直流双环系统的设计及仿真分析.doc

目 录
直流双环系统的设计及仿真分析 2
1 转速、电流双闭环直流调速系统及其特性 2
转速、电流双闭环直流调速系统设计思路 2
转速、电流双闭环直流调速系统的组成 2
稳态结构框图和静特性 4
各变量的稳态工作点和稳态参数计算 5
2 转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 5
转速和电流两个调节器的作用 5
调节器的工程设计方法 6
电流调节器的设计 7
转速调节器的设计 9
转速调节器退饱和时转速超调量的计算 10
3 任务要求及计算 11
和的计算 11
电流环参数的计算 11
转速环参数设计 13
4 系统仿真与分析 14
14
转速、波形图与分析 15
仿真结果分析 16
摘要
许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或者电磁转矩）的动态过程。不能满足经常正、反转运行的调速系统的调速要求。所以，为了改善系统动态过程，可以再增加一个电流截止至负反馈环节来专门控制电流。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形，不能实现准时间控制。因而我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的最大允许电流，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在这种情况下，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
按照这思路 ，对直流双闭环调速系统的设计进行了理论分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些简要说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了根据题目设计要求按照工程设计方法的设计步骤以及一些调节器参数的计算。
并利用MATLAB Simulink工具箱，分别对直流调速系统的电流反馈环和转速反馈环进行系统仿真，检验理论计算参数是否符合实际设计要求。并仿真过程中，根据系统响应波形和参数来调节调节器参数。
关键词：直流双闭环 调节器的设计方法 MATLAB仿真
直流双环系统的设计及仿真分析
1 转速、电流双闭环直流调速系统及其特性
转速、电流双闭环直流调速系统设计思路
采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程
图1 调速系统起动过程的电流和转速波形
IdL
n
t
Id
O
Idm
IdL
t
Id
O
n
Idm
Idcr
n
n
(a)
(b)
在起动过程中，应始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。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的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。
转速、电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，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、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，转速