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1、摘要直流调速系统具有调速范围广精度高动态性能好和抑郁控制等优点，因此本设计运用电力拖动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用SIMULINK队系统进行各种参数的给定的仿真。通过仿真验证理论分析正确性。转速、电流双闭环控制直流调速系统的性能很好，具有调速范围广，精度高、双闭环调速系统中设置了连个调节器，即转速调节器ASR和电流调节器ACR。分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行的说明。通过对开环、单闭环以及双闭环的数学和物理模型的电路设计，调速方案的方案选定，主电路计算，参数选定，触发电路的
2、选择与校验，控制电路设计计算，以及双闭环直流调速系统的动态设计，最后用MATLAB/SIMULINK仿真，得出仿真结果，根据双闭环直流调速系统原理图, 分析了转速调节器、电流调节器的作用, 并通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形。并对得到的波形进行分析。关键词：直流电机；双闭环调速系统；SIMULINK仿真目录绪论21. 方案设计31.1 设计题目和设计要求31.1.1 设计题目31.1.2 设计的要求41.2 调速的方案选择51.2.1 直流电动机的选择51.2.2 电动机供电方案的选择51.3 系统的结构选择62. 主电路的设计82.1 整流变压器计算82.2 晶闸管的选择10
3、2.3 平波电抗器的计算113. 晶闸管的保护143.1 晶闸管过电流保护143.2 过电压保护154. 触发电路的设计175. 双闭环直流调速系统的设计和选择195.1 电流环(ACR)的选择和校验195.2 转速环(ASR)的选择和校验216. 控制电路的设计236.1 给定环节的选择236.2 转速检测装置的设计236.3 电流检测装置的设计237. 系统的MATLAB/SIMULINK仿真247.1 系统的建模与参数设置247.1.1 开环物理模型的构建247.1.2 单闭环物理模型的构建247.1.3 双闭环物理模型的构建257.2 系统仿真结果的输出及结果分析26总结28参考文献2
4、9附录 主电路图30绪论1. 课程设计的意义双闭环拖动控制系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。本专业学生应充分掌握双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并且初步掌握设计的方法和步骤，同时增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力以及刻苦钻研的工作作风。本设计以直流电动机为被控对象，设计一套双闭环无静差拖动控制系统。2. 课程设计的要求 (1) 根据设计课题的技术指标和给定条件，在教师指导下，能够独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。(2) 要求掌握交直流调速系统的设
5、计内容、方法和步骤。(3) 要求会查阅有关参考资料和手册等。(4) 要求学会选择有关元件和参数。(5) 要求学会绘制有关电气系统图和编制元件细节。(6) 要求学会编写设计说明书。3. 课程设计的目的(1)通过课程设计，进一步巩固、深化和扩充在直流调速及相关课程方面的基础知识、基本理论和基本技能，达到培养独立思考、分析和解决实际问题的能力。(2)通过课程设计，独立完成一项直流调速系统课题的基本设计工作，达到培养学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料能力的目的。(3)通过课程设计，使熟悉设计过程，了解设计步骤，掌握设计内容，达到培养工程绘图和编写设计说明的目的，为今后从事相关方面的实际工作打下
6、良好基础。1. 方案设计1.1 设计题目和设计要求1.1.1 设计题目设计题目：十架连轧机部分传动直流调速系统的设计 在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，连轧是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。其主要特点是被扎金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终形成一定的断面形状。每个机架的上下轧辊共用一台电机实行集中拖动，不同机架采用不同电机实行部分传动，各机架轧辊之间的速度实现协调控制。本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成10个部分，各部分电动机参数见表1-1。表1-1 十架连轧机各部分电动机参数机架序号
7、电动机型号(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数1Z2-926723029114500.268.6012Z2-914823020914500.358.0213Z2-823523015214500.431.3614Z2-812623011314500.527.4415Z2-721923082.5514500.711.7616Z2-71142306114500.89.817Z2-621123047.814500.96.3918Z2-618.52303714501.05.4919Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.431
8、1.1.2 设计的要求(1)电枢回路总电阻取；总飞轮力矩(2)其它参数可参考教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。(3)要求：调速范围D=10,静差率；稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时。(4)要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。(5)要求触发脉冲有故障封锁能力。(6)要求对拖动系统设置给定积分器1.2 调速的方案选择1.2.1 直流电动机的选择 控制对象为直流电动机，其各个数据见表1-2。表1-2第10组 电机参数表电机型号(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数Z2-514.223018.2514501.23.4311.2.2 电动机供电方案的选择
9、 由晶闸管相控整流器给直流电动机供电的调速系统简称为V-M系统。V是晶闸管可控整流器，它可以是单相、三厢或者更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发器装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。调节电枢电压的直流跳崖调速除了利用晶闸管整流器将交流电压整流成可调的直流电压外，还可采用脉宽调制技术，将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的直流电压，利用以实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。采用门极关断（GTO)晶闸管、电力晶体管GTR等全控性电力电子器件组成的直流脉冲宽度调制。PWM-M系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优
10、越性：(1)主电路线路简单，需用的功率器件少。(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小。(3)低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽。(4)系统快速响应性性能好，动态抗扰能力强。(5)主电路器件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。(6)直流电源采用不可控三相整流时，功率因数高。 在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电
11、感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。1.3 系统的结构选择 采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流(转矩)受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流(转矩)受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程
12、。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。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，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。综上所述，可知双闭环调速系统具有明
13、显的优点：(1) 具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”) 。(2) 具有较好的动态特性，启动时间段(动态响应快) ，超调量也较小。(3) 系统抗干扰能力强，电流环能较好的克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它保卫的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。(4) 由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环) ，调整方便。 双闭环的原理框图为1-3：图1-3 转速电流双闭环直流调速系统原理图2. 主电路的设计2.1 整流变压器计算1、 整流变压器二次电压的计算整流变压器的参数计算应考虑的因素：(1)最小触发延迟角：一般可逆系统的取 3050
14、，不可逆系统的取1015。(2)电网电压波动：电网电压允许波动范围为+5%-10%，为迪昂王电压最低时仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电网电压波动系数为b=0.91.05。(3)漏抗产生换相压降。(4)晶闸管或整流二极管正向导通压降n。电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。 U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按(2-1)计算，即： (2-1) 式中，为变压器二
15、次相电压；为电动机的额定电压；b为电网波动系数，一般取0.900.95；为整流电压计算系数，(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，在要求不高的场合，可以采用（2-1）公式：取=230V, 由表2-1取=2.34，b=0.9 =令=120V表2-1 常用整流电路计算系数电路形式换相电抗压降计算系数整流电压计算系数晶闸管电压计算系数晶闸管电流计算系数整流变压器二次相电流计算系数整流变压器一次相电流计算系数整流变压器视在功率计算系数整流变压器漏抗计算系数整流变压器漏抗折算系数整流变压器电阻折算系数三相全控桥式0.52.342.450.3670.8160.8161.051.22222、 变
16、压器一次、二次侧电流计算(1)由表2-1查得, 考虑变压器励磁电流得：二次相电流的计算如下： (2-2) 式中，为二次相电流计算系数，为整流器额定直流电流等于电动机的最大额定电流 ,采用公式(2-2) 得 (2)一次相电流I1的计算 (2-3) 式中，电压比, =18.25A由 (2-3) 得3、 变压器容量的计算一次容量： (2-4)二次容量： (2-5) 式中分别为变压器一次、二次绕组的相数，对于全控桥，；为一次相电流计算系数；为整流器的空载电压；为二次相电流计算系数；为整流电压计算系数。由公式(2-4)、(2-5)、由表2-1得 取S=3.35KVA2.2 晶闸管的选择1、晶闸管额定电压
17、的选择应考虑下列因素：(1)分析电运行时晶闸管可能承受的最大电压值(2)考虑实际情况，器件应留有余量。通常按（2-6）计算 (2-6)公式中的为晶闸管可能承受的电压最大值，单位为V。当整流器的输入电压和整流器的连接方式确定后，常采用查计算系数表来选择计算。 即=(23) (2-7)(2-7)式中为晶闸管的电压计算系数；为整流变压器二次相电压。整流电路形式为三相全控桥，由表2-1得=2.45，由(2-17)得 =（23）*2.45*120=637955.3V2、晶闸管的额定电流的选择选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57 或
18、=K 考虑(1.52)倍的裕量 (2-8) 式中为晶闸管电流计算系数;为整流器输出最大平均电流；当晶闸管作为电枢供电时，取为电动机工作电流的最大值。由表2-1得 ，考虑(1.52)倍的裕量，由(2-8)得： 取=10。经查表可知：晶闸管的型号为KP(3CT)10。2.3 平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。(1)电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下
19、式计算： (2-9)式中 直流电动机电压，单位为V；为直流电动机的额定电流，单位为A；为直流电动机的额定转速，单位为r/min；p为电动机的极对数；为计算系数，一般无补偿电动机取812快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=18.25A、n=1450r/min、p=1由(2-9）得 = mH =4.34mH (2)整流变压器漏电感量计算 (2-10)式中计算系数，三相全桥取3.9；为整流变压器阻抗电压百分比，一般取0.051.0；为整流变压器的二次相电压；为直流电动机额定电流。为变压器的短路比，取3。本设计中取=3.9、=0.6。所以 =3.90.6120/（
20、10018.25）=0.1539H (3)保证电流连续的临界电感量。使输出电流在最小负载电流时仍能连续所需的临界电感值（mH）。 (2-11) 式中为临界计算系数，三相全控桥为0.693；为最小负载电流，常取电动机额定电流的5%10%计算；为整流变压器的二次相电压。 =0.05=0.0518.25A=0.9125A=0.695*120/0.9125mH=91.40mH (2-12)(4)限制电流脉动所需电抗器的电感值由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量
21、会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量(单位为mH)可用(2-13)式计算： (2-13)式中为临界计算系数，与整流电路形式有关，三相全控桥为1.045；为电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）%；为整流变压器的二次相电压，为电动机最小工作电流，取额定电流的5%10%，由(2-13)得=1.045*120/10%*18.25=68.71mH(5)实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量：mH (2-14) (6) 电枢回路总电感:=64.084.3420.1539 mH =68.73mH (
22、2-15)3. 晶闸管的保护3.1 晶闸管过电流保护晶闸管承受过电流的能力比一般的电器差的多，必须在短时间内把电源断开或者把电流值降下来。3-2 常见的过电流保护方案(1)快速熔断器保护。快速熔断器有快速熔断的特性，熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前自身熔断。快速熔断器的选择主要考虑下述几个方面： 1)快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值，即 (3-1)2)快速熔断器的额定电流（有效值）应大于等于被保护晶闸管的额定电流。若熔断器与桥臂晶闸管串联时，熔体的额定电流可按计算： 1.57 (3-2)式中，为被保护将闸管的额定电流；为快速熔断器的额定电流；为实际流过晶闸管的最大
23、电流有效值。 由于晶闸管额定电流在选择时已经考虑了安全裕量1.52，因此通常按下式计算： = (3-3)由于快速熔断器的价格较高，一般情况下，总是先让其他过电流保护措施动作，尽量避免直接快速熔断器熔断。(2)过电流继电器保护。过电流继电器可以安装在交流侧或者直流侧，检测主电路的电流。由于过电流继电器和断路器或接触器动作需要几百毫秒，只能用于当机械过载引起的过电流或短路不大于保护晶闸管。(3)直流快速开关。直流快速开关常用于大容量的整流器的直流侧过载和短路保护。快速开关的动作时间为23ms。分断时间不超过2530ms。选择时，其额定电压、额定电流应不小于变流装置的额定值。3.2 过电压保护针对形
24、成过电压原因不同，可采取不同的抑制方法。3-2常见的过电压保护(1)交流侧过电压保护措施1)阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=18.13KVA, =121.29V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。C6S/U22=6318.12103/121.292=22.18F耐压1.5Um =1.5121.29=257.25V选取20F,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=18.13KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3121.292/18.13103=1.87取 R=2IC=2fCUC10
25、-6=25010121.2910-6=0.381 APR(3-4)IC2R=(34) 0.38122=（0.82.32）W选取电阻为2，2W的金属膜电阻。2)压敏电阻的计算=1.3121.29=222.96V (3-4)流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10%）作交流侧浪涌过电压保护。(2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 230=414460V (3-5) 选MY31-44
26、0/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。(3)晶闸管换相电压保护措施 为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法。电容耐压值，通常按加在晶闸管两端工作电压的峰值的1.11.5倍计算。电阻功率(W)为 (3-6) 4. 触发电路的设计三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于60，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一信号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称双脉冲触发。1、为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角的大小在正确的时刻相电路中的
27、晶闸管施加有效的触发脉冲，因此，习惯上也将实现对相控电路相位控制的电路总称为触发电路。晶闸管的触发电路应满满足下列要求：(1)触发电路的宽度应保证晶闸管可靠导通；(2)触发脉冲应有足够大的幅度；(3)所提供的触发脉冲不应超过晶闸管的电压。此设计选用SG3524作为触发电路的主要器件，SG3524是通用型脉宽调制器(PWM)，属于数子、模拟混合型集成电路，占空比可在0100%之间调节。触发电路图如4-1：图4-1 触发电路图在上图中，ACR的输出Uc可以调节占空比在0100%内变化。使整流器的输出电压在0UN内变化，电机对应的转速也跟其变化。如果电机转速由于外界机械原因发生改变，对应测速发电机的
28、输出也跟随变化。测速发电机输出的变化直接影响ASR的调节，从而Uc的大小，Uc大小的变化改变GS3524输出波形的占空比，从而使斩波电路的输出电压平均值改变，使电机转速返回到预先设定的值。2、根据被触发晶闸管的阳极电压相位，正确供给各触发电路特定相位的同步型号电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲，这种正确选择同步信号电压相位以及得到不同相位同步信号电压的方法，称为晶闸管装置的同步。5. 双闭环直流调速系统的设计和选择晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三项桥式全控整流电路。基本数据如下：直流电动机：230V、18.25A 、1450r/min 、允许过载倍数；整
29、流装置放大系数：；电枢回路总电阻：；时间常数：；电流反馈系数：转速反馈系数：设计要求如下：静态指标：无静差；动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时转速超调量。5.1 电流环(ACR)的选择和校验1、确定时间常数。1)整流装置滞后时间常数： 对于三相桥式电路，平均失控时间为。2)电流滤波时间常数：三相桥式电路的每个波头时间为3.33ms，为基本滤平波头，应有（1这里取）则电流环小时间常数3)电流环小时时间常数：按小时时间常数近似处理，。2、确定将电流环设计成何种典型系统：根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型I型系统设计。 3、电流调节器的结构和参数选择。ACR选用PI调节器，其传递函数为
30、(5-1)。 (5-1)ACR参数选择如下： 电流环开环增益，要求%时，故应取，因此 电流反馈系数：于是，ACR的比例系数为：ACR的积分系数：5-1 ACR电路3、电流调节器参数的计算:因为 且 有电机参数可知： =； 即给定值为 4、校验近似条件 电流环截至频率为： (1)晶闸管整流装置传递函数近似条件： 满足近似条件。 (2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件：满足近似条件5.2 转速环(ASR)的选择和校验1、确定时间常数。1)电流环等效时间常数为。2)转速滤波时间常数：根据所用测速发电机纹波情况，取。3)转速环小时间常数：按小时常
31、数近似处理，取 。2、 确定将转速设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，ASR必须含有几分环节；又根据动态设计要求：应按典型系统设计转速环。3、 ASR的结构和参数选择。ASR可选用PI调节器，其传递函数为 为转速调节器的比例系数，为转速调节器的超前时间常数选择ASR的参数如下：按跟随性和抗扰性能都较好的原则取，则ASR时间常数 转速环开环增益 电流反馈系数：转速反馈系数：ASR的比例系数为：。ASR的积分系数：5-2 ASR电路4、检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。6. 控制电路的设计6.1 给定环节的选择
32、转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的发、给定信号。转速给定电路可以产生幅度可调和极性可变的阶跃给定电压或者可平滑调节的给定电压。其中，在设计过程会发现，滑动变阻器的输出端会产生分流现象，这会导致其分压的值产生很大误差，影响试验效果；最终，我们采用了电压跟随其来对其进行电位隔离，由于电压跟随其的输入阻抗非常大，所以不会产生分流现象，有效的解决了上述问题。6.2 转速检测装置的设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速成正比的电压信号，滤除交流分量，成系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机
33、输出端即可获得与转速称正比的电压信号，经过滤波后即可作为转速反馈信号反馈回系统。6.3 电流检测装置的设计电流检测电路主要作用是获得与主电路电流成正比的电压信号，经过滤波整流后，再作用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流构成正比的电压信号，起到电器隔离的作用。7. 系统的MATLAB/SIMULINK仿真SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连
34、续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。7.1 系统的建模与参数设置7.1.1 开环物理模型的构建 根据设计的要求搭建物理模型，利用仿真模型仿真找到合适的的值，经仿真找到的范围为145V180V，如图7-1:图7-1 开环物理模型7.1.2 单闭环物理模型的构建图7-2为转速单闭环物理模型及其仿真结果。采用了PI控制
35、器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截至负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来，这样电动机转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。 图7-2 单闭环物理模型7.1.3 双闭环物理模型的构建 为了提高生产率和加工质量，要求尽量虽短过度过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。转速、电流双闭环直流调速系统的主电
36、路模型由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。双闭环仿真模型如图7-3所示。仿真结果符合要求。图7-3 双闭环物理模型7.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。(1) 开环系统模型开环直流调速系统由给定信号、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。仿真结果如7-4所示。图7-4开环物理仿真结果(2) 双闭环系统模型双闭环系统与开环系统和单闭环系统具有相同的主电路，控制电路中有ASR、ACR两个调节器，电流仿真值为18.25A 最大电流为1.5=27A 仿真值是121rad/s 仿真结果如图7-5所示。
37、图7-5 双闭环物理仿真图经仿真可知：所需的启动电流最大值为： 所仿真的转速能达到额定值，稳定后能达到电动机的额定电流18.25A。通过开环、单闭环、双闭环的仿真结果的比较可以看出双闭环的波形要优于单闭环，因为双闭环多加了电流环，使其快速性增加，抗扰动能力增强。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转速
38、调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。实际仿真结果基本上反映了这一点。 总结现代工业生产中，各种生产工艺的实现大多采用电动机拖动生产机械来完成。 随着生产工艺要求的提高，对生产机械和拖动的电动机也提出更高的要求。在此课程设计中，应用了MATLAB 的SIMULINK工具箱，采用面向原理框图的图形化仿真技术，对典型的开环直流调速系统、单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统进行仿真实验分析。在课程设计过程中反复测试PI调节各参数对系统的影响。对双闭环仿真波形的观察分析，直流电动机在启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，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动。在本次课程设计中进一步了解了双闭环调速系统的原理及具体的调节过程。通过求取各个传递函数，并校正其正确性，明白设计过程其实就是由假设到验证再到调整直到达到理想结果的一个过程。课程设计中遇到了一些困难，得到了老师的指导和同学的帮助得到了及时的解决，加强了自身锻炼和思考的能提，提高了自身的能力，为以后的学习和生活打下了坚实的基础。
