摘要
反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)對于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動（Kp變化、電網(wǎng)波動、電阻變化、勵磁變化）都能有效的加以抑制；另一方面，則緊緊的跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。反饋控制系統(tǒng)緊緊跟隨給定作用是對給定信號（給定穩(wěn)壓電源Un、反饋量檢測元件精度a）的任何變化唯命是從。
速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動，采用電壓內(nèi)環(huán)的三PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果。為保證快速性，電壓環(huán)采用比例調(diào)節(jié)器。電流環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法，用Simulink做了帶電流補償?shù)碾妷贺?fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真綜合，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真波形。
在直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法為工程設(shè)計方法，它對被控對象的模型做了理想化和近似處理，故工程設(shè)計方法是一種近似的設(shè)計，而對一些高性能系統(tǒng)要求起制動超調(diào)小、動態(tài)速降小、恢復(fù)時間短，則需采用更為先進的控制策略。本文對三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計并仿真。仿真結(jié)果表明：電壓內(nèi)環(huán)的三閉環(huán)調(diào)節(jié)器使能系統(tǒng)具有更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，具有更強的魯棒性和抗干擾能力。
為了獲取良好的靜、動態(tài)性能，電壓、轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，文中設(shè)計了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓均標(biāo)出實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。還有調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，限制電壓決定了它們的輸出最大值。
本文通過對帶電壓內(nèi)環(huán)的三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)各參數(shù)的計算，設(shè)計出系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，通過仿真可以看到，系統(tǒng)可以實現(xiàn)調(diào)速、擾動等功能。
目 錄
第一章 設(shè)計任務(wù)
一、 設(shè)計目的
二、 設(shè)計內(nèi)容
三、 實驗（設(shè)計）儀器設(shè)備和材料清單
四、 設(shè)計要求
1． 技術(shù)參數(shù)
2． 設(shè)計要求
3． 電機拖動控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真
第二章 理論設(shè)計
一、 方案論證
二、 系統(tǒng)設(shè)計
1． 電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計
（1） 選擇電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
（2） 計算電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)
2． 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計
（1） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
（2） 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)
3． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計
（1） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
（2） 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)
三、 近似校驗條件：
第三章 系統(tǒng)建模及仿真實驗
一、 MATLAB仿真軟件介紹
二、 仿真建模及實驗
1． 雙閉環(huán)仿真實驗
2． 三閉環(huán)仿真實驗
第四章 結(jié)論與心得體會
一、 結(jié)論
二、 心得體會
第五章 參考文獻
第1章 設(shè)計任務(wù)自擬控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，調(diào)速范圍、超調(diào)量、動態(tài)速降、調(diào)節(jié)時間、抗擾性能等。設(shè)計系統(tǒng)原理圖，電流環(huán)的設(shè)計，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計、電壓內(nèi)環(huán)設(shè)計，完成元器件的選擇，計算選擇合理調(diào)節(jié)器參數(shù)，并進行仿真或?qū)嶒烌炞C系統(tǒng)合理性。 1、設(shè)計目的1．通過對一個實用的帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試來綜合運用科學(xué)理論知識，提高學(xué)生工程意識和實踐技能，達到素質(zhì)和創(chuàng)新能力進一步提升，使學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練。 2．通過系統(tǒng)建模和仿真，掌握用MATLAB / Simulink工具分析設(shè)計直流電動機速度控制系統(tǒng)的方法。 3．進一步掌握各種直流調(diào)速系統(tǒng)的性能，尤其是動態(tài)性能。 2、設(shè)計內(nèi)容- 理論設(shè)計：根據(jù)所學(xué)的理論知識和實踐技能，了解帶電壓內(nèi)環(huán)的基本原理，解決積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題；采用工程設(shè)計方法設(shè)計一個帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(含主電路和控制電路,選擇的元器件，系統(tǒng)的電氣原理圖)。
2．仿真實踐：根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink建立各個組成部分相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對系統(tǒng)仿真模型進行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真實驗波形和合適控制器參數(shù)，為搭建實際系統(tǒng)提供參考。 3、實驗（設(shè)計）儀器設(shè)備和材料清單微型計算機及MATLAB仿真軟件 1套 4、設(shè)計要求
1．技術(shù)參數(shù)⑴ 直流電動機：額定功率3KW，額定電壓220V，額定電流17.5A，GD2=5.3Nm 額定轉(zhuǎn)速1980r/min，Ce =0.13Vmin/r，允許過載倍數(shù)λ =1.5； ⑵ 晶閘管裝置放大系數(shù)：KS=33； ⑶ 電樞回路總電阻：Ra=1.25Ω, Rrec =0.3Ω, RL =0.25Ω；L=180 mH ⑷ 時間常數(shù)：機電時間常數(shù) Tm=0.162s，電磁時間常數(shù)：TL =0.1s ⑸ 電流反饋系數(shù)：β =0.36V/A（10V/Inom ～10V/1.5Inom）； ⑹ 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α=0.0067Vmin/r（10V/nnom ～10V/1.5nnom）； ⑺ 反饋濾波時間常數(shù): Ton =0.02s，Toi =0.002s； 其它未盡參數(shù)可參閱教材中“工程設(shè)計方法舉例”的有關(guān)數(shù)據(jù)。 2．設(shè)計要求⑴ 調(diào)速范圍D=10，靜差率S ≤ 5％；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 σi ≤ 5%,電流脈動系數(shù)Si ≤ 10％；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 σn≤ 10％，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的過渡過程時間ts ≤ 0.5s。
⑵ 系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護。
⑶ 觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。
⑷ 對拖動系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。 3．電機拖動控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真根據(jù)所提供電動機參數(shù)，畫出帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)電流超調(diào)量、轉(zhuǎn)速超調(diào)量、電流變化率等指標(biāo)，用工程設(shè)計方法決定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并對該調(diào)速系統(tǒng)進行simulink仿真。
第2章 理論設(shè)計
1、方案論證系統(tǒng)設(shè)計理論 按照設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展設(shè)計原則（本課題設(shè)計先設(shè)計電壓、電流內(nèi)環(huán)，后設(shè)計轉(zhuǎn)速外環(huán)）。 在三閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電壓、電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達到本課程設(shè)計的要求。 2、系統(tǒng)設(shè)計
1．電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器的作用： 將生產(chǎn)過程參數(shù)的測量值與給定值進行比較，得出偏差后根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號推動執(zhí)行器消除偏差量，使該參數(shù)保持在給定值附近或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器。 （1）選擇電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖 1 電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程“最佳”設(shè)計，是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐環(huán)進行處理與設(shè)計的。電壓內(nèi)環(huán)的三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)首先從電壓內(nèi)環(huán)開始設(shè)計。假設(shè)在電壓反饋回路中已用微分超前網(wǎng)絡(luò)抵消了濾波滯后作用的影響，即設(shè)計微分超前時間常數(shù)剛好等于濾波時間常數(shù)。這樣電壓反饋環(huán)節(jié)變成一個放大系數(shù)γ的比例環(huán)節(jié)，并假設(shè)在電壓調(diào)節(jié)器給定輸入回路中設(shè)置濾波環(huán)節(jié)，補償了動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中微分超前因子（  ）。這兩種假定在工程上是常用的，也不難實現(xiàn)。 電壓內(nèi)環(huán)為一個小慣性和一個大慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的雙慣性型系統(tǒng)。從工程“最佳”設(shè)計原理出發(fā)，把電壓內(nèi)環(huán)校正設(shè)計為典型Ⅰ系統(tǒng)，則應(yīng)選用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。 （2）計算電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)電壓調(diào)節(jié)器工程“最佳”參數(shù)計算如下：  1.55?  180*  /1.25=0.144 S  =0.116 S 電壓反饋系數(shù)γ=0.037 積分時間常數(shù)  0.1178 因為  故可得放大系數(shù)  =0.116*1.55/（2*0.0017*33*0.037*1.25）=35 這樣，AVR的傳遞函數(shù)為：  =35（0.016S+1）/0.116S  0.0017+0.002=0.0037 S 電壓內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 2．電流調(diào)節(jié)器設(shè)計電流調(diào)節(jié)器作用： - 跟隨作用─作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。
- 抗擾作用─對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。
- 加快動態(tài)過程─在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。
- 過流自動保護作用─當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。
（1）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖 2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
ACR的作用： - 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓
 變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。 - 對負(fù)載變化起抗擾作用。
- 其輸出限幅值
 由最大電流 決定，
（2）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)設(shè)置如下： 令  ,將調(diào)節(jié)器設(shè)計為典型Ⅰ系統(tǒng)  =1.65 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 由于  和  一般都比  小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： - 速度調(diào)節(jié)─它使轉(zhuǎn)速n很快的跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。
- 抗擾作用─對負(fù)載變化起抗擾作用。
- 限制電機最大電流─其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。
（1）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖 3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
ACR的作用： - 對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。
- 起動時保證獲得允許的最大電流
 。 - 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓
 變化。
（2）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速的超調(diào)與動態(tài)降速均可由抗擾指標(biāo)衡量，而抗擾指標(biāo)以典型Ⅱ系統(tǒng)為佳，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，按典型Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計，取h= 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為：  2*0.0037+0.02=0.0274  4*0.0274=0.1096  =16.65 式中，  ─轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性特的截止頻率
第3章系統(tǒng)建模及仿真實驗
1、MATLAB仿真軟件介紹Simulink是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。 Simulink可以處理的系統(tǒng)包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。它是MATLAB的進一步擴展，不但實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實現(xiàn)了C、FORTRAN，甚至和硬件之間的相互數(shù)據(jù)傳輸，大大擴展了它的功能。 在Simulink提供的圖形用戶界面（GUI）上，只要進行鼠標(biāo)簡單拖拉操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜仿真模型。外表以方框圖形呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。從建模角度講，這既適于自上而下的設(shè)計流程，又適于自下而上逆流程設(shè)計。從研究分析角度講，這種Simulink模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間信息交換，掌握各部分之間的交互影響。 2、仿真建模及實驗
1．雙閉環(huán)仿真實驗預(yù)置參數(shù) 選取轉(zhuǎn)速輸出限幅值為 Lower limit=0 Upper limit=10 - 基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真
圖 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 圖 5 輸入模塊STEP的相關(guān)參數(shù) 
圖 6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形（從上到下依次是轉(zhuǎn)速和電流）三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于電流環(huán)后增加了一個電壓內(nèi)環(huán)，這樣系統(tǒng)可獲得良好的動靜態(tài)性能及快速性，同時保證電流波動限制在一定范圍內(nèi)。 仿真模型及其相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下圖所示 : 圖 7 電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型  圖 8 電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)輸入波形圖如上圖所示，前四個波形是四個輸入波各自的波形，依次滯后0s、20s、40s、60s，第五個是前四個波形合成后的系統(tǒng)初始輸入波形。電壓作如下變化： Un→0.95 Un→Un →1.05Un  圖 9 電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)輸入有階段性變化時轉(zhuǎn)速、電流、電壓波形圖從上至下依次為轉(zhuǎn)速、電流、電壓的波形 如上圖所示，輸入在第20s、40s、60s時刻發(fā)生變化 圖 10 電壓環(huán)加擾動的三閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型 從上至下依次為轉(zhuǎn)速、電流、電壓的波形 如上圖所示，輸入在第20s、40s、60s時刻發(fā)生變化 
圖 11 電壓環(huán)加擾動的三閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真結(jié)果從左至右依次為Un→0.95 Un→Un →1.05Un變化時系統(tǒng)輸出變化 以上結(jié)果可以看出，加擾動后，轉(zhuǎn)速輸出只是在很小的范圍發(fā)生波動，總體與未加擾動時的波形相同。這樣，電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對外界一定范圍的擾動有一定的抗干擾能力。
第4章 結(jié)論與心得體會
1、結(jié)論通過上面的所有模擬過程，我們可以看出，本次帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計符合要求，我學(xué)會了MATLAB的使用，并且對于Simulink更加了解。MATLAB自身所帶的所有工具箱都適用于Simulink環(huán)境，我們可以直接用來處理涉及眾多領(lǐng)域的特殊問題，這次課程設(shè)計，增強了我們的實踐動手能力，讓我們學(xué)會了怎樣運用自己所學(xué)的各科專業(yè)知識來完成一個綜合性的課程設(shè)計，使我們明白了組織知識的重要性。 這次課程設(shè)計的時間雖說是短暫的，但在這幾天中我學(xué)會了不少的東西，如：MATLAB中Simulink模塊的使用、示波器的使用、畫圖工具的使用、尤其重要的是對直流調(diào)速系統(tǒng)的更進一步了解與掌握。工具箱不僅僅是一些有用函數(shù)的集合，而且是世界頂級研究人員在各自領(lǐng)域做出的貢獻，非常值得學(xué)習(xí)。隨著MATLAB版本的升級，也在擴大Simulink的適用范圍、使用效率，使Simulink進入到更多的科學(xué)領(lǐng)域，成為計算機和工程系統(tǒng)分析中強有力的仿真工具。 2、心得體會本次課程設(shè)計分為兩個部分，一是老師給的練習(xí)題，而是我們要交報告的大作業(yè)。 老師給的練習(xí)題中，涉及到很多方面的知識，并且給出了大量的例子，我們可以先對例子進行學(xué)習(xí)與理解，再做后面的練習(xí)題，這樣有助于我們學(xué)習(xí)和鞏固知識，我用了兩節(jié)課的時間做完了老師給的練習(xí)題，并且把答案積累到了一起，接下來我們就要在做完練習(xí)題的基礎(chǔ)上，做出老師給的課程設(shè)計的具體題目，我們可以自己選題，結(jié)合之前練習(xí)題的基礎(chǔ)，做出自己的課程設(shè)計。 在本次課程設(shè)計中也遇到了不少的工程問題和理論問題，但在老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，最后都得到了完滿的解決。在自己的不斷學(xué)習(xí)中，對于MATLAB軟件的應(yīng)用更加熟練了，并且學(xué)會結(jié)合把理論變成實際。對于課程設(shè)計的要求，也都基本得到了實現(xiàn)。
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