摘 要
直流调速系统在工业控制中扮演着重要角色，因其平滑调速性能适用范围广。其中，双闭环结构的控制效果最佳。本文深入探讨了双闭环直流调速系统的组成结构和动态结构图，并采用工程设计方法对电流调节器和转速调节器的结构和参数进行设计。最后，通过Simulink建模和仿真，证明了参数设计合理有效，能够达到理想的调速效果。
关键词：转速环；电流环；PI调节器；SIMULINK
Abstract
Because of its performance suitable for smooth speed regulation in a wide range, the DC speed control system has always played an important role in industrial control. The control effect of the DC speed control system is the best when the double closed-loop structure is used. For this reason, the double closed-loop DC speed control system is studied, the system structure is explained, the dynamic structure diagram of the system is analyzed, and the current regulation is designed using the engineering design method. Finally, Simulink is used to model and simulate the double closed-loop speed regulation system of DC motor. The simulation results show that the parameters of the speed regulator and current regulator are designed reasonably and can achieve the ideal speed regulation effect.
Key words:loop of revolution rate;loop of current;regulator;simulink
目录
摘 要 II
Abstract III
1 绪论 1
1.1 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本论文的主要研究内容 2
2 双闭环直流调速系统的组成和动态分析 3
2.1 双闭环直流调速系统的结构组成 3
2.2 双闭环直流调速系统动态过程分析 5
3 双闭环直流调速系统的工程设计 7
3.1 双闭环直流调速系统的工程设计步骤 7
3.2 双闭环直流调速系统的工程设计举例 7
4 双闭环直流调速系统的仿真研究 11
4.1 基于Simulink的双闭环调速系统的建模 11
4.2 仿真结果的理论分析 11
4.3 不同工况（包括故障情况）的仿真和分析 14
4.4 电力变换装置的思考(是否简化为一阶惯性环节) 25
4.5 自控原理的频域滞后校正相关知识实现动态设计 26
4.6 基于电气原理图的双闭环直流调速系统的仿真 33
5 总结 35
致谢 36
参考文献 37
1 绪论
1.1研究意义
直流电动机因其适用于较宽范围内的平稳调速而在工业控制中扮演着重要角色。其中，转速和电流双闭环调速系统是最典型的一种调速系统。仿真技术是研究和分析各种系统特别是复杂系统的重要工具，在现今社会中已经得到广泛应用。因此，利用Matlab中SIMULINK实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析，已经成为我们迫切需要讨论的话题。这种方法能够使工程设计和解决设计中可能出现的困难变得更加简便。
研究直流调速系统的控制策略：通过建模和仿真，可以研究和分析不同的直流调速系统控制策略，比如PID控制等，从而选出最优的控制策略。调试和验证系统参数：通过建模和仿真，可以对直流调速系统进行调试和验证，特别是对系统参数进行调整和优化，以获得更好的性能和稳定性。优化系统控制性能：通过建模和仿真，可以研究直流调速系统的控制性能，如响应时间、稳态误差等，并进行优化，以达到更好的控制效果。降低实验成本和风险：通过建模和仿真，可以在计算机上进行实验，避免了实验设备的购买、维护和搬运等成本和风险，同时能够大大缩短实验周期。
1.2 国内外研究现状
自20世纪80年代中后期以来，数字调速传动系统已经发展到非常先进的水平，世界各大电气公司竞相研制。可控硅被用于功率原件，表面安装技能用于控制板，电源换相和相位控制这两种控制方法用于控制。采用微电脑和其他先进水平技术，数字式直流调速装置具备非常高的电子分辨率、良好的电子数字操作性能和强大的抗其他源影响能力，这些技术在国内外广泛应用。现在，先进电气调速系统在发达国家已经实现了信息化，双闭环控制系统已经普遍应用于各类仪器仪表、机械重工业和轻工业的生产过程中。随着全球科技的发展，双闭环控制系统目前的发展趋势是向控制的信息化、人工智能化和大数据化方向发展。全数字化直流调速装置作为最新控制程度的传动方式，显示出全信息化直流调速装置的强大优势。电子信息化直流调速系统一直在演化，工程应用获得了丰厚的优越条件。国内学者从理论和实验两个方面对双闭环直流调速系统进行了深入研究。其中，理论方面主要是对直流电机及其控制原理进行了深入探讨，提出了基于MATLAB的直流电机控制仿真平台；实验方面则主要是针对直流电机的调速控制系统进行了实验研究，探讨了不同的调速控制策略和参数优化方法，提高了系统的控制精度和鲁棒性。
国外研究者也对双闭环直流调速系统进行了广泛的研究。其中，理论方面主要是对直流电机的控制原理和控制策略进行了深入研究，提出了一些新的控制方法和算法；实验方面则主要是通过建立仿真模型对系统进行了分析和优化，提高了系统的控制性能和稳定性。同时，还开发了一些直流电机控制器和控制软件，为直流电机的控制提供了便利。
随着科技的进步和电机控制技术的不断发展，双闭环直流调速系统的建模与仿真研究也在不断深入和拓展。未来的发展趋势主要包括以下几个方面：（1）控制策略的优化：研究者将致力于提出更加优化的控制策略，以提高系统的控制精度和鲁棒性，例如基于人工智能的控制策略。（2）硬件平台的创新：研究者将会开发更加先进的硬件平台，以满足不同环境下的实际应用需要，例如嵌入式硬件等。（3）系统仿真模型的完善：研究者将会建立更加完善的仿真模型，以更加准确地模拟实际系统的运行情况。（4）多学科交叉研究：研究者将会借鉴其他学科的研究成果，如控制理论、机械设计、电子技术等方面的成果，从而进一步提高系统的控制性能和稳定性。总之，未来双闭环直流调速系统的建模与仿真研究将会更加深入和广泛，为该领域的发展注入新的活力和动力。双闭环直流调速系统在实际应用中有着广泛的应用场景，如电动汽车、电梯、风力发电、水泵、机床等领域。其中，电动汽车是最具代表性的应用场景之一。通过对电动汽车的双闭环直流调速系统进行优化和改进，可以提高电动汽车的动力性能和节能效果，从而更好地满足用户的需求。在未来，双闭环直流调速系统的发展前景非常广阔。随着科技的不断进步和应用的不断拓展，双闭环直流调速系统将会应用于更加广泛的领域，如智能制造、智能交通、智能家居等，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。同时，随着电动汽车的快速发展和普及，双闭环直流调速系统也将会得到更加广泛的应用和推广，成为电动汽车行业的重要组成部分。
综上所述，国内外研究者在双闭环直流调速系统的建模与仿真方面开展了大量的研究，为该领域的进一步发展提供了有力的支持和推动。
随着中央集群计算机研发和精进，国外对直流调速系统的科研也在不断进步和升级。研究人员提出了模糊PID算法、自适应PID算法、内模控制算法和I-P控制器的算法来替代PI调节器。晶闸管触发脉冲一般用于大型直流电动机的调速系统。国外一线科技电器集团，如ABB、西门子、AEG、三菱、东芝、GE和西屋等，已经开发了多个数字直流调速装置，其中不乏成功的标准化、系列化和模板化的应用产品。这些成果也为直流调速系统的发展提供了有力的支撑和推动。
1.3 本论文的主要研究内容
直流电机的建模：将直流电机抽象成一个数学模型，用方程描述其动态特性，包括电动机的电磁转矩、电机转速和电流等参数。速度环控制器的设计：通过控制电机的转速来实现电机的调速，速度环控制器是实现这一目标的关键。电流环控制器的设计：通过控制电机的电流来实现电机的转矩控制，电流环控制器是实现这一目标的关键。双闭环控制系统的建模：将速度环和电流环控制器结合起来，建立双闭环控制系统的数学模型。控制算法的仿真：采用MATLAB等仿真软件对控制算法进行仿真，测试控制算法的性能和稳定性。系统参数的优化：通过仿真平台，对系统参数进行优化，以提高系统的稳定性和控制性能。
总之，双闭环直流调速系统的建模与仿真的主要研究内容是将电机、控制器和仿真软件结合起来，建立数学模型和仿真平台，以优化系统参数和提高控制性能。
系统稳态和动态性能目标表现是设计电力拖动控制系统的依据。稳态目标反映系统的准确性和可调性，跟随性能中的超调量反映系统的相对稳定性，上升时间反映系统的快速性，抗扰指标中的动态降落反映系统调节性能的快速性。这些可以总结为“稳、准、快”的3个字。在此基础上，需要进行各种冲突的综合处理，包括选择合适的控制规律和方法，对系统进行革新并统筹整个装置的金融性。为提高系统的牢靠性，可以设计直流电动机调速系统，并通过性能指标的测定和分析来判断系统设计的合理可靠性。 直流电机调速系统是高阶系统，其设计较为复杂。在设计时，需要综合考虑各方面因素，选择合理的阶次。设计方法的基本思路是先选择调节器的结构来确保系统稳定性和稳态精度，再选择调节器参数以满足动态性能指标。在双环调速系统的设计中，通常从电流环入手，设计好电流调节器，再将整个电流环作为转速调节系统中的等效环节，设计转速调节器。 为了研究直流调速系统的特性和分析系统的设计要求，可以利用MATLAB进行仿真。在本论文中，设计了双闭环直流调速系统，并将两个调节器都设计为PI调节器。通过仿真分析，探讨直流调速系统的最优控制。
