直流电机双闭环调速系统设计
目录
1 绪 1
11课题研究背景 1
12研究双闭环直流调速系统目意义 1
2 直流电机双闭环调速系统 3
21直流电动机起动调速 3
22直流调速系统性指标 3
221静态性指标 3
222动态性指标 4
23双闭环直流调速系统组成 6
3 双闭环直流调速系统设计 8
31电流调节器设计 8
32转速调节器设计 10
33闭环动态结构框图设计 12
34设计实例 12
341设计电流调节器 13
342设计转速调节器 15
4Matlab仿真 17
41仿真结果分析 19
5 结 20
参考文献 21
1 绪
11课题研究背景
直流调速现代电力拖动动控制系统中发展较早技术目前言直流调速系统然动调速系统形式电机动控制系统广泛应机械钢铁矿山冶金化工石油纺织军工等行业行业中绝部分生产机械采电动机作原动机效控制电机提高运行性国民济具十分重现实意义
等等需高性调速场合广泛应然传统双闭环直流电动机调速系统数采结构较简单性相稳定常规PID控制技术实际拖动控制系统中电机身拖动负载参数(转动惯量)模型样保持变某具体场合会工况发生改变时电机作控象非线性拖动负载含间隙弹性等非线性素控制象参数发生改变非线性特性线性常参数PID控制器顾失彼系统种工况保持设计时致性指标常常控制系统鲁棒性较差尤模型参数变化范围具非线性环节较强系统常规PID调节器难满足精度高响应快控制指标效克服模型参数变化范围非线性素影响
12研究双闭环直流调速系统目意义
双闭环直流调速系统性应广直流调速系统采该系统获优良静动态调速特性系统控制规律性特点设计方法种交直流电力拖动动控制系统重基础
20世纪90年代前约50年时间里直流电动机唯种实现高性拖动控制电动机直流电动机定子磁场转子磁场相互独立正交控制提供便捷方式电动机具优良起动制动调速性年直流电动机断受交流电动机电动机挑战直流电动机然数变速运动控制闭环位置伺服控制首选具良线性特性优异控制性高效率等优点直流调速然目前精度高调速方法
通转速电流双闭环直流调速系统解够更掌握调速系统基理相关容种性加深解时够发现缺陷处通该系统足处完善提高该系统性够适种工作场合提高效率基础交流调速系统进行研究终掌握种交直流调速系统原理够应国民济生产领域
感动控制理研究发展快应方面意年现代控制理电动机控制系统应研究方面出现蓬勃发展兴旺景象功两方面原：第高性处理器应复杂运算实时完成第二辨识参数估值控制算法鲁棒性方面理方法成熟应现代控制理够取更控制效果
次设计务应动控制理工程设计方法直流调速系统进行设计控制设计出够达性指标求电力拖动系统调节器应MATLAB软件设计系统进行仿真校正达满足控制指标目
2 直流电机双闭环调速系统
21直流电动机起动调速
（1）直流电动机起动
直流电动机接通电源转速零达稳态转速程称起动程直流电机起动条件应满足原：①起动转矩负载转矩②起动电流限制安全范围③起动设备投资济适设备运行安全起动时间短
（2）直流电动机速度调节
① 改变电枢供电电压U
② 减弱励磁磁通Φ
③ 改变电枢回路电阻R
三种方法介绍中知求定范围级滑调速系统说调节电枢电压方式变电阻实现级调速弱磁调速然实现滑调速调节范围太常调压方式配合额定转速作较范围弱磁升速调压调速动控制系统调速方式文正采方法设计系统
22直流调速系统性指标
根类典型生产机械调速系统提出求般概括静态动态调速指标静态调速指标求电力传动动控制系统高转速低转速范围调节转速求转速工作时速度稳定动态调速指标求系统启动制动快稳具良抗扰动力抗扰动性指系统稳定某转速运行时应量受负载变化电源电压波动等素影响
221静态性指标
（1）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
（26）
（2）静差率
电机拖动系统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
（27）
百分数表示
（28）
知静差率反映拖动系统负载变化时调速稳定性机械特性硬度关机械特性越硬静差率越转速稳定度越高
静差率特性硬度变压调速系统转速情况机械特性相互行相硬度机械特性理想空载时转速越低静差率越转速相稳定度越差
见调速范围静差率两项指标间关系相互独立必须起提出时意义调速额定速降样运转越慢静差率越低速情况果静差率符合设计求静差率高速运转时更满足求调速系统中静差率指标基准低速运转时达参数
222动态性指标
拖动系统动态程性指标生产工艺流程求控制系统动态指标求折算量化动化系统中动态指标指踪定信号性指标抗扰动信号鲁棒性指标
（1）系统性指标
参考输入信号R(t)作性指标描述系统输出量C(t)变化定信号表示方式时输出响应样通常输出量初始值零阶跃变化渡程中定信号作典型程时动态响应称阶跃响应般希阶跃响应中输出量C(t)稳态值偏差越越达时间越快越常阶跃响应性指标升时间超调量调节时间：
①升时间
典型阶跃响应程中输出量零开始第次升稳态值时间称阶跃响应升时间表示动态响应快速性见图24
图21 典型阶跃响应程性指标
②超调量σ
典型阶跃响应系统中超调量输出量超出稳态值偏离量稳态值百分数表示：
（210）
③调节时间
系统整调节程快慢衡量调节时间衡量原应该阶跃变化开始输出量完全稳定止需时间线性控制系统中理真正稳定然实际系统中种非线性素存渡程定时间终止般阶跃响应曲线稳态值附取(取)范围作允许误差带响应曲线达超出该误差带需短时间定义调节时间见图24
（2）抗扰动力性指标
控制系统稳定运行时突加负载阶跃扰动动态响应程作典型抗扰程定义抗扰动力动态性指标图25示常抗扰动力性指标动态降落恢复时间：
①动态降落
系统稳定条件运行时突加定数值扰动（负载扰动）引起转速降落值做动态降落常输出量原稳态值百分数表示（某基准值百分数表示）动态降落输出量逐渐恢复达新稳态值系统该扰动作稳态误差静差般情况动态降落稳态误差调速系统突加额定负载扰动时转速动态降落做动态降落
②恢复时间
阶跃扰动作开始输出量基恢复稳态距新稳态值差进入某基准量(取)范围需时间定义恢复时间中称抗扰指标中输出量基准值
实际系统中种动态指标求根生产机械具体求定般说调速系统动态指标抗扰性
图22 突加扰动动态程抗扰性指标
23双闭环直流调速系统组成
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二两者中采嵌套（称串级）联接图26示转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制电力电子变换器UPE系统结构电流环里边称作环转速环外面称作外环样构成转速电流双闭环直流调速系统
图23 转速电流反馈控制直流调速系统原理图
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 ─转速定电压
─转速反馈电压 ─电流定电压 ─电流反馈电压
3 双闭环直流调速系统设计
双闭环调速系统属环控制系统环调节器构成完整闭环系统工程设计方法遵循先环外环原步骤：先设计电流环（环）进行必变换似处理然电流环控制求确定校正成种典型系统根控制象确定调节器类型根动态性指标求确定调节器关参数电流环设计完成电流环成转速环（外环）中环节样方法设计转速环
电流检测信号中常交流分量影响调节器输入加入低通滤波器然滤波环节反馈信号延迟消延迟定位置加相时间常数惯性环节理测速发电机转速反馈电压常含换纹波定反馈环节加入滤波环节双闭环直流调速系统实际动态结构框图图31示：
图31 双闭环调速系统动态结构图
31电流调节器设计
（1）电流环结构框图化简
图33点画线框电流环反电动势电流环改变缓慢干扰电流突然变化时认样动态性设计电流环时暂时忽略反电动势变化动态影响考虑电机电枢反感电动势电流环干扰条件
（34）
式中 ─电流环开环截止频率
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
般情况作惯性群似成惯性环节时间常数
（35）
电流环部结构简化似条件
（36）
（2）电流调节器结构选择
静态求希电流静差动态求电枢电流允许太超调电流环性应采典型Ⅰ型系统
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
（37）
式中 ─电流调节器超前时间常数
─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选择
（38）
电流环动态结构框图变成图34示典型形式中
（39）
图32校正成典型Ⅰ型系统电流环动态结构框图
述结果系列假设条件条件：
①电力电子变换器纯滞似处理
（310）
②考虑反电动势变化电流环动态影响
（311）
③电流环惯性群似处理
（312）
（3）电流调节器参数计算
（36）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
（313）
结合式（36）式（37）
（314）
32转速调节器设计
（1）电流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：
（315）
考虑高次项降低阶次似表示成
（316）
似条件式
（317）
式中─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
（318）
（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
（319）
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）调节器传递函数表示：
（320）
式中 ─转速环PI调节器超前时间常数
─转速环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
（321）
令转速环开环增益
（322）
（323）
述结果需服似条件纳：
（324）
（325）
（3）转速环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
（326）
式
（327）
（328）
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
33闭环动态结构框图设计
双闭环直流调速系统转速环电流环外控制电动机转速输出作电流环定值实现转速静差电流环控制电动机电流输出整流触发装置触发电压通调节电流快速调节转矩实现快速加减速两控制器均采PI调节器双闭环直流调速系统动态结构框图图33示
图33 双闭环直流调速系统动态结构框图
34设计实例
某采三相桥式晶闸整流装置供电转速电流双闭环调速系统中关数：
直流电动机关参数：电动机电动势系数允许载倍数
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）稳态指标：静差
（2）动态指标：电流超调量空载起动转速达额定时转速超调量
341设计电流调节器
1． 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333ms基滤波头应（1~2）333ms取2ms0002s
（3）电流环时间常数时间常数似处理取+00037s
2．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
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
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32）满足设计求
342设计转速调节器
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
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33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
4Matlab仿真
根理设计结果构建直流双闭环调速系统仿真模型图41
示：
图41直流双闭环调速系统仿真模型
系统模型更简洁利Simulink包功调节器模型缩分支模块图42(a)(b)示：
（a） （b）
图42 （a）转速调节器ASR （b）电流调节器ACR
运行已构建Simulink直流双闭环调速系统仿真模块空载满载扰动系统进行仿真电动机转速电流仿真波形分图434445示：
图43转速环空载高速起动波形图
图44转速环满载高速起动波形图
图45 t1s时加入负载扰动转速环抗扰波形图
41仿真结果分析
根仿真结果系统性指标进行分析：
（1）升时间：升时间03622s响应时间较快
（2）超调量σ：超调量满足
系统设计求系统相稳定性较
（3）调节时间：系统1167s达稳定稳定基静差系统较稳定
（4）峰值时间：该时间约04079s系统瞬间响应较快
（5）系统稳定1s时突加额定负载系统仅018s时间恢复稳态系统稳定抗扰性良
5 结
文转速电流双闭环直流调速系统设计仿真进行研究直流电动机起动调速原理出发引入文采调速性性济性具优越性功率范围宽晶闸电动机系统VM系统通直流电动机整流装置模型分析逐步建立双闭环直流调速系统动态数学模型通工程设计方法设计电流调节器转速调节器MATLAB仿真软件Simulink环境建立系统仿真模型分系统空载满载扰动作进行仿真仿真结果进行分析出常规PID控制双闭环直流调速系统设计基符合设计求稳定基静差受扰动回复时间较短抗扰性较常规PID控制器参数控象变化作相应调整控制效果时意系统响应速度稳态精度方面需进步加改进
通课题研究许收获：更深入掌握研究典型双闭环直流调速系统数学模型学掌握运MATLABSimulink仿真软件课题研究基础电力拖动动控制系统关方面知识通设计动控制系统动静态性控制进步认识
参考文献
[1] 胡虔生胡敏强电机学[M] 北京中国电力出版社2005
[2] 谢卓辉．直流调速系统全数字控制[D]．中国优秀硕士文数库2001．
[3] 阮毅陈伯时．电力拖动动控制系统[M]北京：机械工业出版社2009
[4] 邹伯敏．动控制理[M]．北京：机械工业出版社2007．6．
[5] 胡双马志云．直流电机系统建模研究[J]．电工技术杂志2003．8：17~21
[6] 赵岗金王兆明杨玉珍．数字控制直流调速系统试验台研制应[B]电气电子教学学报2006年第28卷
[7] 韦巍．智控制技术[M]．北京：机械工业出版2000．1．
[8] 席爱民．模糊控制技术[M]．西安：西安电子科技学出版社2008．6．
[9] 张德丰 MATLAB模糊系统设计[M]．北京：国防工业出版社2009．4．
[10] 张国良静柯熙政等．模糊控制MATLAB应[M] 西安：西安交通学出版社2002．11．
[11] 阮毅陈维钧．运动控制系统[M]．北京：清华学出版2006．9．
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1 绪 1
11课题研究背景 1
12研究双闭环直流调速系统目意义 1
2 直流电机双闭环调速系统 3
21直流电动机起动调速 3
22直流调速系统性指标 3
221静态性指标 3
222动态性指标 4
23双闭环直流调速系统组成 6
3 双闭环直流调速系统设计 8
31电流调节器设计 8
32转速调节器设计 10
33闭环动态结构框图设计 12
34设计实例 12
341设计电流调节器 13
342设计转速调节器 15
4Matlab仿真 17
41仿真结果分析 19
5 结 20
参考文献 21
1 绪
11课题研究背景
直流调速现代电力拖动动控制系统中发展较早技术目前言直流调速系统然动调速系统形式电机动控制系统广泛应机械钢铁矿山冶金化工石油纺织军工等行业行业中绝部分生产机械采电动机作原动机效控制电机提高运行性国民济具十分重现实意义
等等需高性调速场合广泛应然传统双闭环直流电动机调速系统数采结构较简单性相稳定常规PID控制技术实际拖动控制系统中电机身拖动负载参数(转动惯量)模型样保持变某具体场合会工况发生改变时电机作控象非线性拖动负载含间隙弹性等非线性素控制象参数发生改变非线性特性线性常参数PID控制器顾失彼系统种工况保持设计时致性指标常常控制系统鲁棒性较差尤模型参数变化范围具非线性环节较强系统常规PID调节器难满足精度高响应快控制指标效克服模型参数变化范围非线性素影响
12研究双闭环直流调速系统目意义
双闭环直流调速系统性应广直流调速系统采该系统获优良静动态调速特性系统控制规律性特点设计方法种交直流电力拖动动控制系统重基础
20世纪90年代前约50年时间里直流电动机唯种实现高性拖动控制电动机直流电动机定子磁场转子磁场相互独立正交控制提供便捷方式电动机具优良起动制动调速性年直流电动机断受交流电动机电动机挑战直流电动机然数变速运动控制闭环位置伺服控制首选具良线性特性优异控制性高效率等优点直流调速然目前精度高调速方法
通转速电流双闭环直流调速系统解够更掌握调速系统基理相关容种性加深解时够发现缺陷处通该系统足处完善提高该系统性够适种工作场合提高效率基础交流调速系统进行研究终掌握种交直流调速系统原理够应国民济生产领域
感动控制理研究发展快应方面意年现代控制理电动机控制系统应研究方面出现蓬勃发展兴旺景象功两方面原：第高性处理器应复杂运算实时完成第二辨识参数估值控制算法鲁棒性方面理方法成熟应现代控制理够取更控制效果
次设计务应动控制理工程设计方法直流调速系统进行设计控制设计出够达性指标求电力拖动系统调节器应MATLAB软件设计系统进行仿真校正达满足控制指标目
2 直流电机双闭环调速系统
21直流电动机起动调速
（1）直流电动机起动
直流电动机接通电源转速零达稳态转速程称起动程直流电机起动条件应满足原：①起动转矩负载转矩②起动电流限制安全范围③起动设备投资济适设备运行安全起动时间短
（2）直流电动机速度调节
① 改变电枢供电电压U
② 减弱励磁磁通Φ
③ 改变电枢回路电阻R
三种方法介绍中知求定范围级滑调速系统说调节电枢电压方式变电阻实现级调速弱磁调速然实现滑调速调节范围太常调压方式配合额定转速作较范围弱磁升速调压调速动控制系统调速方式文正采方法设计系统
22直流调速系统性指标
根类典型生产机械调速系统提出求般概括静态动态调速指标静态调速指标求电力传动动控制系统高转速低转速范围调节转速求转速工作时速度稳定动态调速指标求系统启动制动快稳具良抗扰动力抗扰动性指系统稳定某转速运行时应量受负载变化电源电压波动等素影响
221静态性指标
（1）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
（26）
（2）静差率
电机拖动系统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
（27）
百分数表示
（28）
知静差率反映拖动系统负载变化时调速稳定性机械特性硬度关机械特性越硬静差率越转速稳定度越高
静差率特性硬度变压调速系统转速情况机械特性相互行相硬度机械特性理想空载时转速越低静差率越转速相稳定度越差
见调速范围静差率两项指标间关系相互独立必须起提出时意义调速额定速降样运转越慢静差率越低速情况果静差率符合设计求静差率高速运转时更满足求调速系统中静差率指标基准低速运转时达参数
222动态性指标
拖动系统动态程性指标生产工艺流程求控制系统动态指标求折算量化动化系统中动态指标指踪定信号性指标抗扰动信号鲁棒性指标
（1）系统性指标
参考输入信号R(t)作性指标描述系统输出量C(t)变化定信号表示方式时输出响应样通常输出量初始值零阶跃变化渡程中定信号作典型程时动态响应称阶跃响应般希阶跃响应中输出量C(t)稳态值偏差越越达时间越快越常阶跃响应性指标升时间超调量调节时间：
①升时间
典型阶跃响应程中输出量零开始第次升稳态值时间称阶跃响应升时间表示动态响应快速性见图24
图21 典型阶跃响应程性指标
②超调量σ
典型阶跃响应系统中超调量输出量超出稳态值偏离量稳态值百分数表示：
（210）
③调节时间
系统整调节程快慢衡量调节时间衡量原应该阶跃变化开始输出量完全稳定止需时间线性控制系统中理真正稳定然实际系统中种非线性素存渡程定时间终止般阶跃响应曲线稳态值附取(取)范围作允许误差带响应曲线达超出该误差带需短时间定义调节时间见图24
（2）抗扰动力性指标
控制系统稳定运行时突加负载阶跃扰动动态响应程作典型抗扰程定义抗扰动力动态性指标图25示常抗扰动力性指标动态降落恢复时间：
①动态降落
系统稳定条件运行时突加定数值扰动（负载扰动）引起转速降落值做动态降落常输出量原稳态值百分数表示（某基准值百分数表示）动态降落输出量逐渐恢复达新稳态值系统该扰动作稳态误差静差般情况动态降落稳态误差调速系统突加额定负载扰动时转速动态降落做动态降落
②恢复时间
阶跃扰动作开始输出量基恢复稳态距新稳态值差进入某基准量(取)范围需时间定义恢复时间中称抗扰指标中输出量基准值
实际系统中种动态指标求根生产机械具体求定般说调速系统动态指标抗扰性
图22 突加扰动动态程抗扰性指标
23双闭环直流调速系统组成
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二两者中采嵌套（称串级）联接图26示转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制电力电子变换器UPE系统结构电流环里边称作环转速环外面称作外环样构成转速电流双闭环直流调速系统
图23 转速电流反馈控制直流调速系统原理图
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 ─转速定电压
─转速反馈电压 ─电流定电压 ─电流反馈电压
3 双闭环直流调速系统设计
双闭环调速系统属环控制系统环调节器构成完整闭环系统工程设计方法遵循先环外环原步骤：先设计电流环（环）进行必变换似处理然电流环控制求确定校正成种典型系统根控制象确定调节器类型根动态性指标求确定调节器关参数电流环设计完成电流环成转速环（外环）中环节样方法设计转速环
电流检测信号中常交流分量影响调节器输入加入低通滤波器然滤波环节反馈信号延迟消延迟定位置加相时间常数惯性环节理测速发电机转速反馈电压常含换纹波定反馈环节加入滤波环节双闭环直流调速系统实际动态结构框图图31示：
图31 双闭环调速系统动态结构图
31电流调节器设计
（1）电流环结构框图化简
图33点画线框电流环反电动势电流环改变缓慢干扰电流突然变化时认样动态性设计电流环时暂时忽略反电动势变化动态影响考虑电机电枢反感电动势电流环干扰条件
（34）
式中 ─电流环开环截止频率
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
般情况作惯性群似成惯性环节时间常数
（35）
电流环部结构简化似条件
（36）
（2）电流调节器结构选择
静态求希电流静差动态求电枢电流允许太超调电流环性应采典型Ⅰ型系统
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
（37）
式中 ─电流调节器超前时间常数
─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选择
（38）
电流环动态结构框图变成图34示典型形式中
（39）
图32校正成典型Ⅰ型系统电流环动态结构框图
述结果系列假设条件条件：
①电力电子变换器纯滞似处理
（310）
②考虑反电动势变化电流环动态影响
（311）
③电流环惯性群似处理
（312）
（3）电流调节器参数计算
（36）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
（313）
结合式（36）式（37）
（314）
32转速调节器设计
（1）电流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：
（315）
考虑高次项降低阶次似表示成
（316）
似条件式
（317）
式中─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
（318）
（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
（319）
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）调节器传递函数表示：
（320）
式中 ─转速环PI调节器超前时间常数
─转速环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
（321）
令转速环开环增益
（322）
（323）
述结果需服似条件纳：
（324）
（325）
（3）转速环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
（326）
式
（327）
（328）
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
33闭环动态结构框图设计
双闭环直流调速系统转速环电流环外控制电动机转速输出作电流环定值实现转速静差电流环控制电动机电流输出整流触发装置触发电压通调节电流快速调节转矩实现快速加减速两控制器均采PI调节器双闭环直流调速系统动态结构框图图33示
图33 双闭环直流调速系统动态结构框图
34设计实例
某采三相桥式晶闸整流装置供电转速电流双闭环调速系统中关数：
直流电动机关参数：电动机电动势系数允许载倍数
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）稳态指标：静差
（2）动态指标：电流超调量空载起动转速达额定时转速超调量
341设计电流调节器
1． 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333ms基滤波头应（1~2）333ms取2ms0002s
（3）电流环时间常数时间常数似处理取+00037s
2．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
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
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32）满足设计求
342设计转速调节器
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
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33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
4Matlab仿真
根理设计结果构建直流双闭环调速系统仿真模型图41
示：
图41直流双闭环调速系统仿真模型
系统模型更简洁利Simulink包功调节器模型缩分支模块图42(a)(b)示：
（a） （b）
图42 （a）转速调节器ASR （b）电流调节器ACR
运行已构建Simulink直流双闭环调速系统仿真模块空载满载扰动系统进行仿真电动机转速电流仿真波形分图434445示：
图43转速环空载高速起动波形图
图44转速环满载高速起动波形图
图45 t1s时加入负载扰动转速环抗扰波形图
41仿真结果分析
根仿真结果系统性指标进行分析：
（1）升时间：升时间03622s响应时间较快
（2）超调量σ：超调量满足
系统设计求系统相稳定性较
（3）调节时间：系统1167s达稳定稳定基静差系统较稳定
（4）峰值时间：该时间约04079s系统瞬间响应较快
（5）系统稳定1s时突加额定负载系统仅018s时间恢复稳态系统稳定抗扰性良
5 结
文转速电流双闭环直流调速系统设计仿真进行研究直流电动机起动调速原理出发引入文采调速性性济性具优越性功率范围宽晶闸电动机系统VM系统通直流电动机整流装置模型分析逐步建立双闭环直流调速系统动态数学模型通工程设计方法设计电流调节器转速调节器MATLAB仿真软件Simulink环境建立系统仿真模型分系统空载满载扰动作进行仿真仿真结果进行分析出常规PID控制双闭环直流调速系统设计基符合设计求稳定基静差受扰动回复时间较短抗扰性较常规PID控制器参数控象变化作相应调整控制效果时意系统响应速度稳态精度方面需进步加改进
通课题研究许收获：更深入掌握研究典型双闭环直流调速系统数学模型学掌握运MATLABSimulink仿真软件课题研究基础电力拖动动控制系统关方面知识通设计动控制系统动静态性控制进步认识
参考文献
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