串级控制系统设计及仿真

图2
电流环的建立
图中的 ASR 也采用 PI 调节器，于是双闭环直流调速控制系统原理图如下图：
3~
L
Ui
* Un
ASR
U i* Un
ACR
U ct
M
n
图3
双闭环直流调速控制系统原理图
TG
速度调节器 ASR 的基本功能：在起动期间或者输入给定信号幅值过大时产 生饱和，在其他期间不应产生饱和（其他场合除外）。ASR 的饱和隔绝了外环 对内环的干扰，使系统在起动期间表现为仅有一个电流环的特点，达到了在起 动期间恒流起动的目的。电流调节器 ACR 的功能：在图 3 所示情况下的任何时 间内都不能产生饱和（其他场合除外）。 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 4 所示。
电流反馈系数：
U im 10 0.0095 V/A I dm 1050
选取电流反馈滤波时间常数：
Tfi 0.002
选取转速最大给定值：
* U nm 10V
* U nm 10 0.01 V /(r. min1 ) nnom 1000
得到转速反馈系数：
取转速反馈滤波时间常数：
五、总结 通过本次课程设计作业的完成，我加深对串级控制系统的认识和理解，以 及简单系统模型的建立方法，复习巩固了以前所学习的知识，同时进一步学习 掌握了 Matlab 中 Simulink 组件在自动控制领域建模仿真的方法，为以后的学 习工作打下一定基础。本次作业的完成尚有不足，最后得到的波形中，在电动 机本应恒流升速的过程中，不知哪处做得不对，恒流没能实现，电流呈现下降 趋势，希望关老师能够帮助指正，在此提前表示感谢。同时，也非常感谢关老 师在一学期中，放弃周日与家人团聚的美好时光，来到学校对我们传道授业， 十分敬佩您的敬业精神。祝关老师身体健康、家庭和美、工作顺利。
三、系统参数的计算与整定 (1) 系统参数计算。 固有参数包括如下内容。 电势常数：
Ce
U nom I nom Ra 220 700 0.05 0.185 V /(r m im1 ) nnom 1000
Ce 0.185 0.18kg .mA 1.03 1.03
转矩常数：
图1
电流环的建立
图中电流调节器 ACR 一般采用 PI 调节器，因为 PI 调节器动态 GAIN 增益小， 容易稳定；静态增益大，容易满足生产工艺的稳态指标要求。在 ACR 后面将信 号传输给晶闸管之前装有一个可调限幅器。这样电流环的基本原理搭建完成。 为了满足起动结束后的要求，应该引入转速负反馈。根据多环组合定理，因为 转速的延迟时间要比电流的延迟时间长，所以转速反馈建在电流环外面，因为 电流出现的时间早于转速。电流环的建立如下图：
WASR K n
ns 1 ns
根据典型 II 系统设计可以得到
n 5T
n
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5 0.0174 0.087 s
T n 2T i T fn 2 0.0037 0.01 0.0174 s
Kn h 1 CeTm 6 0.0095 0.185 0.8 60.6 2h R T n 2 5 0.01 0.08 0.0174
I dL ( S ) _
0.08 0.8s
1 0.185
n(s)
0.01 0.01s 1
图5 (2) 系统设计 1)
系统动态结构图
电流调节器设计
电流调节器采用 PI 调节器，电流环主要作用是限制电流，因此一般将电流环校 正为典型 I 系统 s 1 WACR K i i is
根据典型 I 系统设计可以得到
i Tl 0.025s
T i Ts T fi 0.0017 0.002 0.0037 s
Tl R 0.025 0.08 K i 1.24 2K sT i 2 0.0095 23 0.0037
2) 转速调节器设计 转速的超调与动态速降均可由抗扰指标衡量，而抗扰指标以典型 II 系统为 佳，因此转速调节器采用 PI 调节器，按典型 II 系统设计，取 h＝5。 设，转速调节器为：

T fi s 1
U i* ( s )
* Un ( s)
Ui
1 T fn s 1
Un
ASR
1 T fi s 1
ACR
U ct
ks TS s 1 _ E
1/ R Tl s 1
I dL ( S ) _
R Tm s
1 Ce
电流环

T fn s 1
图4
双闭环直流调速控制系统动态结构图
Tfn 0.01s
根据双闭环直流调速控制系统动态结构图可以得到系统的双闭环动态结构 图，如图 5。
0.0095 0.002s 1
U i* ( s)
U ( s)
* n
Ui
1 0.01s 1
Un
ASR
1 T fi s 1
ACR
U ct
23 0.0017s 1 _ E
1 / 0.08 0.025s 1
四、双闭环直流调速控制系统仿真 (1)基于数学模型的仿真，仿真模型如图 6 所示。
仿真参数选择，ode23;仿真时间 Start time 设为 0，Stop time 设为 10 (2) 各元件参数设置
图 7 阶跃信号设置
图 8 转速反馈滤波参数设置
图 9 ASR 参数设置
图 10 限幅环节参数设置
CM
Ld 2 103 电磁时间常数： Td 0.025s Rd 0.08
GD2 Rd 125 0.08 机电时间常数： Tm 0.8s 375 CmCe 375 0.18 0.182
晶闸管整流装置滞后时间常数： Ts
1 1 0.0017s 2m f 2 6 50
2009-12-8
GD 2 dn 375 dt
,又因为在整个起动期间TdL （负载转矩）不变，所以
dn
要想在整个起动期间保持 dt 不变，就应该在整个起动期间保持电磁转矩 T 不变。 考虑到 T=Cm Φ Id TdL = Cm Φ IdL ,所以，只要保证在整个起动期间电枢电流Id 等于一个适当的最大允许值不变，就能实现最短时间启动的问题。 因为在起动过程中需要保持电枢电流恒定不变，在稳定运行期间需要保持 电动机的转速恒定不变，所以需要构造电流环和转速环两个反馈环节。根据多 环组合定理，电流环在里面，转速环在外面。构造的关键是：在起动过程结束 时，实现电枢电流自动与负载电流相平衡。根据反馈定理只要引入电枢电流的 负反馈就可以解决这个问题。于是，建立电流环，如下图：
双控 0903
串级控制系统设计 及仿真
双闭环直流调速控制系统设计及仿真
李冀宁 2009-12-8
串级控制设计及仿真
一、串级控制的特点及问题的提出 串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外 环为主控对象。内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不 使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高了系统的品质，因此串级控 制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环响应速度快得多。 在实际工程中，对直流电机的控制经常遇到这样的要求：在电动机过载能 力等条件允许下，以最短的时间起动到最高速。这个命题同时提出了三个问题： 电动机起动时间最短问题，转速无超调问题，系统的输出（转速）抗干扰能力 强的问题，也就是动态速降和稳态速降都小的问题。 二、系统的构造过程 因为T − TdL =
图 11 电流反馈滤波参数设置
图 12
ACR 参数设置
图 13 晶闸管整流参数设置
图 14
电机模型参数设置
图 15 电流反馈系数参数设定
图 16 转速反馈系数参数设定
图 17 仿真算法参数设定 系统模型设置好后，运行仿真示波器中得到转速输出与电枢电流如图 18 所示。
图 18 电枢电流及转速输出
预置参数包括如下内容。 选取转速输出限幅值：Ukm = 10V,通过计算得到
晶闸管装置放大系数： K s
U d 0 1.05*U nom 1.05* 220 23 U km U km 10
启动电流：
I dm 1.5I nom 1.5 700 1050A
选取转速调节器输出限幅值：Uim = 10V，可以得到