直流双闭环调速系统的设计与仿真.docx

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直流双闭环调速系统的设计与仿真

１　绪论

当今社会电机是非常重要的。

因为它与人们日常发电和用电是密切相关的,它实现了机械能与电能之间的相互转换,国内各方面都不可缺少的重要设备。

通过研究电机转速控制方面的技术,不但能满足工业生产需要、而且可以提升能源的利用率,对国家的经济发展有着很大的作用。

１.1　电机调速系统控制及其分类

电机可以分为两大类：

直流电机和交流电机。

直流电机在电机的运行和控制方面的优势比较突出，所以直流调速系统在很多方面一直有着无可代替的位置。

特别是高性能的调速系统在很多工业领域都占据着重要的位置。

而且直流调速系统也是其他调速系统的基础,想要开发新的调速系统必须先发展直流调速系统。

如现在的智能调速系统，也是先以直流调速系统为基础来进行研究的。

直流调速系统的应用是相当广泛的，特别是在数字采集与计算机的控制方面的应用是无可厚非的,因为其控制算法对于控制系统起着非常重要的作用。

虽然直流电机在调速方面是比较优秀的,但是它也是存有弊端的，那就是换向器的存在。

因为这样会使直流电机的使用时间减少,而且需要经常的去维护电机,这样造成的麻烦也是相当多的,所以这也是直流调速系统的不足之处。

而交流电机其构造比较紧凑，而且安装与维护都是比较简单的，没有直流电机那么繁琐，所以正因为具有这些优点，所以这些年来许多大型企业都开始向交流电机调速系统方面研究。

在当今社会竞争是相当激烈的,所以只有质量可靠才能得到消费者的信赖。

所以由于消费者的需求不断提升，随之给工业的生产也带来了很大的困扰。

因为生产的过程在不断的复杂化,所以生产系统也不可避免的会遇到非线性情况。

虽然在很多时候我们都可以用线性代替非线性,这样的话只需研究线性模型就比较简单了。

然而在很多情况下线性模型是不能够代替非线性模型的,人们需要系统的真实非线性模型，所以我们需要去建立和研究非线性模型,当然这比线性模型会繁琐很多。

1．1.1调速控制系统的发展现状及其应用

由于直流调速系统自身的特点,即调速的性能优越、起动时的转矩比较大。

所以一直以来都被普遍的用于需要电机调速性能好的与起动性能高的领域。

因为直流电机能够分别控制电枢电流与励磁电流，所以它能够做到对转矩与磁通的完全解耦控制。

直流电机的电磁时间常数比较小,这样使电枢电流能够快速的改变,从而使得电磁转矩能够达到快速响应。

不过,因为机械换向器的存在，使得直流电机中存在着比较明显的换向电流与速度的限制，这样导致了直流电机很难能够使用在腐蚀性较强与易燃易爆的场合。

伴随着各种微处理器的问世与发展,很多国家在直流电机调速系统技术方面的研究也在不断的进步,特别是上个世纪八十年代,达到了前所未有的境界。

当今的国外电气企业大致主要有:

德国的西门子公司、日本的三菱公司、东芝公司、瑞典的AＢB公司、美国的GE公司等,均已开发出数字直流调速装置,有很多成熟的应用产品供选用。

在国内，数字式直流电机调速系统也是有很大的市场需求。

科研单位、大专院以及企业单位等，都在研究开发高性能的直流电机调速系统装置。

大型的直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现。

为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究。

如Garcia和Moｒari于80年代初提出内模控制的算法,由于它的设计原理简单、参数整定直观明了、鲁棒性强、控制性能好,在控制系统中得到广泛应用；文提出用I-P控制器取代ＰI调节器的方法，它可以减小转速超调;张井岗等人依据内模控制原理，提出了直流电动机调速系统的内模控制方法,针对直流双闭环电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PＩ调节器，成功解决了转速超调问题,能使系统获得优良的动态和静态性能;自适合PID算法和模糊PID算法等也是针对晶闸管触发脉冲的控制提出的改进算法,并得到广泛运用。

另外，姚勇涛等人依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，提出了直流电动机及直流调速系统的参数辨识的方法,所获得的参数具有较高的精度,方法简便易行。

朱新波基于模糊神经网络控制技术，设计了一种无刷直流电机的数字调速控制策略，具有很强的模糊推理和自学习能力，取得令人满意的动静态性能效果,具有很强的鲁棒性和自适应性,为无刷直流电机的智能控制提供了新的理论依据。

孙昌志等提出了一种基于嵌入式操作系统的无刷直流电机模糊控制系统设计方法，将模糊控制和PIＤ控制通过自适应因子结合,在线自调整控制参数，提高了系统的控制精度且具有良好的动态性能。

归纳目前大量应用的调速控制系统，并对技术发展和应用需求进行全面分析之后,我们可以总结下列发展趋势:

（１）高频化。

在功率驱动装置中,低频的半控器件——晶闸管在中小功率范围将会被高频的全控器件——大功率晶体管所代替，这既可调提高性能，又可改善电网的功率因素。

（2）交流化。

由于交流电机本身的优势,交流调速系统取代直流调速系统已成为一种不可逆转的趋势。

随着交流调速系统成本的逐步降低,不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代；而且,大量的原来恒速运行的交流传动系统将被改为交流调速系统,原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域,也将采用交流调速系统。

（3）网络化。

微型处理器的研究与发展,使得数字式控制器更加的灵活简单，其同时也为联网提供了可能。

伴随着系统的规模不断扩大和系统的复杂性渐渐提高,单机控制系统不断减少,取而代之的则是大规模多机协同工作的高度自动化系统，这就需要计算机网络的支持,传达设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上,实现集中或分散的生产过程实时监控。

（4）智能化。

借助于数字和网络技术，智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面,例如:

模糊控制、神经网络控制等。

各种智能观测器和辨识技术应用于电机控制系统中,大大改善了控制系统的性能，为电机控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能。

1.１.2　调速控制系统的计算机仿真

调速控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性新型学科。

它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具,对系统进行实验研究的一种方法。

系统仿真就是用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究,而计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型。

因此，凡是要用模型进行实验的，几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统的工作特点、选择最佳参数和设计最合理的系统方案。

伴随着计算机技术的不断发展，计算机仿真渐渐地取代了纯物理仿真,其为控制系统的计算分析、研究综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。

当前比较实用的控制系统的仿真软件是ＭＡＴLAB，使用该仿真软件对控制系统进行计算机仿真的主要方法是:

以控制系统的传递函数为基础,使用MATLAB的Simulｉnk工具箱对其进行计算机仿真研究。

ＭAＴLAB软件由于其强大的功能，早己被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中,成为一种必需的工具。

使用MATLAB软件对各种调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期。

直流电机调速系统仿真研究的内容包括系统的建模、性能分析、算法设计和优化参数等几个方面。

算法设计是仿真的一项重要应用。

研究者们可以通过仿真实现各种算法的控制器设计,利用仿真还可以优化系统参数。

就调速系统的MＡTLAB建模方式而言，主要有三种类型，即基于系统传递函数建模、面向电气原理图结构建模和编制MATLAB语言源程序建模。

其中前两种是在MATLAB/Simulink集成环境下建模。

这几种方式各有特点，研究者大多使用基于系统传递函数的建模方式。

这种方式建模依据系统各部分的传递函数直接建模,运行仿真的时间一般很短，往往在一两秒之间即出结果，非常快捷。

近年来,面向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法得到了越来越多的应用,以此进行各种直流调速系统的仿真，该方法由于使用了Simuｌink/PｏｗeｒSystem工具箱中的电力模块,所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统的电气原理图结构相似,很直观;但系统模型规模较大,仿真时间较长。

由于MＡTLAB软件能够很好地对直流电机调速系统进行仿真,因此在本论文中,利用MATLAB特别是Ｓimuｌink工具箱，构建直流电机调速系统的仿真模型，对直流调速方法的仿真实现、性能分析和算法设计做了深入的研究。

在研究方法上，考虑到上述提到的几种仿真方式的特点,进行了多种方式的仿真研究。

1.1.3　　直流调速控制系统的技术指标

不同的生产机械,因生产工艺的不同,对直流电机调速控制系统的性能指标要求也有所不同,归纳起来有下列三个方面:

（1）调节转速。

在允许的最低转速与最高转速的范围内，无级或者有级的调节转速。

（2）稳定转速。

以一定的精度在要求的转速上稳定运行,不因各种可能的外来扰动（负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。

（3）加速与减速的控制。

对频繁启、制动的设备要求尽可能快地加、减速,缩短启、制动时间,以提高生产效率；对不宜经受剧烈速度变化的机械，则要求启制动尽可能的平稳。

１．2　　MAＴLＡB仿真

MATLAB主要由ＭATＬAB主程序、MAＴLAB工具箱和Ｓimulinｋ动态系统仿真三大部分组成。

其中主程序包括ＭATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五部分；工具箱实际就是用ＭAＴLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库,用于解决某一方面的特定问题,实现某一类的新算法；Simｕｌink是一个用于动态系统建模、仿真和分析的集成软件包，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统,并能动态地控制该系统。

目前的Sｉmｕlink不仅可以进行线性系统仿真，也可以进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续一离散时间系统的仿真,它还支持多制采样率的系统仿真；此外，Simulｉｎk能够用MＡＴＬAB本身的语言、Ｃ语言或是FORTＲAN语言，根据S函数的标准格式写成用户自定义的功能模块。

1.2．1MＡTLＡB/Siｍulink建模特点

ＭATLAＢ软件因为它非常强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱,己成为国际控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工具软件。

长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上,即建立准确而快速地仿真模型是至关重要的。

然而MATＬＡB所提供的动态系统仿真工具Ｓimuｌink,是众多的仿真软件中功能最强大、最容易使用的一种。

通过Simｕlink,从而将系统进行建模变得非常简便,且仿真的过程是交互的，因此，可以很随意地改变仿真参数,并且立即可以得到修改后的仿真结果。

另外，使用MATLAB中的各种分析工具,还可以对仿真结果进行分析和可视化。

其能够建模和仿真的对象的类型非常广泛,可以是电子的、机械的等现实存在的实体，也可以是理想的系统,可仿真的动态系统复杂性可大可小,可以是连续的、离散的或混合类型的。

最近几年，随着计算机仿真软件的发展，调速系统的数学建模及其稳态性能和动态性能的仿真分析己成为对电机系统研究的一个重要方面。

运用ＭＡＴＬAB中的电力系统模块库可以将电气传动控制系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合，因此运用MATLAB／Ｓiｍｕｌｉnk来建立准确而有效的调速仿真模型是非常有必要的。

运用MATLAＢ/Ｓimｕlｉｎk来建立的调速系统的模型,其通用性强、构造模型简单、修改参数容易、界面友好、功能强大等优点，适宜于系统动态分析，减少了重复劳动,对分析和设计有较高的实用价值。

1.2．2Ｓimｕｌｉnk模块简介

Sｉｍｕｌinｋ是ThｅMａthWｏrks公司于1990年推出的产品，是在MATLAB环境下建立系统框图和仿真的模块库。

其中“Sｉmu”这个词是表明它可以通过计算机模拟,而"Link”这个词是表明它能够进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。

正是由于Siｍulinｋ的这两大功能和特色，使它成为仿真领域首选的计算机环境。

Siｍulｉnｋ环