直流双闭环调速系统.doc

目录
摘要.........................................................2
关键词.......................................................2
１引言.......................................................2
２双闭环调速系统的原理.......................................3
３双闭环调速系统的优点．．．...................................4
４转速、电流双闭环控制系统．.................................5
５电流环与转速环的设计．．．．．．．．．．......................8
６双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真......................13
７小结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
参考文献...................................................17

基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计

摘要：本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于PID控制的转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。
关键词：双闭环控制系统；Simulink；电流控制环；转速控制环；
1.引言
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，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。
近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。
2.直流双闭环系统的原理
ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。
ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。
3双闭环调速系统优点
一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。如图2所示。
0
n

n
t

图1理想启动过程
图2 双闭环直流调速控制系统原理图

图3 双闭环直流调速系统动态结构图
参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图3所示。
4转速、电流双闭环控制系统
t
Id
O
t
Id
O
n
IdL
n
Idm
Idcr
n
IdL
n
Idm

a带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b理想的快速起动过程
图4 直流调速系统的电流、转速启动特性曲线
双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统在突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图5所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
第Ⅰ阶段：0～t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当Id≥Idl后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压∆Un=－Un数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流Id迅速上升。当时，，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。
第Ⅱ阶段：t1～t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n↑→↑→↑，这样才能保持=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。
第Ⅲ阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，，，但由于积分作用，，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，，，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。
n
O
O
t
t
Idm

Id

I
II
III
t4
t3
t2
t1

图5转速和电流的过渡过程
综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：
1饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。
2准时间最优控制。Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。
3转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。

5电流环与转速环的设计
在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节[3]。由于典型Ⅰ型系统的跟随性能由于典型Ⅱ型系统，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能优于典型Ⅰ型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型Ⅰ型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型Ⅱ型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型Ⅰ系统和典型Ⅱ系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：
1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。
2根据具体情况选定预期特性，即典型Ⅰ系统或典型Ⅱ系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。
3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。
4校正
5.1电流环的设计
设计分为以下几个步骤：
一、电流环的简化：

图6简化后电流环
按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。
τi=Tl，Ki=（KiKsβ）÷(τiR)
动态结构图

Id(s)
+
-

图7动态结构图
L/dB

-20dB/dec
-40dB/dec
0

图8开环对数幅频特性
二、确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间；
（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有，因此取；
（3）电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。
三、确定将电流环设计成何种典型系统
根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型Ⅰ型系统设计。
四、电流调节器的结构选择
电流调节器选用PI型，其传递函数为：
五、选择电流调节器参数
ACR超前时间常数：；
电流环开环增益：因为要求，故应取，因此

于是，ACR的比例系数为。
六、计算电流调节器的电路参数

图9 电流调节器原理图
电流调节器原理如图9所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：
，取；
，取；
，取。
七、校验近似条件
电流环截止频率
（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足。因为，所以满足近似条件。
（2）校验忽略反电动势对电流环影响是否满足。现在，满足近似条件。
（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。
5.2转速环的设计
一、转速环的简化：
IdL(s)
U*n(s)
a
n (s)
+
-
ASR
CeTms
R
Id (s)
a /b
TSns+1

+
-

图10简化后的转速环
二、确定时间常数：
（1）电流环等效时间常数为；
（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取；
（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。
三、转速环设计系统：
由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。
四、转速调节器的结构选择
转速调节器选用PI型，其传递函数为：。
五、选择转速调节器参数
按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数：；
转速开环增益：；于是ASR的比例系数为：。
六、计算转速调节器的电路参数
转速调节器原理图如图6所示，按所用运算放大器，取，各
电阻和电容值计算如下：
，取；
，取；
，取。

图11转速调节器原理图
七、校验近似条件
转速环截止频率
（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足。现在，满足简化条件。
（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。
（3）校核转速超调量。
当h=5时，；而，因此，
能满足设计要求。
6双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
一、绘制原理仿真模型

图10 直流双闭环控制系统的电气原理仿真模型
二仿真波形图

图11双闭环直流调速系统仿真波形
7小结
双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。
致谢：
这次实验是最后一个课程设计了,通过这次实验是我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理,也是我知道了一些他在工业中的一些应用,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。在设计之初，我不知道该如何来完成这次的的课程设计，但经过努力终于还是完成了，要感谢我的指导老师在设计课程是给了我很大的帮助，同时还要感谢给我帮助的同学！
参考文献：
1、莫正康，机械工业出版社，《电力电子技术》（第三版）；
2、石玉，栗书贤，王文郁，机械工业出版社，《电力电子技术题例与电路设计指导》（2009）；
3、钱平，赵金荣主编，高等教育出版社，《电气自动化控制类大学生职业技能培训教材》（PLC应用技术及电气传动应用技术卷）（2005-6-1）；
4、黄绍平，李永坚，工矿自动化，《基于MATLAB的直流电动机斩波调速系统仿真研究》， 2005年2月第1期；
5、高玉奎，中国电力出版社，《电力电子技术问答》；（第１版）
6、户宴如，耿苏燕，高等教育出版社，《模拟电子技术》（第２版）
16