转速电流双闭环直流调速系统转速调节器仿真模型

资 源 简 介

本项目致力于构建直流调速系统中关键的转速调节器（ASR）的数学模型与仿真环境。作为双闭环控制系统的外环部分，转速调节器的核心任务是根据给定的目标转速信号与实际转速反馈信号的偏差进行动态处理，其输出直接作为电流调节器（ACR）的输入给定。实现方法通过MATLAB/Simulink平台搭建带有限幅控制和抗积分饱和机制的PI（比例积分）控制模块，能够模拟直流电机在启动、平稳运行以及在突加负载情况下的动态调速特性。该项目详细分析了ASR在不同参数配置下的响应速度、超调量以及稳态精度，确保了电机在启动过程中能够以最

详 情 说 明

转速电流双闭环直流调速系统仿真项目

项目介绍

本项目实现了一个高性能的直流电动机双闭环调速系统仿真环境。系统采用级联控制结构，外环为转速调节器（ASR），内环为电流调节器（ACR）。该模型不仅能够模拟直流电机在启动过程中的恒流加速特性，还能精确反映在稳态运行及受到转矩扰动时的动态响应过程。通过在算法实现中引入限幅与抗积分饱和机制，该仿真能够有效地保护电机硬件免受过载电流的影响，并克服数字控制系统中常见的积分漂移与饱和引起的系统超调问题。

功能特性

1. 双闭环串级控制：完整模拟了以转速为主导、电流为核心约束的控制逻辑，实现转速无静差且电流动态跟随。
2. 抗积分饱和控制：在ASR和ACR的PI调节中均集成了饱和处理逻辑，确保系统在达到电流临界值或最高电压时，积分项能自动停止累加并修正，从而加快系统的退饱和响应速度。
3. 动态负载模拟：程序预设了在特定时间点突加负载转矩的场景，用于验证调速系统在复杂工况下的鲁棒性和抗扰动能力。
4. 物理特性精细建模：基于电磁时间常数和机电时间常数构建等效电机方程，并结合欧拉法进行离散化迭代计算，确保波形平滑且符合物理规律。
5. 多指标自动化评估：仿真结束后自动计算并输出最大超调量、稳态误差以及突加负载后的动态速降，直观评估控制系统优劣。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 依赖工具：基础运算函数库，无需额外的专业工具箱。

核心实现逻辑

仿真系统按照时间序列的离散步进方式运行，每一步迭代均遵循以下控制逻辑：

1. 参数初始化阶段

系统首先定义了直流电机的物理参数，包括额定电压、电流、转速以及电势系数。控制参数部分设定了ASR与ACR的比例系数与积分系数，并根据硬件限制设置了严苛的输出限幅值。

1. 转速外环（ASR）运算

系统采集当前转速反馈信号并与给定目标转速进行比较。转速偏差经过带有抗饱和处理的PI控制器运算，输出的结果被限制在预设的电流最大值之内。这一限幅输出直接作为电流内环的指令值，确保了启动阶段电流被锁定在最大允许值。

1. 电流内环（ACR）运算

电流环根据转速环提供的参考指令与电机电枢回路的实际电流反馈进行偏差计算。通过高频PI调节，输出对应的电枢电压控制信号。该信号同样设置了0至额定电压的硬限幅，以模拟整流器单元的物理极限。

1. 电机物理模型迭代

利用欧拉数值分析法求解描述电机特性的常微分方程： 电枢电流的变化率取决于控制电压、反电势与电阻压降的差值。 转速的变化率则取决于电磁转矩与负载转矩之差，结合转动惯量（机电时间常数）进行积分计算。 系统通过高频采样间隔更新电流与转速的状态变量，从而反映连续的物理演变过程。

关键算法与实现细节分析

1. 离散化PI调节算法

程序中没有直接使用传递函数，而是将PI控制逻辑在时间步长内进行显式计算。比例环节（P）负责快速响应偏差，积分环节（I）则通过累加偏差来消除稳态误差。

1. 抗积分饱和（Anti-Windup）机制

这是该项目的核心算法细节。当调节器的输出达到设定的上限（Limit）时，程序会立即从积分项中减去当前步长的积分增量。这种逻辑防止了在限幅状态下积分项盲目增加，避免了系统在退出饱和区时产生巨大的时间滞后，从而将启动超调量控制在极小范围。

1. 多时间常数补偿

模型充分考虑了电枢回路的时间常数（Tl）和机械轴系的惯量常数（Tm）。在数值求解过程中，基于这些常数对微分变量进行了权重配置，使其更接近真实晶闸管供电的直流调速系统响应特性。

1. 反馈信号归一化

程序通过转速反馈系数和电流反馈系数，将物理量（r/min, A）转化为统一的控制电压信号进行计算，模拟了真实工业控制柜中变送器的电压变换过程。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，进入该项目所在的文件夹目录。
2. 在命令行窗口直接输入该脚本的名称。
3. 运行后，系统将自动弹出三维坐标图示，分别展示转速跟随响应、电流跟踪情况以及转速偏差变化趋势。
4. 观察命令行输出的动态性能指标结果，评估当前PID参数是否满足设计需求。