MATLAB仿真验证
1.设计任务及要求分析
江西省城乡建设培训中心由设计任务可知，本次课程设计要求采用双闭环调速系统，对不可逆生产设
σ≤，空载启动到额定转速时备进行控制，以实现稳态无静差，电流超调量5% i
σ≤的指标要求。另外，分别在电流调节器有限幅和无限幅的转速的超调量10%
n
情况下，对直流调速系统稳态运行时转速环突然断线时系统指定环节的工作情况进行仿真。
为了实现稳态无静差，可以将电流调节器和转速调节器设计成PI调机器结构，为了满足电流超调量和转速超调量的指标，在对电流调机器和转数调机器选取参数时，可以选取典型的参数值，系统具体参数见说明书后面的参数计算部分。要实现稳态运行时转速环突然断线时系统的工作情况仿真，可以将转速信
号与阶跃信号通过乘法器作为速度环节的反馈信号。阶跃信号在指定的时间从初始值1跳变到终值0。通过上述的简要介绍，便可以看出系统设计的整个思路。以下个环节将做具体介绍和方案的实现。
2.双闭环系统的组成及模型
男生女生金版txt2.1双闭环系统的组成
对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程如图1所示。
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图1时间最优的理想过渡过程
I的为了实现允许条件下的最快启动，关键是要获得一段电流保持最大值
dm
恒流过程。因此，采用电流负反馈来实现这一目的。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用可以再系统中设置两个调节器，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。系统整体的原理图如图2所示。
图2双闭环直流调速系统原理图
2.2双闭环系统的稳态结构图
双闭环直流调速系统的稳态结构图如图3所示。两个调节器均采用带限幅作
U决定了电流给定的最大值，用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压*
im
hanguoU限制了电力电子变换器的最大输出电压
电流调节器ACR的输出限幅电压*
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U。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有dm
反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的事实控制和快速跟随，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节
器不进入饱和状态。图3双闭环直流调速系统的稳态结构图(1)当转速调节器不饱和时，这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此
*0*n n i i d U U n n U U I ααβ⎧===⎪⎨==⎪⎩（1）
式中，,αβ分别为转速和电流反馈系数。
(2)当转速调节器饱和时，ASR 输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不在产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调速系统。稳态时
*im
d dm U I I β==（2）
式中，最大电流dm I 是由设计者选定的，本次设计系统为1.5d I 。
**100.027/375100.0088/1.5760nm N im dm U V A n U V A I αβ⎧===⎪⎪∴⎨⎪===⎪⨯⎩（3）
在负载电流小于dm I 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dm I 时，转速调节器为饱和输出*im U ，电流调节器起主要调节
作用，系统表现为电流无静差。采用两个PI 调节器形成了内、外两个闭环的效果。当ASR 处于饱和状态时，d dm I I =，若负载电流减小，d dm I I <，使转速上升，n>n0，Δn<0，ASR 反向积分，使ASR 调节器退出饱和。
2.3双闭环系统的动态结构图
双闭环直流调速系统的稳态结构图如图4所示。图中(),()ASR ACR W s W s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
图4双闭环直流调速系统的动态结构图
对调速系统而言，被控制的对象是转速。它的跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述，图5描绘了时间最优的理想过渡过程。从图中可以看出，启动过程可以分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。
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图5双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
(1)第I 阶段：电流上升阶段。在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR 和ACR 两个PI 调节器的作用下，d I 很快上升，在d I 上升到d L I 之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。当d I d L I ≥后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR 输入偏差电压仍较大，ASR 很快进入饱和状
态，而ACR 一般不饱和。直到d dm I I =，*i im U U =。
(2)第II 阶段：恒流升速阶段ASR 调节器始终保持在饱和状态，转速环仍
相当于开环工作。系统表现为使用PI 调节器的电流闭环控制，电流调节器的给
定值就是ASR 调节器的饱和值*im U ，基本上保持电流d dm I I =不变，电流闭环调
节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是d I 略低于d m I 。
(3)第III 阶段：转速调节阶段。n 上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为d I >d m I ，电动机仍处于加速过程，使n 超过了n*，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了ΔUn<0，ASR 退出饱和状态，Ui
和d I 很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，d I =d L I ，转速才到达峰值。在t3~t4时间内，d I <d L I ，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。在第III 阶段中，ASR 和ACR 都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。
3.电流调节器（ACR ）的设计
3.1电流环的等效化简
转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是
150.913ci S ω-≥==（4）
式中，ci ω是电流开环频率特性的截止频率。把给定滤波和反馈滤波同时等效移到环内前向通道上，再把给定信号改为*()
i U s β。由于s T 和oi T 一般都比l T 小的多，可以当做小惯性环节来近视处理。
s oi i T T T =+∑（5）
其中，s T 为整流装置滞后时间常数，oi T 为电流滤波时间常数。简化的条件是
ci ω≤（6）
近视处理后的电流环等效单位负反馈如图6所示。
