基于Matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

1、基于Matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真宋友志摘要：本文介紹了基于工程設(shè)計(jì)方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程及參數(shù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Simulink 進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真。最后顯示控制系統(tǒng)模型以及仿真結(jié)果并加以分析。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速環(huán)；電流環(huán)；調(diào)節(jié)器；SimulinkDesignation and Simulation of Double Loop DC Motor Control System Based on MatlabAbstract:This paper introduces a design method

2、of DC system based on engineering, according to its working principle,analyzing the dynamic process and the parameters designation detailedly,modeling and simulating were carried out to the dual closed-loop control system of the direct current motor by using Simulink.In the end,analyzing the simulat

3、ion results.Key words:loop of revolution rate;loop of current;regulator;Simulink一 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)0nnt一般來(lái)說(shuō)，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)1。這種理想的起動(dòng)過(guò)程如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動(dòng)，關(guān)鍵是要有一 個(gè)使電流保持在最大值的恒流過(guò)程。根據(jù)反 圖1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)理想起動(dòng)過(guò)程 饋控制規(guī)律，要控制某個(gè)量，就要引入這個(gè)量的負(fù)反饋。因此很自然地想

4、到要采用電流負(fù)反饋控制過(guò)程。這里實(shí)際提到了兩個(gè)控制階段。起動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。如何才能做到使電流、轉(zhuǎn)速兩種負(fù)反饋在不同的控制階段發(fā)揮作用呢？答案是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2所示。圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識(shí)，采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的反饋通道和輸入端增加了轉(zhuǎn)速濾波、電流濾波和給定濾波環(huán)節(jié)。因?yàn)殡娏鳈z測(cè)信號(hào)中常含有交流成分，須加低通濾波，其濾波時(shí)

5、間常數(shù)按需要而定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制檢測(cè)信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也個(gè)反饋檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)延遲。所以在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號(hào)與反饋信號(hào)同步，并可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，其時(shí)間常數(shù)用表示2。二 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程分析前面已經(jīng)指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要先探討它的起動(dòng)過(guò)程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程如圖4所示。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程也就分為三個(gè)階段，

6、在圖中表以、和。第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓后，通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使、都上升，當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)太快，因而ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值，強(qiáng)迫電流迅速上升。當(dāng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使不再迅速增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動(dòng)過(guò)程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保

7、持電流恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又，n，這樣才能保持=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電流也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計(jì)中必須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時(shí)，但由于積分作用，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)時(shí)，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時(shí)

8、間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)時(shí)，n達(dá)到最大值（t3時(shí)刻）。此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小與的過(guò)程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)?？偵纤觯p閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有三個(gè)特點(diǎn)：l 飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。l 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制。采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有使用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。l 轉(zhuǎn)速必超

9、調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說(shuō)，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。三. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)舉例某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路，基本數(shù)據(jù)如下：1.直流電動(dòng)機(jī)：、，允許過(guò)載倍數(shù)=1.5；2.晶閘管裝置放大系數(shù)：；3.電樞回路總電阻：R=0.5；4.時(shí)間常數(shù)：，；5.電流反饋系數(shù)：；6.轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：。 設(shè)計(jì)要求：靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。在設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)校正的要求，雙

10、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的設(shè)計(jì)與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進(jìn)行，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中可以認(rèn)為外環(huán)對(duì)內(nèi)環(huán)幾乎無(wú)影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個(gè)組成環(huán)節(jié)3。由于典型型系統(tǒng)的跟隨性能由于典型型系統(tǒng)，而典型型系統(tǒng)的抗擾性能優(yōu)于典型型系統(tǒng)，因此一般來(lái)說(shuō)，從快速啟動(dòng)系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)；由于要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)法是建立在頻率特性理論基礎(chǔ)上的，只需將典型系統(tǒng)和典型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性作為調(diào)速系統(tǒng)僅有的兩種預(yù)期特性。工程設(shè)計(jì)的步驟如下：l 對(duì)已知系統(tǒng)的固有特性做恰當(dāng)?shù)淖儞Q和近似處理，以簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。l 根據(jù)具體情況選定預(yù)期特性，即典型系統(tǒng)或典型系統(tǒng)，并按照零極點(diǎn)相消的原則，確

11、定串聯(lián)調(diào)節(jié)器的類型。l 根據(jù)要求的性能指標(biāo)，確定調(diào)節(jié)器的有關(guān)P、I、D參數(shù)。l 畫出相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，并確定有關(guān)RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。l 校驗(yàn)。（一）電流環(huán)的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時(shí)間；（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此??；（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2.確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，而且，因此，電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：4.選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：；電流環(huán)開環(huán)增益：因?yàn)橐?，故?yīng)取，因

12、此于是，ACR的比例系數(shù)為。5.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)電流調(diào)節(jié)器原理如圖5所示，按所用運(yùn)算放大器，取，各電阻和圖5 電流調(diào)節(jié)器原理圖電容值計(jì)算如下：，?。?，??； ，取。6.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率（1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因?yàn)椋詽M足近似條件。（2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足。現(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。（二）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，?。唬?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2.確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成

13、何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：。4.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5，則ASR超前時(shí)間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：；于是ASR的比例系數(shù)為：。5.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示，按所用運(yùn)算放大器，取，各電阻圖6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖和電容值計(jì)算如下：，取；，?。?，取。6.校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率（1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足簡(jiǎn)化條件。（2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。（

14、3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，；而，因此，能滿足設(shè)計(jì)要求。四 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真基于電氣原理圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型4,5如圖7所示。仿真算法為ode23s，Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為2。仿真波形如圖8所示。圖7 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電氣原理仿真模型圖8 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形五 小結(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過(guò)程波形的。按照ASR在起動(dòng)過(guò)程中的飽和情況，可將起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過(guò)流自動(dòng)保護(hù)和及時(shí)