双闭环直流调速系统建模Word版.docx

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双闭环直流调速系统建模Word版

《电力电子及电机拖动控制系统的仿真》课程论文（2016—2017学年第二学期）

（双闭环直流调速系统建模）

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摘要

Simulink挂接在MATLAB的首页面上，它以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。

Simulink原本是为控制系统仿真而建立的工具箱，在使用中由于它易编程，易拓展，并且可以解决一般难以解决的非线性、变系数等问题；支持线性和非线性系统的仿真，连续系统和离散系统的仿真，以及连续系统和离散混合系统的仿真，并且系统中可以有多重采样频率，也就是不同采样频率的系统可以组合，因此可以仿真规模较大、较复杂的系统。

本文在分析双闭环直流调速系统工作原理的基础上，引入Simulink仿真，采用工程设计方法设计转速-电流调节器，给出面向动态结构图和电气原理图的建模和仿真，最后给出了系统性能优化的方案。

仿真结果满足设计要求，验证了理论设计方法的有效性。

关键词：

Simulink仿真；双闭环直流调速系统；转速-电流调节器

双闭环直流调速系统建模

1.选题意义

在工业生产中,需要高性能速度控制的电力拖动场合,直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。

转速、电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型调速系统。

70年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。

双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。

它通过转速和电流两个调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统。

从而有效的改善电机性能，使电机特性曲线变硬，以满足复杂环境下对电机性能的要求。

20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。

因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。

直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。

但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：

第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。

第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。

当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。

这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。

目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式伺服系统。

本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，

通过调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。

根据本实验题目的情况，宜从以下三个方面分析：

1.直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型

2．双闭环直流调速的工程设计

3．应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正

本实验题目所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。

该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。

但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。

按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。

转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。

可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。

由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。

因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。

因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

关于工程设计：

直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。

本设计利用准时间最优准则对系统的工程设计方法进行了分析。

设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次。

工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。

应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。

2.系统工作原理

转速-电流双闭环直流调速系统的结构如图1所示。

系统转速的给定信号与反馈信号的差值输入到转速调节器ASR，ASR的输出作为转矩的控制信号，其输出与电流反馈据信号的差值作为ACR的输入，其输出通过整流器的触发装置去控制电枢电压。

启动时，加入给定电压Un*，ASR以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速，并在出现超调后，ASR退出饱和，电枢电流下降，经过两个调节器的综合调节，最终使系统稳定下来。

图1转速-电流双闭环调速系统

对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：

（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或平滑（无级）地调节转速；

（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；

（3）加、减速——频繁启、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求启、制动尽量平稳。

为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。

这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。

（1）调速范围——生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围D,即:

式中：

为电动机额定负载时的最高转速

为电动机额定负载时的最高转速

（2）静差率——当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落与理想空载转速之比，称作静差率s，即转速变化的相对值：

或用百分数表示：

显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。

如果电动机机械特性很软，转速降落大，则静差率大，表示系统对转矩变化太敏感，即转速的稳定性差。

它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。

然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。

一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是相互平行的，对于同样硬度的特性，即：

；理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。

由此可知，调速范围和静差率这两项指不能相互独立的调节的，必须同时进行考虑才有意义。

在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。

如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。

因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。

（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系——在直流电动机调压调速系统中，一般以电动机的额定转速最高转速，若额定负载下的转速降落为，则按照上述分析结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即：

故得：

而调速范围为：

将的表达式代入上式，得：

上式表明调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。

对于同一个调速系统，它的特性硬度或值是一定的，由上式可得，如果对静差率要求越高，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。

3.仿真模型构建和参数设计

基于晶闸管供电的双闭环直流调速系统，系统给定数据如下：

额定电压220V，额定电流55A，额定转速1000r/min，电动势系数Ce=0.1925V·min/r，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置放大系数Ks=44；电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢时间常数=0.017s，励磁时间常数=0.075s；电流反馈系数β=0.05V/A（≈10V/1.5），转速反馈系数。

设计要求：

①稳态指标：

无静差；②动态指标：

电流超调量，转速超调量。

3.1电流调节器设计

为保证稳态电流无差，按典型I型系统设计，采用PI调节器。

设整流装置采用三相桥式电路，平均失控时间为，取电流滤波时间常数，则电流环小时间常数为；电流调节器超前时间常数：

；要求时，取，则电流开环增益，因此，ACR的比例系数：

电流调节器的传递函数为：

3.2转速调节器设计

由于转速稳态无差，并依据动态要求，转速环按典型II型系统设计，也采用PI调节器。

设转速滤波时间常数，转速环滞后时间常数为：

选中评断宽度h=5，ASR的超前时间常数为：

转速环的开环增益：

则ASR的比例系数为：

转速调节器的传递函数为：

在转速-电流调节器的设计过程中，对晶闸管整流装置近似条件、忽略反电动势对电流环影响的条件、电流环传递函数简化条件以及小时间常数环节近似处理条件进行了校验，校验结果满足近似条件。

4.仿真结果与分析

4.1面向系统动态结构图的仿真及结果分析

根据双闭环直流调速系统的动态结构图，基于MATLAB的Simulink工具箱以及电力系统工具箱自带的饱和限幅的PI调节器模块建立系统仿真模型，如图2所示。

图2面向动态结构图的双闭环调速系统仿真模型

当给定电压为10V时，直流电动机空载启动，0.8s时突加60%的额定负载，系统转速和电流相应曲线如图三所示。

有曲线可知，电动机启动过程历经电流上升、恒流升速、转速调节三个阶段后趋于稳定空载转速。

启东市，在ACR的作用下电枢电流接近最大值，电动机转速以准时间最优准则开始上升，0.2s时转速超调，电流很快下降，0.4s时达到稳态，稳态转速为电动机额定转速1000r/min；电流超调量、转速超调量，满足设计要求。

0.8s时突加60%的额定负载，转速先下降后上升并很快稳定下来，恢复到给定值。

与此同时，电流迅速上升到负载电流。

转速最大动态降落为6.5%，恢复时间为0.16s，验证了闭环控制系统具有良好的抗干扰性。

图3面向动态结构图的双闭环调速系统仿真系统曲线

4.2面向系统电气原理图的仿真结果及分析

基于MATLAB的Simulink工具箱以及电力系统工具箱建立系统面向电气原理图的仿真模型，如图4所示。

该模型由三相交流电源、三相晶闸管整流桥、同步6脉冲触发器、直流电动机、平波电抗器、给定电压、转速PI调节器、转速滤波和转速反馈等环节组成，这样的仿真更接近于实际系统。

图4面向电气原理图的双闭环调速系统仿真模型

当给定电压为10V时，直流电动机空载启动，0.8s时突加60%的额定负载，系统转速和电流响应曲线如图5所示。

由曲线可知，电动机在空载条件下近似恒流升速，在0.18s左右上升到给定转速并超调，转速超调量

，经过0.2s左右系统转速很快稳定下来，满足设计要求。

0.8s时突加60%的额定负载，转速先下降后上升并很快稳定下来，调节时间0.12s左右，最终实现了转速稳态无静差。

图5面向电气原理图的双闭环调速系统仿真曲线

4.3系统性能优化

通过对以上仿真分析可知，双闭环直流调速系统李永乐转速调节器ASR的饱和非线性实现了准时间最优控制，但同时带来了转速超调，由此可以分析出转速超调产生的原因，并通过查阅文献，提出了解决的方法，进而通过计算机仿真验证。

通过查阅文献可知，抑制转速超调的方法主要有：

转速微分负反馈、转速积分分离PI控制、转速内模控制以及智能控制方法。

本文以第二种方法进行转速超调的抑制。

传统PI调节器存在快速性和退饱和超调大的矛盾，转速调