基于MATLAB的直流电机调速系统的建模与仿真.docx

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1、M ATL AB本科生毕业设计M ATL AB院（ 系 ）： 电 气 与 信 息 工 程 学 院 专业 ：自 动 化学号 ：学生姓名 ： 指导教师 ：摘要双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，是目前直流调速系统中的主流 设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较 成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文就直流电机调速进行 了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电 机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用M ATLAB/S IMULINK进行仿 真，分析了双

2、闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。对于双闭环直流调速系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整， 运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。本文对双闭环直流调速系统进行辅助 设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验，根据给出和计算出的相应参数， 建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的M ATLAB/S IMULINK仿真模型，分析转 速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。仿真结 果证明了该方法的可行性和合理性。： 电 机 ， 调 节 器 ， PID 控 制 ， MATLAB/S IMULINKABSTRACTThe double

3、closed loop direct current velocity modulation system is a complex automatic control system, is in the present direct current velocity modulation system mainstream equipment, has the velocity modulation scope width, the stability is good, the steady fast precision higher merit, in the theory and the

4、 practice aspect all is the quite mature system, in drives in the domain to play the extremely vital role.Because the direct current machine double closed loop velocity modulation is each kind of electrical machinery velocity modulation system foundation, this article has conducted more systematic r

5、esearch on the direct current machine velocity modulation, from the direct current machine basic characteristic to the single closed loop velocity modulation system, then conducts the double closed loop direct current machine design method research, finally uses the actual system to carry on the eng

6、ineering design, and uses MATLAB/S imulink to carry on the simulation, has analyzed in the double closed loop velocity modulation system engineering design method because neglects the error which creates with the simplification.Regarding the double closed loop direct current velocity modulation syst

7、em, has the massive parameters in the design and the debugging process to need to calculate and to adjust, the utilization tradition design method work load is big, system debugging difficulty. This article carries on the assistance design to the double closed loop direct current velocity modulation

8、 system, chooses the regulator structure, carries on the parameter computation and the approximate verification, according to produces the corresponding parameter which and calculates, establishes applies the brake, the anti- electrical network voltage perturbation and the anti-load perturbation MAT

9、LAB/S imulink simulation model, the analysis rotational speed and the electric current simulation profile, and carries on the debugging, enable the double closed loop direct current velocity modulation system to tend to the consummation, is reasonable. The simulation result has proven this method fe

10、asibility and the rationality.K e y w or d s : e l ectrica l m a chinery , re g u l a tor, PID control, M A T L A B /S IM U L INK目录第1 章1. 1绪 论1毕业论文选题的背景及研究目标11. 2课题的研究意义11. 3本人的主要工作2第2 章M AT L A B 简 介42. 1MATLAB 的安装42. 2MATLAB 的启动运行52. 3MATLAB 的帮助文件52. 4MATLAB 所定义的特殊变量及其意义52. 5MATLAB 模块简介6第3 章方 案 选

11、择 及 系 统 工 作 原 理73. 1电动机参数及设计要求73. 2方案选择及系统框图73. 2. 1方案一：转速单闭环直流电机调速系统73. 2. 2方案二：转速、电流双闭环直流电机调速系统83. 2. 3方案三：双闭环脉宽调速系统93. 3系统工作原理简介93. 3. 1双闭环调速系统静态特性93. 3. 2双闭环系统启动过程分析113. 3. 3双闭环调速系统的动态抗扰动性能143. 3. 4双闭环调速系统中两个调节器的作用15第 4 章双 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 具 体 设 计 说 明164. 1双闭环直流调速系统总体设计方案164. 2主电路设计与参数计算174. 2.

12、 1主电路结构图174. 2. 2整流变压器的设计184. 2. 3晶闸管元件的选择204. 2. 4电抗器参数计算214. 2. 5励磁电路224. 2. 6三相桥式全控整流电流234. 2. 7晶闸管触发电路244. 3直流调速系统的保护274. 3. 1过电压保护274. 3. 2电流保护304. 4控制电路设计314. 4. 1电流调节器的设计314. 4. 2转速调节器的设计344. 4. 3给定电源与给定环节的设计36第 5 章调 速 系 统 的 仿 真375. 1调速系统仿真模型的建立375. 2仿真结果375. 3仿真结果分析40结 论42参 考 文 献43致 谢44附 录 1

13、45附 录 246第 1 章绪论1. 1 毕业论文选题的背景及研究目标直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。 从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机 械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转 速度发生变化 1 。直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传 动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控 制系统中 1 。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电 2 ，从而控制电动机 的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线

14、性运算电路 2 等，虽在一 定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并 且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统 的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。 双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量 的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将 SIMULINK 用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点 3 。同时，MATLAB 软件中 还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具 SIMULINK，它具有构造模型简单、动态 修改参数实现系统

15、控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面 应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统 模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。 本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负 载扰动的 MATLAB/S IMULINK 仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双 闭环直流调速系统趋于完善、合理。1. 2 课题的研究意义直流电动机具有良好的起、制动性能，调速性能好，起动转矩

16、大，易于在大范围 内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位 1 。直流电动机在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电 梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流电机在家用电器、电 子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中也都有广泛的应用。在现代电子产 品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等方面，直流电机都得到 了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直 流电机，所以直流电机的控制是一门很实用的技术。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比 较成熟

17、，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直 流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用 2 。虽然随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机 拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁 直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服控 制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电机仍然被广泛应用。直流调 速控制系统中最典型的一种调速系统就是转速、直流调速系统。直流调速系统的设计 要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上 计算参数较多，往往难以如意。如

18、在设计过程中使用 MATLAB 中的 SIMULINK 使用 工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因 此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行 反复拆装调试。MATLAB 中的动态建模、仿真工具 SIMULINK 具有模块组态方便， 性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教学提供了虚拟的实验 平台 3 。因此研究该课题具有实际意义。1. 3 本人的主要工作课题的主要工作：( 1) 根据毕业设计任务设计书中的给定条件及要求，确定总体方案：采用转速、 电流双闭环直流调速；( 2) 直流电机主电路的设计，包括选择合

19、适的晶闸管元件，计算电抗器参数，设 计晶闸管保护电路、触发电路, 并且画出双闭环直流调速控制系统的原理框图、动态 结构图；( 3) 控制电路的设计，包括转速、电流调节器的设计，并算出系统参数和传递函数；( 4) 根据计算出的参数及传递函数在 MATLAB 建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析； 课题的重点与难点：重点工作是：设计直流电机的双闭环调速系统； 工作难点是：系统是如何采用直流电机速度、电流双闭环调速系统的，基本环节为什么要采用 PI 调节，如何达到既能快速调节又能使稳定性得到提高的要求。 如何控制触发脉冲的相位、频率及怎样实现同步脉冲。第2章MATLAB 简介MATLAB 是一门

20、计算机编程语言，取名来源于 Matrix Laboratory，本意是专门以 矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观， 而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也 越来越广泛 4- 6 。MATLAB 最突出的特点就是简洁。MATLAB 用更直观的，符合人们思维习惯的 代码，代替了 C 和 FORTRAN 语言的冗长代码。MATLAB 给用户带来的是最直观， 最简洁的程序开发环境 4- 6 。MATLAB 还具有以下特点：( 1) 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。( 2) 运算符丰富。( 3) MATLAB 既具有结

21、构化的控制语句（如 for 循环，while 循环，break 语句和 if 语句），又有面向对象编程的特性。( 4) 程序限制不严格，程序设计自由度大。( 5) 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系 统上运行。( 6) MATLAB 的图形功能强大。( 7) MATLAB 的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于 MATLAB 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度 较慢。( 8) 功能强大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。( 9) 源程序的开放性。开放性也许是 MATLAB 最受人们欢迎的特点。2. 1MATL

22、AB 的安装MATLAB 的安装非常简单，这里以 MATLAB 6.5 版本为例。运行 setup 后，输入 正确的序列号，选择好安装路径和安装的模块，几乎是一直回车就可以了。这里有一 点要注意的是，由于不同操作系统设置，可能会出现一些意外错误，而且越高版本的 MATLAB 对计算机系统的要求也越高，如 6. 1 版本要求至少 64M内存，最好 128M。 所以根据自身情况选择适合的版本安装，最好还要在操作系统初安装后就安装，避免 出现意外 4- 6 。2. 2MATLAB 的启动运行MATLAB 的启动运行：:M ATLAB6.5binw in32matlab.exe( 其中为安装盘 符)

23、。但一般安装完毕后会在安装目录下有一个快捷运行方式。MATLAB 启动后显示的窗口称为命令窗口，提示符为“”。一般可以在命令窗 口中直接进行简单的算术运算和函数调用。如果重复输入一组表达式或计算复杂，则 可以定义程序文件来执行达到目的。程序文件扩展名为“.mdl”，以文本文件形式保 存。有两种方式运行程序文件：一是直接在 MATLAB 命令窗口输入文件名，二是选 择 File-Open 打开 m 文件，弹出的窗口为 MATLAB 编辑器。这时可选择它的 Debug 菜单的 Run 子菜单运行 4- 6 。2. 3MATLAB 的帮助文件学习 MATLAB 软件最好的教材是它的帮助文件。只要硬盘

24、容量够大，极力推荐 安装完整的帮助文档，即使对阅读英文不是很有信心，但我相信其足够的实例还是能 让我们对要查询的命令函数有一定的了解的。有两种方法取得帮助信息：一是直接在 命令窗口输入help 函数名；如 help imread，会得到相应函数的有关帮助信息。二是 在帮助窗口中查找相应信息。不同版本的帮助菜单界面有所不同，这只能依赖于自己 去熟悉了。但总体上都和 windows 的界面具有相似的处理过程 4- 6 。2. 4MATLAB 所定义的特殊变量及其意义MATLAB 所定义的特殊变量及其意义如表 2. 1 所示 4- 6 。表 2. 1MATLAB 所定义的特殊变量及其意义变量名意义h

25、elp在线帮助命令, 如用 help plot 调用命令函数 plot 的帮助说明。who列出所有定义过的变量名称ans最近的计算结果的变量名epsMATLAB 定义的正的极小值=2.2204e-16pi 值 3. 14159265. . .inf值，无限大2. 5MATLAB 工具箱及 SIMULINK 简介MATLAB 是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。它有先进和流行的控制策略工具箱，如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控 制设计、模糊逻辑工具箱等。可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法， 几乎都可以在 MATLAB 中找到相应的工具箱 6 。M

26、ATLAB 的工具箱里，软件内容丰富，系统门类齐全。其中，SIMULINK 仿真 工具是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两 者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在 SIMULINK 环境中， 利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用 户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样 容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵 活的优点。S IMULINK 包含有 SINKS（输入方式）、S OURCE（输入源）、LINEAR（线 性环节）、NONLI

27、NEAR （非线性环节）、CONNECTIONS （连接与接口）和 EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定 制和创建用户自己的模块 5 。用 SIMULINK 创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下 到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系 统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用 户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。 在定义完一个模型后， 用户可以通过 SIMULINK 的菜单或 MATLAB 的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于 交互工作非常方

28、便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用 SCOPE 模块 和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可 以 在 改 变 参 数 后 来 迅 速 观 看 系 统 中 发 生 的 变 化 情 况 。 仿 真 的 结 果 还 可 以 存 放 到 MATLAB 的工作空间里做事后处理 5 。由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对 自己的模型进行仿真、分析和修改。第 3 章 方案选择及系统工作原理3. 1 电动机参数及设计要求已知设计参数如下： 直流电机额定电压U N2 2 0 V ，额定电枢电流 IN1 3 6 A

29、 ，额定转速 nN1460rpm ，电枢回路总电阻 R a0 . 5 ，电感 L a0 . 0 1 2 H ，励磁电阻 Rf240，励磁电感Lf120H ，互感 La f1.8H ， C e0 . 1 3 2 V m i n r ， 允许过载倍数1 . 5 。晶闸管装置放大系数： Ks4 0 。时间常数： Tl0 . 0 3 s ， Tm0 . 1 8 s 。具体设计要求：( 1) 选择 PID 控制器控制电机的启动和调速，用 MATLAB 建立所设计的控制器 的模型和进行仿真。( 2) 调速范围 D1 0 ，静差率 S5 % ；稳态无静差，电流超调量i5 % , 电流脉动系数 S i1 0

30、% ；启动到额定转速时的转速退饱和超调量n1 0 % 。( 3) 要求系统具有过流、过压、过载保护。( 4) 要求触发脉冲有故障封锁能力。3. 2 方案选择及系统框图3 . 2 . 1方 案 一 ：转 速 单 闭 环 直 流 电 机 调 速 系 统闭环系统较开环系统具有以下优点 1 ： ( 1) 静态速降小，特性硬；( 2) 系统的静差率减小，稳速精度高；( 3) 系统调速范围大大提高； 转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，它具有反馈控制系统的基本规律，其系统框图如图 3. 1 所示。(图 3 . 1转 速 单 闭 环 直 流 调 速 系 统 原 理 框 图 A S R 转 速 环

31、节GT 触 发 装 置TA 电 流 互 感 器TG 测 速 发 电 机Un /U n 转 速 给 定 电 压 和 转 速 反 馈 电 压3 . 2 . 2方 案 二 ： 转 速 、 电 流 双 闭 环 直 流 电 机 调 速 系 统采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实 现转速无静差。如果对系统的动态性能要求很高，例如要求快速起制动、突加负载动 态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在闭环系统中不能完全按 照需要来控制动态过程的电流和转矩 1 。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速系统中设 置了两个调节器，分别调节转速

32、和电流，二者之间实行串级联接。为获得良好的静、 动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用 PI 调节器，如图 3. 2 所示 2 。图 中，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出去控制电力电子 变换器。(图 3 . 2转 速 、 电 流 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 原 理 框 图A S R 转 速 环 节A C R 电 流 环 节GT 触 发 装 置TG 测 速 发 电 机TA 电 流 互 感 器Un /U n 转 速 给 定 电 压 和 转 速 反 馈 电 压Ui /U i 电 流 给 定 电 压 和 电 流 反 馈 电 压3 . 2 . 3方 案 三 ： 双

33、 闭 环 脉 宽 调 速 系 统一般动、静态性能较好的调速系统都采用转速、电流双闭环控制方案，脉宽调速 也不例外 2 。双闭环脉宽调速系统的原理框图如图 3. 3 所示，其中属于脉宽调速系统 特有的部分是脉宽调制器 UPW、调制波发生器 GM、逻辑延时环节 DLD 和电力晶体 管基极的驱动 GD。其中最关键的部件是脉宽调制器。脉宽调制器是一个电压- - - - 脉 宽变换装置，由电流调节器 ACR 输出的控制电压 Uc 进行控制，为 PWM 装置提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与 Uc 成正比 1 。图 3 . 3双 闭 环 控 制 的 直 流 脉 宽 调 速 系 统 原 理 框 图U PW 脉

34、 宽 调 制 器GM 调 制 波 发 生 器GD 基 极 驱 动 器 DL D 逻 辑 延 时 环 节PW M 脉 宽 调 制 变 换 器FA 瞬 时 动 作 的 限 流 保 护比较三种方案，虽然转速单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但对于动态性能要求很高的系统中，单闭环系统中不能完全按照需要来控制 动态过程的电流和转矩。转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节 转速和电流，能获得良好的静、动态性能。所以本设计最终采用的是方案二：转速、电流双闭环调速。3. 3 系统工作原理简介3 . 3 . 1 双 闭 环 调 速 系 统 静 态 特 性为了分析双闭环调速系统

35、的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图3. 4所示。1CeIdASRACRUnUi UiUctRId RUd 0 EUn图 3 . 4双 闭 环 调 速 系 统 稳 态 结 构 图图 3 . 5双 闭 环 调 速 系 统 的 静 特 性分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征。一般存在两种情况：饱和- - - - 输出达到限幅值；不饱和- - - - 输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值， 输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说， 饱和的调节器暂时隔断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作用使输入偏差电压 U

36、 在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性 来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。( 1) 转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零 2 。因此UnUnn( 3. 1)和 由第一个关系式可得UiUiId( 3. 2)nUn 从而得到图3. 5静特性的 n0 A 段。与此同时，由于ASR不饱和， Ui/Ui mn0, 上述第二个关系式可知： Id( 3. 3)Id m 。这就是说，n0 A 段静特性从 Id0 （理想空载状态）一直延续到 IdId m ，而 Id m 一般都是大于额定电流 Id n o m 的。

37、这就是静特性的运行段。 ( 2) 转速调节器饱和 1- 2这时，ASR输出达到限幅值Ui m , 转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时U i mIdId m( 3. 4)式中，最大电流 Id m 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系允许 的最大加速度。式（3. 4）所描述的静特性是图3. 5中的A B段。这样的下垂特性只适合于 nn 0 的情况。因为如果 nn0 ，则UnUn ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Id m 时表现为转速无静差，这时，转速负 反馈起主要作用。当负载电流达到 Id

38、m 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。这就是采用了两个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 漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图3. 5中虚 线所示。由图3. 4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各 变量之间有下列关系：U nU nnn 0( 3. 5)UiUiIdId L( 3. 6)Uc tUd 0KsCe nId RCe UnId L RKs

39、Ks( 3. 7)上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压Un 决定的，ASR的输出量Ui 是由负载电流 Id L 决定的，而控制电压U c t 的大小则同时取决于 n 和 Id ，或者说，同时取决于Un 和 Id L 。这些关系反映PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它 后面环节的需要决定。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，知 道饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差完全不同，而是 和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的

40、反馈系数：转速反馈系数 电流反馈系数Un mUi m/n m a x/Id m( 3. 8)( 3. 9)两个给定电压的最大值Un m和Ui m是受运算放大器的允许输入电压限制的。3 . 3 . 2双 闭 环 系 统 启 动 过 程 分 析设置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（图 3. 6），因 此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。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 成三段，在图 3. 7 中分别标以、和 2 。图 3 . 6 双 闭 环 调 速 控 制 系 统 理 想 快 速 起 动图

41、 3 . 7 双 闭 环 调 速 系 统 起 动 时 转 速 和 电 流 波 形第阶段 0t1 是电流上升的阶段。突加给定电压Un 后，通过两个调节器的控制作用，使U c t 、 U d 0 、 Id 都上升，当 IdId L 后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压 ( UnUnUn 数值较大，其输出很快达到限幅 Ui m，强迫电流 Id 迅速上升。当 IdId m 时， UiUi m，电流调节器的作用时 Id 不再迅猛增长，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

42、调节作用 1 。第阶段 t1 t2 是电流恒流升速阶段。从电流升到最大值 Id m 开始，到转速升到给定值 n （即静特性上的 n0 ）为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段 1 。在这个阶段中，ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒定电流给定Ui m 作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增 长（图 3. 7）。与此同时，电动机的反电动势 E 也按线性增长。对电流调节系统来说， 这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动， U d 0 和U c t 也基本

43、上按线 性增长，才能保持 Id 恒定。由于电流调节器 ACR 是 PI 调节器，要是它的输出量按线性增长，其输入偏差电压 UiUi mUi 必须维持一定的恒值，也就是说，Id 应略低 Id m 。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在启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压U d 0 m 也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些 都是在设计中必须注意的。第阶段 t2 以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转 速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Ui m ，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转

44、速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ASR的给定电压Ui立即从限幅值降下来，住电流 Id 也因而下降。但是，由于 Id 仍大于负载电流 Id L ，在一段时间内，转速仍继续上升。到 IdId L 时，转矩 TeTL , 则 dn dt0 ，转速 n 达到峰值（ tt3 时) 。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id 也出现一 段小于 Id L 的过程，直到稳定（设调节器参数已调整好）。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 Id 尽快地跟随ASR的输出量Ui 流随动子系统 1 。，或者说，电流内环是一个电综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点： ( 1) 饱和非线性控制 1随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时， 转速环开环，系统表现为恒