摘要
反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用，反馈闭环控制系统对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动（Kp变化、电网波动、电阻变化、励磁变化）都能有效的加以抑制；另一方面，则紧紧的跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。反馈控制系统紧紧跟随给定作用是对给定信号（给定稳压电源Un、反馈量检测元件精度a）的任何变化唯命是从。
速度调节及抗负载和电网扰动，采用电压内环的三PI调节器，可获得良好的动静态效果。为保证快速性，电压环采用比例调节器。电流环校正成典型Ⅰ型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计设计成典型Ⅱ型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形。
在直流调速系统中，转速、电流双闭环直流调速系统是应用最广的直流调速系统，传统的设计方法为工程设计方法，它对被控对象的模型做了理想化和近似处理，故工程设计方法是一种近似的设计，而对一些高性能系统要求起制动超调小、动态速降小、恢复时间短，则需采用更为先进的控制策略。本文对三闭环直流调速系统进行设计并仿真。仿真结果表明：电压内环的三闭环调节器使能系统具有更好的调节品质，具有更强的鲁棒性和抗干扰能力。
为了获取良好的静、动态性能，电压、转速和电流调节器一般都采用PI调节器，文中设计了两个调节器输入输出电压均标出实际极性，它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。还有调节器的输出都是带限幅作用的，限制电压决定了它们的输出最大值。
本文通过对带电压内环的三闭环直流调速系统各参数的计算，设计出系统的MATLAB仿真模型，通过仿真可以看到，系统可以实现调速、扰动等功能。
目 录
第一章 设计任务
一、 设计目的
二、 设计内容
三、 实验（设计）仪器设备和材料清单
四、 设计要求
1． 技术参数
2． 设计要求
3． 电机拖动控制系统设计与仿真
第二章 理论设计
一、 方案论证
二、 系统设计
1． 电压调节器设计
（1） 选择电压调节器结构
（2） 计算电压调节器参数
2． 电流调节器设计
（1） 选择电流调节器结构
（2） 计算电流调节器参数
3． 转速调节器设计
（1） 选择转速调节器结构
（2） 计算转速调节器参数
三、 近似校验条件：
第三章 系统建模及仿真实验
一、 MATLAB仿真软件介绍
二、 仿真建模及实验
1． 双闭环仿真实验
2． 三闭环仿真实验
第四章 结论与心得体会
一、 结论
二、 心得体会
第五章 参考文献
第1章 设计任务自拟控制系统性能指标的要求，调速范围、超调量、动态速降、调节时间、抗扰性能等。设计系统原理图，电流环的设计，转速环设计、电压内环设计，完成元器件的选择，计算选择合理调节器参数，并进行仿真或实验验证系统合理性。 1、设计目的1．通过对一个实用的带电压内环的三环直流调速系统的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，使学生获得控制技术工程的基本训练。 2．通过系统建模和仿真，掌握用MATLAB / Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统的方法。 3．进一步掌握各种直流调速系统的性能，尤其是动态性能。 2、设计内容- 理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带电压内环的基本原理，解决积分调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带电压内环的三环直流调速系统(含主电路和控制电路,选择的元器件，系统的电气原理图)。
2．仿真实践：根据所设计系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型，并对系统仿真模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。 3、实验（设计）仪器设备和材料清单微型计算机及MATLAB仿真软件 1套 4、设计要求
1．技术参数⑴ 直流电动机：额定功率3KW，额定电压220V，额定电流17.5A，GD2=5.3Nm 额定转速1980r/min，Ce =0.13Vmin/r，允许过载倍数λ =1.5； ⑵ 晶闸管装置放大系数：KS=33； ⑶ 电枢回路总电阻：Ra=1.25Ω, Rrec =0.3Ω, RL =0.25Ω；L=180 mH ⑷ 时间常数：机电时间常数 Tm=0.162s，电磁时间常数：TL =0.1s ⑸ 电流反馈系数：β =0.36V/A（10V/Inom ～10V/1.5Inom）； ⑹ 转速反馈系数：α=0.0067Vmin/r（10V/nnom ～10V/1.5nnom）； ⑺ 反馈滤波时间常数: Ton =0.02s，Toi =0.002s； 其它未尽参数可参阅教材中“工程设计方法举例”的有关数据。 2．设计要求⑴ 调速范围D=10，静差率S ≤ 5％；稳态无静差，电流超调量 σi ≤ 5%,电流脉动系数Si ≤ 10％；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 σn≤ 10％，空载起动到额定转速时的过渡过程时间ts ≤ 0.5s。
⑵ 系统具有过流、过压、过载和缺相保护。
⑶ 触发脉冲有故障封锁能力。
⑷ 对拖动系统设置给定积分器。 3．电机拖动控制系统设计与仿真根据所提供电动机参数，画出带电压内环的三环直流调速系统结构图，根据电流超调量、转速超调量、电流变化率等指标，用工程设计方法决定转速调节器、电流调节器、电压调节器结构和参数，并对该调速系统进行simulink仿真。
第2章 理论设计
1、方案论证系统设计理论 按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电压、电流内环，后设计转速外环）。 在三闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电压、电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。 2、系统设计
1．电压调节器设计电压调节器的作用： 将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量，使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器。 （1）选择电压调节器结构图 1 电压调节器结构
多闭环调速系统工程“最佳”设计，是从内环到外环逐环进行处理与设计的。电压内环的三闭环调速系统应首先从电压内环开始设计。假设在电压反馈回路中已用微分超前网络抵消了滤波滞后作用的影响，即设计微分超前时间常数刚好等于滤波时间常数。这样电压反馈环节变成一个放大系数γ的比例环节，并假设在电压调节器给定输入回路中设置滤波环节，补偿了动态结构图中微分超前因子（  ）。这两种假定在工程上是常用的，也不难实现。 电压内环为一个小惯性和一个大惯性环节相串联的双惯性型系统。从工程“最佳”设计原理出发，把电压内环校正设计为典型Ⅰ系统，则应选用比例积分（PI）调节器。 （2）计算电压调节器参数电压调节器工程“最佳”参数计算如下：  1.55?  180*  /1.25=0.144 S  =0.116 S 电压反馈系数γ=0.037 积分时间常数  0.1178 因为  故可得放大系数  =0.116*1.55/（2*0.0017*33*0.037*1.25）=35 这样，AVR的传递函数为：  =35（0.016S+1）/0.116S  0.0017+0.002=0.0037 S 电压内环传递函数为： 2．电流调节器设计电流调节器作用： - 跟随作用─作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
- 抗扰作用─对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
- 加快动态过程─在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
- 过流自动保护作用─当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
（1）选择电流调节器结构图 2 电流调节器结构
ACR的作用： - 使转速n跟随给定电压
 变化，稳态无静差。 - 对负载变化起抗扰作用。
- 其输出限幅值
 由最大电流 决定，
（2）计算电流调节器参数电流调节器采用PI调节器，参数设置如下： 令  ,将调节器设计为典型Ⅰ系统  =1.65 小惯性环节近似处理 由于  和  一般都比  小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 转速调节器的作用： - 速度调节─它使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
- 抗扰作用─对负载变化起抗扰作用。
- 限制电机最大电流─其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
（1）选择转速调节器结构图 3 转速调节器结构
ACR的作用： - 对电网电压波动起及时抗扰作用。
- 起动时保证获得允许的最大电流
 。 - 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压
 变化。
（2）计算转速调节器参数转速的超调与动态降速均可由抗扰指标衡量，而抗扰指标以典型Ⅱ系统为佳，因此转速调节器采用PI调节器，按典型Ⅱ系统设计，取h= 转速调节器为：  2*0.0037+0.02=0.0274  4*0.0274=0.1096  =16.65 式中，  ─转速环开环频率特性特的截止频率
第3章系统建模及仿真实验
1、MATLAB仿真软件介绍Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。 Simulink可以处理的系统包括线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。它是MATLAB的进一步扩展，不但实现了可视化的动态仿真，也实现了C、FORTRAN，甚至和硬件之间的相互数据传输，大大扩展了它的功能。 在Simulink提供的图形用户界面（GUI）上，只要进行鼠标简单拖拉操作，就可构造出复杂仿真模型。外表以方框图形呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下的设计流程，又适于自下而上逆流程设计。从研究分析角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间信息交换，掌握各部分之间的交互影响。 2、仿真建模及实验
1．双闭环仿真实验预置参数 选取转速输出限幅值为 Lower limit=0 Upper limit=10 图 4 双闭环直流调速系统的仿真模型 图 5 输入模块STEP的相关参数 
图 6双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形（从上到下依次是转速和电流）三闭环直流调速系统是在双闭环直流调速系统的基础上，于电流环后增加了一个电压内环，这样系统可获得良好的动静态性能及快速性，同时保证电流波动限制在一定范围内。 仿真模型及其相应参数设置如下图所示 : 图 7 电压内环的三环直流调速系统的仿真模型  图 8 电压内环的三环直流调速系统输入波形图如上图所示，前四个波形是四个输入波各自的波形，依次滞后0s、20s、40s、60s，第五个是前四个波形合成后的系统初始输入波形。电压作如下变化： Un→0.95 Un→Un →1.05Un  图 9 电压内环的三环直流调速系统输入有阶段性变化时转速、电流、电压波形图从上至下依次为转速、电流、电压的波形 如上图所示，输入在第20s、40s、60s时刻发生变化 图 10 电压环加扰动的三闭环直流调速控制系统仿真模型 从上至下依次为转速、电流、电压的波形 如上图所示，输入在第20s、40s、60s时刻发生变化 
图 11 电压环加扰动的三闭环直流调速控制系统仿真结果从左至右依次为Un→0.95 Un→Un →1.05Un变化时系统输出变化 以上结果可以看出，加扰动后，转速输出只是在很小的范围发生波动，总体与未加扰动时的波形相同。这样，电压内环的三环直流调速系统对外界一定范围的扰动有一定的抗干扰能力。
第4章 结论与心得体会
1、结论通过上面的所有模拟过程，我们可以看出，本次带电压内环的三环直流调速系统设计符合要求，我学会了MATLAB的使用，并且对于Simulink更加了解。MATLAB自身所带的所有工具箱都适用于Simulink环境，我们可以直接用来处理涉及众多领域的特殊问题，这次课程设计，增强了我们的实践动手能力，让我们学会了怎样运用自己所学的各科专业知识来完成一个综合性的课程设计，使我们明白了组织知识的重要性。 这次课程设计的时间虽说是短暂的，但在这几天中我学会了不少的东西，如：MATLAB中Simulink模块的使用、示波器的使用、画图工具的使用、尤其重要的是对直流调速系统的更进一步了解与掌握。工具箱不仅仅是一些有用函数的集合，而且是世界顶级研究人员在各自领域做出的贡献，非常值得学习。随着MATLAB版本的升级，也在扩大Simulink的适用范围、使用效率，使Simulink进入到更多的科学领域，成为计算机和工程系统分析中强有力的仿真工具。 2、心得体会本次课程设计分为两个部分，一是老师给的练习题，而是我们要交报告的大作业。 老师给的练习题中，涉及到很多方面的知识，并且给出了大量的例子，我们可以先对例子进行学习与理解，再做后面的练习题，这样有助于我们学习和巩固知识，我用了两节课的时间做完了老师给的练习题，并且把答案积累到了一起，接下来我们就要在做完练习题的基础上，做出老师给的课程设计的具体题目，我们可以自己选题，结合之前练习题的基础，做出自己的课程设计。 在本次课程设计中也遇到了不少的工程问题和理论问题，但在老师的指导和同学的帮助下，最后都得到了完满的解决。在自己的不断学习中，对于MATLAB软件的应用更加熟练了，并且学会结合把理论变成实际。对于课程设计的要求，也都基本得到了实现。
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