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题目： 转速电流双闭环直流调速系统。
要求：1.利用所学知识设计转速电流双闭环直流调速系统； （10%）
2.设计过程中详细说明系统组成，详细说明电流环和转速环调节器的设计过程；（10%）
3.使用matlab软件编写调试程序，分析内环电流和电机转速的输出特性；（30%）
4.要有详细原理说明和设计过程，方案以word文档的形式给出（30%）
5.课程总结，总结该课程的主要内容与相关实际应用。(20%)
作业成绩：
系统简介。电机调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，称为直流调速。
而双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(asr)和电流调节器(acr),分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器asr的输出限幅电压u*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压udm。
由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，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电力电子变换器upe，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图1.1所示。
图1.1 双环调速系统原理图。
为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用pi 调节器。他们是按照电力电子变换器的控制电压uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图1.
2为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。
acr和asr的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求acr的输出uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求acr的输入ui*为负极性，所以，要求asr输入的给定电压un*为正极性。本文基于这种思想进行asr和acr设计。
1.2双闭环调速系统稳态结构图。
1.3双闭环调速系统动态结构图。
图1.3为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。
为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。
由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为ton的给定滤波环节。
查的某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：
1） 直流电动机：160v、120a、1000r/min、ce=0.136vmin/r，允许过载倍数λ=1.4
2） 晶闸管装置放大系数：ks=30
3） 电枢回路总电阻：r=0.4ω
4） 时间常数：tl=0.023s，tm=0.2s，转速滤波环节时间常数ton取0.01s
电压调节器和电流调节器的给定电压均为10v
假设设计成如下：稳态指标：无静差。
动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%
1）设计双闭环系统的acr：
设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：
先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
a.确定时间常数。
整流滤波时间常数ts，三相桥式电路的平均失控时间ts=0.0017s；
电流滤波时间常数toi，三相桥式电路每个波头的时间是0.0033s，为了基本虑平波头，应有（1～2）toi=0.0033s，因此取toi=2ms=0.002s；
电流环小时间常数t∑i，按小时间常数近似处理，取t∑i=ts+toi=0.0037s。
b.选择电流调节器结构。
由设计要求：σi%≤5%，并保证系统稳态电流无误差，因此可按典型i型系统设计，电流调节器选用pi型，其传递函数为：
wacr(s) =ki*（is+1）/is
检查对电源电压的抗扰性能算的满足要求。
c.计算电流调节器参数。
电流反馈系数：β=
acr超前时间常数： ;
电流环开环增益：要求σi%≤5%时，应取，因此：
d.校验近似条件。
电流环截止频率；
晶闸管装置传递函数近似条件为：
196.1，满足近似条件；
忽略反电动势对电流环影响的条件为：
=44.2，满足近似条件；
小时间常数近似条件处理条件为：
=180.8， 满足近似条件。
e.计算调节器电阻和电容。
电流调节器原理如图3－1所示，按所用运算放大器取r0=40kω，各电阻取30k和电容值取0.75uf
按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：σi%=4.5%<5%，满足设计。
4）按工程设计方法设计双闭环系统的asr：
a.确定时间常数。
电流环等效时间常数为；
转速滤波时间常数ton ，根据所用测速发电机波纹情况，取ton=0.01s；
转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取=。
b．选择转速调节器结构。
由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型ⅱ型系统设计速度环，故asr选用pi调节器，其传递函数为：
c.计算速度调节器参数。
按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则asr的超前时间常数为：，转速环开环增益：
于是，asr的比例系数：kn算的为12.9
d.校验近似条件。
由转速截止频率：
电流环传递函数简化条件：
满足简化条件；
转速环小时间常数近似条件为：
满足近似条件。
e.计算调节器电阻和电容。
转速调节原理图如图3－2所示，取，取550k。
co取0.150。
按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：当h=5时，虽然不满足设计要求，而实际上，突加阶跃给定时，asr饱和，应按退饱和的情况重新计算超调量。
5）内、外开环对数幅频特性的比较。
图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上，其中各转折频率和截止频率依次为：
以上频率一个比一个小，从计算过程可以看出，这是必然的规律。因此，这样设计的双闭环系统，外环一定比内环慢。一般来说，，。
从外环的响应速度受到限制，这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点。然而，这样一来，每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。
总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。
6） 晶闸管的电压、电流定额计算。
a.晶闸管额定电压un
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，即按下式选取un＝（2～3）um，式中系数2～3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。
b.晶闸管额定电流in
为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：
in=(1.5~2)kfbimax。
式中计算系数kfb=kf/1.57kb由整流电路型式而定，kf为波形系数，kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=0时，三相全控桥电路kfb=0.
368,故计算的晶闸管额定电流为in=(1.5~2)kfbimax =(1.5~2) ×0.
368×(220×1.5)=182.16～242.
88a，取200a。
7)平波电抗器计算。
由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。
a.电枢电感量lm按下式计算。
p—电动机磁极对数，kd—计算系数，对一般无补偿电机：kd=8~12。
b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感lb按下式计算。
u2—变压器次级相电压有效值，id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流，kb—与整流主电路形式有关的系数。
c.变流器在最小输出电流idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量l按下式计算。
k是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥k取0.693则l＝17.01(mh).
1） 进行simulink**，验证设计的有效性。
a. 电流闭环的**。
校正后电流环的动态结构框图成了如下的典型形式：
其中。在matlab中搭建好系统的模型，如下图：
为了研究系统的参数对动态性能的影响，分别取ki t∑i.00，此时ki的值也会随之变化，运行**，即可得不同ki值的阶跃响应曲线：
kt=0.39的阶跃响应曲线。
kt=0.50的阶跃响应曲线。
kt=0.69的阶跃响应曲线。
kt=1.00的阶跃响应曲线。
由曲线可以看出如果要求动态响应快，可取kt=0.69-1.0；如果要求系统超调小，则应把kt的值取小些，可取kt<0.
39;无特殊要求，取折中值kt=0.5，，称为最佳二阶系统。
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