电机及其运动控制V-M直流电机双闭环控制系统.docx

1、摘 要直流电机拥有良好的转速可调性能；本文实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速。电流双闭环调速系统的启动过程，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其他系统性能的影响，取得了较好的效果。另外，外环的控制使用模糊PID控制器，在传统的双闭环控制系统基础上做了一定的尝试。关键词：直流电机；调速；双闭环；PID控制；MATLAB仿真；模糊控制AbstractDC motor has a good speed adjustable performanceIn this paper, the design of the double closed loop DC mo

2、tor system motor presented, and the experimental results can be accurately visual observation speed the current double closed loop speed regulation system of the start-up process for the design of various regulator and the control strategy and analyzes its influence on the performance of the system,

3、 and good results have been achieved. Besides，PID fuzzy control in the Current control loop has been tried on the basis of the traditional double closed loop control system.Key words：DC motor；speed adjustment；double closed loop；PID control；MATLAB simulation；Fuzzy control 目录摘要.21设计内容和要求.51.1设计内容 .51.

4、2 已知条件及直流电机相关参数 .51.3设计过程 .52系统硬件原理图分析 .62.1主电路部分 62.2主控电路部分 72.3保护电路 .83 晶闸管-电动机直流调速系统.9 3.1整体结构 .9 3.2三相桥式整流电源.9 3.3 整流装置的传递函数.114 双闭环调速系统工作原理14 4.1双闭环直流调速系统的介绍.14 4.2双闭环直流调速系统的组成.154.3双闭环直流调速系统静态特性165 双闭环系统的动态分析.185.1双闭环直流调速系统的动态模型18 5.2双闭环直流调速系统的起动过程分析18 5.3双闭环直流调速系统的动态性能指标 .206 电流和转速调节器的工程化设计.2

5、46.1调节器作用 .246.2 电流调节器的设计.256.3转速调节器的设计.277 仿真结果及分析.347.1电流环的MATLAB计算及仿真 .347.2转速环的MATLAB计算及仿真 .368 直流电动机的模糊控制478.1模糊控制器的设计478.2 建立模糊控制仿真模型488.3 模糊-PID控制50个人收获 .51参考文献 .531设计内容和要求1.1设计内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；1.2 已知条件及直流电机相关参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下： 直流电动机=220V，=136A，=1460r/min，电枢电阻=0

6、.2，允许过载倍数=1.5； 晶闸管装置=0.00167s，放大系数=40； 平波电抗器：电阻、电感； 电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH； 电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5Nm2； 电流调节器最大给定值=10.2V，转速调节器最大给定值=10.5V； 电流滤波时间常数=0.002s，转速滤波时间常数=0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量；空载启动到额定转速的转速超调量。1.3设计过程（1）写出设计说明书，内容包括： 各主要环节的工作原理； 整个系统的工作原理； 调节器参数的计算过程。（2）画出一张详细的电气原理图（3）采用Matla

7、b中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。2系统硬件原理图分析系统的硬件原理图如下图2.1所示，本系统在实现V-M系统调速的功能上在系统的各模块中加入了具有保护性质的电路。具体来系统原理图可以分为主电路部分、主控电路部分、保护电路部分。图2.1 系统硬件原理图2.1主电路部分主电路的作用是通过控制电路对晶闸管输出的电压进行调制，控制电机的转动。主电路硬件组成如下图2.2所示，具体来讲主电路又可以分为以下几个部分：（1）变压器部分：用于给晶闸管供电，（2

8、）晶闸管保护电路：采用阻容电路利用电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制变压器绕组的过电压，而串联的电阻能消耗部分过电压能量，同时抑制LC回路的振荡；此外，串联在晶闸管上的保险丝为晶闸管提供了过流保护；（3）电机电路：通过晶闸管输出的调制电压控制电机的转动，电机电路中还包含了具有过流保护功能的熔断器、电机测速电路、反馈电路、电抗限流保护电路等。图2.2 主电路硬件组成图2.2主控电路部分主控电路的作用有两点，一是通过ASR和ACR对系统进行闭环控制，二是通过相关电路产生相位控制信号，对晶闸管的门极进行控制。主控电路的硬件组成如下图2.3所示。控制电路由以下几个部分组成：（1）稳压电源部分：

9、对交流电进行降压、整流后给LM7815和LM7915进行供电得到+/-15V的稳压电源，稳压电源用于给相位触控电路中的IC芯片KC04进行供电；（2）相位触控电路：相位触控电路的核心是3片IC芯片KC04，KC04电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KC04器件是可控硅移相触发器输出两路相差l80的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器电路；（3）ASR和ACR电路：V-M系统的全称是双闭环直流电机调速系统，因此转速环和电流环对于系统是至关重要的，本设计中这两个环得以实现。图2.3 主控电路的硬件组成图示2.3保护电路除了主电路和控制电路中包含的一些保护电路外，

10、为了对晶闸管进行更好的保护，通过使用快速熔断及进行电流保护（放置晶闸管过流损坏，切断短路电流）。此外，右侧的红色圆圈中列出了其他几种对晶闸管进行保护的方法，包括：继电器、过流继电器、快速直流开关等。图2.4 系统的保护电路图3晶闸管-电动机直流调速系统3.1整体结构20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。图3.1是V-M系统的简单原理图。图中V是晶闸

11、管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。 -图3.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）3.2三相桥式整流电源本设计的直流电机采用调节电源电压的方法来调节电机的转速，三相桥式整流电路能够满足这样的要求，采用集成触发电路可以实现对输出电压的线性控制，并且三相桥式整流桥的带负载能力很强，串接电抗器以后可以实现电流连续并且无脉动。该电路的主电路部分如图3.2所示。该电路有六个晶闸管组成，组成三相六脉波整流电路，当负载是直流电机时还需要添加电抗器来保证负载电流的连续不然电机

12、机械特性会比较软，而且带负载能力不强，突加负载时会造成电机的瞬间停转，进而产生不必要的损害。图3.2 三相桥式整流电路该电路采用相位控制的方式来调节输出电压，现在已经有各种各样的相位触发控制电路用于晶闸管的控制，为了满足线性控制精度的要求，本电路采用集成相位触发控制器件，KJ004和KJ041，这两个芯片采用直流电压控制相位的方法，可以实现线性控制，由三个KJ004和一个KJ041组成的相位触发控制电路如图3.3所示。图 3.3相控触发电路3.3 整流装置的传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可以吧晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论时，须求出这个环节的放大系数

13、和传递函数实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。该输入-输出特性，即曲线，图3.4是采用锯齿波触发器移相时的特性。图3.4锯齿波触发器移相特性这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定。 (公式3.3-1)在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。图3.5整流波形输出 图3.5给出了单相桥式整流电路的的触发相位与整

14、流输出电压的波形，假如在时刻触发晶闸管导通，整流装置开始工作，由晶闸管的工作特性可知晶闸管一旦导通，是不能用触发电压来使其关断的，假设在整流输出电压过零前让整流装置停止工作，此时给出控制信号，但是整流装置不会响应，这样就会造成整流电压滞后于控制电压的状况。显然，失控时间是随机的，它的大小随着发生变化而时刻改变，最大的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源的频率和整流电路的形式有关， Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值。 (公式3.3-2)若用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 (公式3.3-3)利用拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为

15、 (公式3.3-4)为了简化，先将该指数函数级数展开，变成(公式3.3-5)考虑到很小可忽略高次项则传递函数便近似成一阶惯性环节 (公式3.3-6)这动态框图如下所示 图3.6整流波形输出4双闭环调速系统工作原理4.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速，它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

16、这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，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

17、，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图4.2所示，这时，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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。IdLntIdOIdmIdcrn 图4.1 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程IdLnIdmtIdO 图4.2 理想快速起动过程实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一

18、个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。4.2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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图3-2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得

19、到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG 环i转速环电流环 图4.3 转速、电流双闭环直流调速系统4.3双闭环直流调速系统静态特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图4.4，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：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，相当该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作

20、用使输入偏差电压在稳态时总是为零。 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图4.4 双闭环调速系统的稳态结构图a转速反馈系数 b电流反馈系数实际上，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)转速调节器不饱和此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即 (公式4.3-1) (公式4.3-2)由得： (公式4.3-3)从而得到图3.5静特性的n0-A段。由，且ASR不饱和得：，说明n0-A段静特性从(理想空载状态)一直延续到，而一般都大于额定电流的。（2

21、）转速调节器饱和此时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时有： (公式4.3-4)从而得到图4.5静特性的A-B段。n0IdIdmIdNOnABC双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，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4.5 双闭环调速系统的静特性5双闭环系统的动态分析5.1双闭环直流调速系统的动态模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速

22、系统的动态结构框图如图5.1所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图5.1 双闭环直流调速系统的动态结构框图5.2双闭环直流调速系统的起动过程分析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，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图3-5所示。由于在起动过程中转

23、速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。（1）第I阶段（0t1）是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的跟随作用，使、都上升，但是在没有达到负载电流之前，电动机还不能转动。当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，,电流调节器很快就压制了不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。图5.2 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形nOOttIdm Id

24、LId IIIIIIt4 t3 t2 t1 （2）第II阶段（t1t2）是恒流升速阶段恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。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，E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。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ACR不应饱和

25、。（3）第III阶段（t2以后）是转速调节阶段当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，输出电压和主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，转速将在一段时间内继续上升。直到=时，转矩=，则dn/dt=0，转速n才能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,电流出现一段小于的过程,直到稳定。双闭环直流调速系统起动过程的三个特点： 饱和非线性控制当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，

26、转速环闭环，整个系统是一个无静差系统，而电流内环则表现为电流随动系统。 准时间最优控制在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动，即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。 转速超调由于PI调节器的特性，只有使转速超调，即在转速调节阶段，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。所以采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。5.3双闭环直流调速系统的动态性能指标一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态跟随性能和动态抗扰性能两种。其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要，它主要表现为抗负载扰动和抗电网电压扰动。自动控制系统的动

27、态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标两类。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。（1）跟随性能指标双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。在设计ACR时，应强调具有良好的跟随性能。在给定信号或参考输入信号R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的输出量动态响应

28、称作阶跃响应，如图5.3所示。图5.3 典型的阶跃响应曲线和跟随性能指标一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值的偏差越小越好，达到的时间越短越好。常用的阶跃响应跟随性能指标下列各项： 上升时间图4.3绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的是输出量C的稳态值。在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到所经过的时间称作上升时间，它表示动态响应的快速性。 超调量与峰值时间在阶跃响应过程中，超过以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间时达到输出量最大值，然后回落。超过稳态值的最大偏离量与稳态之比，用百分数表示，叫做超调量，即(公式5.3-1)超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好，即动态响应

29、比较平稳。 调节时间调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。理论上，线性系统的输出过渡过程要到才稳定，但实际上由于存在各种非线性因素，过渡过程到一定时间就终止了。为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认定稳态值上下5%(或取2%)的范围为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。(2)动态抗扰性能指标 抗负载扰动由图5.4可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节ASR来产生抗负载扰动的作用。在突加（突减）负载时，必然会引起动态速降（速升）。为了减少动态速降（速升），所以要求A

30、SR具有较好的抗扰性能。a 1/Ce U*nIdLnUn+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACRb U*iUi-EUd0图5.4 双闭环直流调速系统的抗负载扰动 抗电网电压扰动由于电网电压扰动和负载扰动在系统结构图中作用的位置不同，系统对它们的动态抗扰效果就不同。如图5.5所示的双闭环系统中，电网电压扰动和负载扰动都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。a 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACRb U*iUi-EUd-IdLId 图5.5 直流调速系统的动态抗扰作用从动态性能上看

31、，负载扰动作用在被调量n的前面，可以通过测速发电机检测出来，使负载扰动通过转速负反馈得到及时调节。而电网电压扰动作用在离被调量n更远的位置，转速调节器ASR不能及时对它进行调节，但是因为它作用在被电流负反馈环包围的前向通道上，使电压波动可以直接通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能高。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化比起单闭环系统小得多。6电流和转速调节器的工程化设计6.1调节器作用(1) 转速调节器的作用 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果用PI调节器，则可实现无静差。 对负载变化起

32、抗扰作用。 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。(2)电流调节器的作用作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。针对以上各种原因，我们在系统中分别设置了转速和电流两个调节器，二者之间实行串级联接，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晶闸管整流器的触发装置。从

33、闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。如下图所示。图6.1 直流双闭环调速系统动态结构图系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。6.2 电流调节器的设计（1）电流调节器的选择从稳态要求上看，希望设计要求5，且电流无静差，以得到理想的堵转特性，可按典型型系统设计电流调节器。再从动态要求上看，实际系统不允许电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性

34、能为主，即应选用典型型系统。上图表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成 公式（6.2-1）其中：电流调节器的比例系数 电流调节器的超前时间常数图6.2电流调节器电路图（2）确定时间常数晶闸管装置=0.00167s电流滤波时间常数=0.002s电流环小时间常数近似处理：=电枢回路时间常数：检查对电源电压的抗干扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能，典型型系统的恢复时间还是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流反馈系数：=0.05V/A调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，电流调节器超前时间常数：= =0.03s 电流环的PI

35、调节器的参数是和，其中= =0.03s，待定的只有比例系数，可以根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量，可查表得=0.5，则 于是，ACR的比例系数为经计算分析，所得电流环动态结构图如6.3所示： 图6.3 电流环动态结构图(4)检验近似条件已知：电流环截止频率：1、晶闸管整流装置传递函数近似条件 (公式6.2-2)ci满足近似条件2、电流环小时间常数近似条件 (公式6.2-3)而 满足近似条件。3、忽略反电动势对电流环影响的条件 (公式6.2-4)由于 (公式6.2-5)所以因此，满足近似条件。4、设计后电流环可以达到动态指标为满足设计要求(5)计算调节器电阻和电容所用运

36、算放大器取=40k，各电阻和电容值为=1.0024040.1k=/=0.03/40=7.5=4/=40.002/40=0.26.3转速调节器的设计（1）电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可看作转速环中的一个中间环节，为此，需要求出它的闭环传递函 。由图1可知 (公式6.3-1)忽略高次项，可降阶近似为 (公式6.3-2) 近似条件为 式中转速开环的截止频率。 (公式6.3-3)接入转速内环，电流环等效环节的输入量应为 ，因此电流环在转速环中应等效为 (公式6.3-4)这样，原来的双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制

37、改造了控制对象，加速了电流的跟随作用，这时局部闭环控制的一个重要功能。（2）转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替原来结构框图中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图5.4所示。图6.4 电流环等效后的转速控制系统和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间爱你常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 (公式6.3-5)为了实现转速无静差，在负载扰动作用点钱必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此，转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应设计成典型型系统，

38、这样的系统同时也能满足动态性能好的要求。至于其阶跃相应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 (公式6.3-6)式中： 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数。这样转速调节器的开环传递函数为 (公式6.3-7)令转速开环增益 (公式6.3-8)则 (公式6.3-9)转速调节器电路图如图6.5所示：图6.5 转速调节器电路图（3）确定时间常数1、电流环等效时间常数已知=0.5，则 2、转速小时间常数已知转速滤波时间常数为3、转速滤波时间常数=0.01s（4）计算转速调节器参数按跟随和抗扰

39、性能都较好的原则，取中频带宽h=5较好，按照 准则去确定参数关系。则1、转速反馈系数=UnmnN =0.007V.min/r2、ASR的超前时间常数为=h =50.01734s=0.0867s3、转速开环增益4、ASR的比例系数为经计算分析，直流双闭环调速系统初步的动态结构图如下所示：图6.6 在simulink中初步仿真的直流双闭环调速系统动态结构图（5）检验近似条件和性能指标1、电流环传递函数等效条件 (公式6.3-10)由典型型系统开环对数特性可知 (公式6.3-11)而满足条件2、转速环小时间常数近似处理条件 (公式6.3-12)代入得满足近似条件3、转速超调量 由式子（其中动态跟随性能指标超调量的基准值是,调速系统开环机械特性的额定稳态速降=）