陶冠男

（沈陽大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

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

陶冠男

（沈陽大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

研究了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照由內(nèi)到外的順序分別設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.為使系統(tǒng)無靜差，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均選為PI調(diào)節(jié)器.在用Simulink仿真的過程中，對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了整定，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).通過仿真曲線，說明了設(shè)計(jì)的合理性.

雙閉環(huán)直流調(diào)速；PI調(diào)節(jié)器；參數(shù)整定；Simulink

直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng).現(xiàn)在直流調(diào)速理論發(fā)展得比較成熟，但要真正設(shè)計(jì)好一個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)并應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)卻有一定的難度［1］.

本文基于Simulink對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，合理選擇電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行了整定.在文獻(xiàn)［2－4］中，只是通過仿真曲線對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，而本設(shè)計(jì)是在參數(shù)整定的基礎(chǔ)上得到仿真曲線，并列出多組數(shù)據(jù)進(jìn)行說明.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)：從內(nèi)環(huán)開始 ，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展.先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器［2］.

穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求：系統(tǒng)無靜差.動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求：空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%，電流超調(diào)量σi≤5%.

2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

帶有電流、轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)屬多閉環(huán)系統(tǒng)，一般采用由內(nèi)到外一環(huán)包一環(huán)的形式，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，設(shè)有電流調(diào)節(jié)器ACR，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，設(shè)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)［5］.電流環(huán)接受速度環(huán)的輸出作為控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電流以滿足既能控制電動(dòng)機(jī)以較快的速度跟蹤參考速度，又不至于產(chǎn)生過流現(xiàn)象損壞電動(dòng)機(jī)，這種結(jié)構(gòu)為工程設(shè)計(jì)以及調(diào)試工作帶來相當(dāng)大的方便.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.圖1中，給定電壓U＊n＝10 V，晶閘管放大系數(shù)Ks＝40，晶閘管失控時(shí)間Ts＝0.001 7 s，電樞回路總電阻R＝0.5Ω，電磁時(shí)間常數(shù)Tl＝0.03 s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm＝0.18 s，電動(dòng)勢常數(shù)Ce＝0.132 V·min／r，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α＝0.007 V·r／min， 電 流 反 饋 系 數(shù)β＝0.083 V·r／min.

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of double－loop direct current control system

3 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

3.1 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)

（1）電流環(huán)的設(shè)計(jì)原理.由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加給定時(shí)，不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好［6］.反電勢對(duì)電流環(huán)來說，只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認(rèn)為E基本不變，可以不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋?zhàn)饔脭嚅_，使電流環(huán)結(jié)構(gòu)得以簡化.

（2）電流調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu)選擇.為了使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)上做到無靜差以獲得理想的堵轉(zhuǎn)特性，動(dòng)態(tài)上保持電動(dòng)機(jī)電樞電流不超調(diào)，保證系統(tǒng)的跟隨性，因此選擇PI調(diào)節(jié)器，既滿足了動(dòng)態(tài)要求，又消除了靜態(tài)誤差.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

（3）電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)整定.固定轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)，調(diào)整電流環(huán)內(nèi)部參數(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)，得出電流調(diào)節(jié)器最合適的參數(shù)，即Kpi＝0.8，τi＝0.027 5，σi＝4.2%，滿足要求.如表1和表2所示.

表1 固定參數(shù)τi＝0.027 5，調(diào)整Kpi的值Table 1_Adjusting the value of Kpi，whenτi＝ 0 . 0 2 7 5

表2 固定參數(shù)Kpi＝0.8，調(diào)整τi的值Table 2_Adjusting the value ofτi，when Kpi＝0.8

3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計(jì)

（1）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)原理.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)的目的是為了控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化.

（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu)選擇.為達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)減小轉(zhuǎn)速誤差，采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差.采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào).ASR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與ACR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，即

（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)整定.固定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi＝0.8，τi＝0.027 5，調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpn，τn的值.通過多次實(shí)驗(yàn)，固定其中一個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)另一個(gè)參數(shù)，得到的數(shù)據(jù)如表3和表4所示.通過比較，得Kpn＝6.7，τn＝0.087時(shí)，σn＝9.3%為最合適值.

表3 固定參數(shù)τn＝0.087，調(diào)整Kpn的值Table 3 Adjusting the value of Kpn，whenτn＝0.087

表4 固定參數(shù)Kpn＝11.7，調(diào)整τn的值Table 4 Adjusting the value ofτn，when Kpn ＝11.7

綜上所述以及從各數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：當(dāng)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi＝0.8，τi＝0.027 5，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) Kpn＝6.7，τn＝0.087時(shí)，σi＝4.2%＜5%，σn＝9.3%＜10%.因此，可以找到合適的參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

4 仿真結(jié)果

利用MATLAB下的Simulink軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，在仿真模型中，調(diào)整PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，得到超調(diào)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都達(dá)到要求的仿真曲線.

（1）選擇最合適的參數(shù)，即電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi＝0.8，τi＝0.027 5，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) Kpn＝6.7，τn＝0.087時(shí)，得到最后的系統(tǒng)仿真模型如圖2所示.

（2）仿真曲線.轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖3所示，電流仿真曲線如圖4所示.

圖2 系統(tǒng)仿真模型Fig.2 System simulation model

圖3 轉(zhuǎn)速仿真曲線Fig.3 Simulation curve of speed

圖4 電流仿真曲線Fig.4 Simulation curve of current

（3）仿真結(jié)果分析.對(duì)于帶有電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用Simulink的仿真，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，找到一組合適的數(shù)值，即電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi＝0.8，τi＝0.027 5，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpn＝6.7，τn＝0.087時(shí)，使得轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%，電流超調(diào)量σi≤5%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié) 語

對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于快、準(zhǔn)、穩(wěn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的串級(jí)控制，最后利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真.經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出，在調(diào)節(jié)ACR和ASR的參數(shù)過程中，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)ACR的參數(shù)時(shí)并不能使系統(tǒng)達(dá)到要求，只有兩個(gè)調(diào)節(jié)器共同調(diào)節(jié)，才能使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

［1］ 王果，朱大鵬.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法仿真［J］.電機(jī)技術(shù)，2005（3）：23－25.

［2］ 姚建紅，戴琳，厲立國.基于 Matlab／Simulink的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，24（4）：521－523.

［3］ 劉德志.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真［J］.裝備制造技術(shù)，2010（8）：27－29.

［4］ 王祖亮，侯北平.基于Simulink的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（1）：7－9.

［5］ 黃忠霖.控制系統(tǒng) MATLAB計(jì)算及仿真［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：275－284.

［6］ 薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：145－155.

Design of Double－loop Direct Current Control System based on Simulink

TAOGuannan
（School of Information Engineering，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The structure of double closed－loop DC motor control system was studied.According to the system structure，the current regulator and the speed regulator were designed in accordance with the order from the inside to the outside.To make the system has no static error，PI regulator was chosen.In the course of the simulation based on Simulink，the controller parameters were tuned to make the system steady.The rationality of the design was shown through the simulation curve.

double closed－loop DC motor；PI regulator；parameter tuning；Simulink

TM 33

A

1008－9225（2012）01－0035－03

2011－05－30

陶冠男（1987－），女，遼寧鞍山人，沈陽大學(xué)碩士研究生.

劉乃義】