更高求系统种精密系统首选
总结展
开题现查阅相关文献动手仿真实验老师细致指导学热情帮助通身努力目前止文已基完成
文完成工作项目：
（1）直流电动机调速控制系统发展现状进行解认识双闭环调速目意义直流电机基特性做分析双闭环直流电机调速控制系统进行理分析研究
（2）分析双闭环直流电动机调速系统工作原理进行深入研究作出原理图推导出环节传递函数动态模块部分组成特性进行分析介绍
（3）根已参数指标数设计合理参数利MATLAB中SIMULINK系统进行仿真校正
（4）仿真中仿真结果波形基础系统合理部分进行发现加解决特效灵活运电动机串电阻启动原理行文更具魅力
通课题研究中收获直流调速更深入解知识板块单片机交流调速等更解着双闭环调速系统研究深入意识文足需改进处：
（1）升时间电枢电阻协调电枢电阻身时改变样电阻带问题难解决境加电阻难减某元件电阻难电阻时超调量达接受求
（2）电机调速系统传统模式已较成熟运较高精技术行业系统参数值求高传统办法法实现文中末突破点想领域创造公单元
致谢
文开题已尾声感谢父母现切感谢学四年老师辛勤教授知识特专业知识积累天文利完成教远简单篇文传达次感谢您感谢教切
特感谢XX老师正年轻活力激情热情督促指导利完成结业文感谢您年帮助指导
感谢学朋友生活动力激情生命活力
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