双闭环直流调速系统仿真(Matlab)

超调量
调节时间t s
工程设计法
5.1%
0.192s
遗传算法
0
0.14s
结论:
从仿真结果可以看出，遗传算法较工程设计法而言获得了更优的调节器参数
，从而使得双闭环调速系统的性能指标有了显著改善，实验结果证明了遗传算法
在双闭环直流调速系统设计中的有效性和优越性。
a
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Thank you!
a
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ASR退饱和，电机电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系统很快达到
稳态。
Un*(s) 1 Tons 1
Ui*(s) 1
ASR
Tois 1
E(s)
Uc(s) Ks Ud0(s)
ACR
Tss 1
1/ R Tls 1
IdL(s)
Id(s)
R
Tm s
1 n(s) Ce
电流环
Tois 1
Ton s 1
转速环的设计：W ASR(s)2.98(00.0 .0886677ss1)
a
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图4 工程设计法仿真模型图
图5 工程设计法下的a系统仿真曲线
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4.2基于GA Toolbox的双闭环直流调速系统设计
基于MATLAB的遗传算法工具箱包含了我们需要的各种函数库，它的出 现，大大方便了使用者对遗传算法的应用。
图3 双闭环直流调a 速系统动态结构框图
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3.仿真环境中步长的选择
刚性是指其Jacobian（雅可比）矩阵的特征值
相差悬殊。在解的性态上表现为，其中一些解
变化缓慢，刚性方程，又称为Stiff方程。
根据经验公式，电流环闭环传递函数公式为
Wcli (s)
Ti
s2
1 1
s 1
KI
KI
联系仿真实例，经计算可得 W cli(s)0.003671s3 26 .2s136.2
特征值 l a m b d a _ c 1 1 3 6 . 2 4 1 3 6 . 2 i , l a m b d a _ c 2 1 3 6 . 2 4 1 3 6 . 2 i
转速环特征方程式可表示为
0 .0 1 7 3 4 s 2 3 5 .6 s 3 9 9 .1 0
特征值 l a m b d a _ s 1 2 0 4 1 . 8 , l a m b d a _ s 2 1 1 . 3
通过比较，可以发现两组特征值均表现为一个快变，一个慢变，其中一
个的尺度比另外一个的尺度大很多，无论我们选择一个什么样的尺度，
变量行为都不能得到最好的刻画。以上特点恰好符合刚性方程的定义，
所以本设计中步长应选用变步长。 a
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4.1基于EDM的双闭环直流调速系统设计
电流环的设计：WACR(s)1.1670(0 .0.0 22 ss1)
图1 原始调速系统结构框图
a
3
对于该系统，联系仿真实例，经计算可得其开环传递函数为
G (s)
3 5
0 .1 2 9 (0 .0 0 1 6 7 s 1 )(0 .0 0 1 s2 0 .0 5 s 1 )
借助于MATLAB仿真软件，绘制Bode图如图2所示。
图2 原始控制系统伯德图
显然该系统的增益裕量和相位裕量均为负值，系统不稳定。所以需要
在MATLAB环境下首先通过Simulink窗口建立仿真模型如图6所示，然后建立主
程序文件main.m 和目标函数文件optm.m，运行主程序，得到 kp,ki,kp1,ki的1存
储空间，在Command window键入gatool,调用出遗传算法工具箱的人机接口， 在里面设置相关参数，设置完毕后点击start按钮开始运行。经过迭代，会
导入调节器进行校正。
a
4
2.转速、电流双闭环直流调速系统
基本原理：
如图3所示，ASR和ACR串级相连，将ASR的输出作为ACR的输入，再用ACR的输
出去控制晶闸管整流器的触发装置。当给定电压 U 后n * ，ASR输出饱和，电机以
最大的允许电流起动，使得电机转速很快上升，达到给定的速度后转速超调，
双闭环直流调速系统仿真
答辩人：王玲珑 2011.05.07
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展示目录
原始调速系统稳定性分析 转速、电流双闭环直流调速系统
仿真环境中步长的选择 调节器的设计—工程设计法与遗传算法
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1.原始调速系统稳定性分析
在未导入转速、电流调节器之前，控制系统模型如下图图1所示
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根据经验公式，转速环的开环传函为
Wn(s)
KN(ns1)
s2(Tns1)
同理可得 Wn(s)03.041.67s3 4s3399.s12
通过MATLAB指令可得其闭环传函为 W0.0173 3 4 4s.2 6s 35 3.9 69 s.1 399.1
a
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则电流环特征方程式可表示为
0 .0 0 3 6 7 s2 s 1 3 6 .2 0
得到 kp,ki,kp1,k的i1最优解，参数值如图7所示，将再其带入图6中即可得
出如图8所示的仿真曲线。
图6 遗传算法优化a设计仿真模型图
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图7 遗传算法优化设计仿真模型图
图8 遗传算法下的系a 统仿真曲线
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性能指标对比
对调速系统而言，被控制的对象是转速,通过计算可得转速环的各性能指 标如下表所示