基于Matlab的双闭环直流调速系统仿真研究毕业设计论文

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。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

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2.2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2-2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。

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TA Ui U*n + i 内环ACR U*i ASR + UPE - Uct Id

- + Ud - TG Un M - n

n 外环 图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统

Fig2-2 rotation、current double closed loop

DC rotation regulation system *Un、Un—转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压

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

2.3双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性

首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图2-3a，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。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，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压?U

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在稳太时总是为零。

Id ? R Un *+ ASR U*i Ui - + ACR Uct UPE Ud0 + Ks -IdR E 1/Ce n - Un ?

图2-3a 双闭环调速系统的稳态结构图

Fig2-3a Double-loop speed control system of steady-state chart

?—转速反馈系数 ?—电流反馈系数

?—Speed feedback coefficient ?—Current feedback coefficient 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。

（一）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

Un?Un??n

*Ui?Ui??Id 由Un**?Un??n得：

n?Un*??n0

**从而得到图2-3b静特性的n0-A段。

由Ui*?Ui??Id，且ASR不饱和?Ui?Uim得：Id?Idm，说明n0-A段静特性

从Id?0(理想空载状态)一直延续到Id?Idm，而Idm一般都大于额定电流Idnom的。

（二）转速调节器饱和

此时，ASR输出达到限幅值Uim，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：

*Id?从而得到图2-3b静特性的A-B段。

Uim*??Idm

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主

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要调节作用。当负载电流达Idm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。

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n n0

C O

图2-3b 双闭环调速系统的静特性

Fig2-3b Double-loop speed control system of static characteristics

IdN

Idm

B Id

A 2.4双闭环直流调速系统的数学模型

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。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2-4所示。图中WASR(s)和

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WACR(s)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Id显露出来。

-IdL R Tms Un + - *U*i WASR(s) Un - Ks WACR(s) Ts+1 U- d0 Uct sUi ? 1/R Tl s+1 Id + E 1/Ce n ?

图2-4 双闭环直流调速系统的动态结构框图

Fig2-4 double closed loop DC rotation regulation system of dynamic structure

diagram

2.5双闭环直流调速系统的起动过程分析

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，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Ui由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图2-5所示。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，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

（一）第I阶段（0～t1）是电流上升阶段。

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*突加给定电压Un后，通过两个调节器的跟随作用，使Uct、Ud0、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流IdL之前，电动机还不能转动。当Id?IdL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

?Un?Un?Un的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim****，强迫电枢电流Id迅速上

升。直到Id?Idm，Ui?Uim,电流调节器很快就压制了Id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2-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

Fig2-5 double closed loop DC rotation regulation system

starting process of rotation and current profile

（二）第II阶段（t1～t2）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Uim作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图2-5）。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（图2-4）。为了克服这个扰动，

*n n*

I II III O Id Idm t

IdL

t1 t2 t3 t4 t

O Ud0和Uc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?Ui?Uim?Ui必须维持一定的恒值，Id也就是说，

*应略低于Idm。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

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