双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验

双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验
双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验
魏小景张晓娇刘姣
（自动化0602班）
摘要：采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计，选择调节器结构，进行参数的计算和校验;给出系统动态结构图，建立起动、抗负载扰动的Matlab Simulink 仿真模型.分析系统起动的转速和电流的仿真波形 ,并进行调试 ,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善。

关键词:双闭环调速系统;调节器;Matlab Simulink 建模仿真
1.引言
双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器。

调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。

本文就直流电机调
速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab/Sim-ulink 进行仿真。

2.基本原理和系统建模
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT ,TA 为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环,这样就形了转速、电流双闭环调速系统。

如图所示：
图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图 3.系统设计
调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参
*n U 11on T s +()ACR
W s 11oi T s +1s s K T s +()ASR W s 11l R T s +1oi
T s β
+1
on T s α+d I C U dL
I n 0
d U 转速环 电流环 *i U 1m e
R T s C
数：直流电动机：220,13.6,1480/min,0.131/(/min)
e V A r C V r =，
允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置：76s K =；电枢回路总电阻： 6.58R =Ω；时间常数：0.018l T s =，0.25m T
s =；反馈系数：0.00337/(/min)V r α=，0.4/V A β=；反馈滤波时间常数：0.005oi T s =，0.005on T s =。

3. 1 电流调节器的设计
3. 1. 1 计算时间常数
经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数T Σi = Ts + Toi = 0. 0067s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.018s 。

3. 1. 2 确定电流调节器结构和参数
根据性能指标要求σi ≤5 % , 保证稳态无误差。

把电流环校正成典型I 型系统,其传递函数为:WACR ( s) =Ki (τis + 1)/τis
式中Ki ,τi 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数. 其中τi = T1 = 0. 018s ,为满足的要求,应取K1T Σi = 0. 5 因此: K1 =0.5/ T Σi= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1τi R/βKs=0.29故电流调节器的传递函数WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s 经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环
可以达到的动态指标σi = 4. 3 % ≤5 %满足设计要求。

3. 2 速度调节器的设计
3 .2. 1 计算时间常数
电流环等效时间常数:2 TΣi = 0. 0134s
转速环小时间常数: TΣn = 2 TΣi + Ton = 0. 0318s
3. 2. 2 确定转速调节器结构和参数
在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(τns + 1)/τns式中Kn ,τn 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:τn = hTΣn = 0. 159s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h2 T2Σn= 118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNτnβCe Tm αR=( h + 1)βCe Tm/2 hαRTΣn,则Kn =11.15 经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量
σn = 8. 3 % ≤10 % 满足设计要求. 为保证电流调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6～+ 6。

4. Simulink 仿真试验及结果分析
4. 1 系统起动过程的仿真
4. 1. 1 构建仿真模型
Simulink是MAT LAB 的一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，Simulink 为用户提供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台。

只需根据所建立的数学模型从Simulink 模块库中选取合适的模块组合在一起,并根据一些具体要求设置好各模块参数即可进行仿真.根据图1和上面计算出的相关参数,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型，如图2所示。

图2 双闭环调速系统的模块图
4. 1. 2 仿真
运行Simulink 仿真模型，输出示波器，得出转速的仿真曲线，如图3所示。

图3 输出转速n波形图
施加阶跃信号，如图4所示。

图4 添加扰动后的双闭环调速系统的模块图
得双闭环调速系统在负载特变扰动的情况下,转速环的阶跃扰动响应曲线，如图5所示。

图5 扰动后的输出转速n波形图
4.2 结果分析：由上诉波形图分析可知，仿真后的转速输出虽然时间相应符合要求但是超调很大，需要对调节器进行改进。

适当减小转速调节
器的比例系数和时间常数牺牲调节时间可以减小超调，所以取Kn=7, τn=6.3s得如下的输出波形，如图6.所示。

图6 校正后的输出转速n波形图
抗扰性能也比较好，如图7所示。

图7 校正后的抗扰性能
转速环和电流环输出下所示。

转速环电流环
图8 校正后的转速环、电流环输出
综上所述，这个调速系统起动特性好、超调量、抗扰性好，设计比较合理。

5.结论
本文通过直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，对电流调节器和转速调节器进行的设计，选择了调节器的类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和分析。

在充分发挥电机过载能力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工程中有一定的应用价值。

造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因，总结如下几点：
（a）工程设计方法在推导过程中做了许多近似的处理，而这些简化处理在一定的条件下才能成立。

（b）仿真实验在建立模型过程中忽略了许多非线性因素和次要因素。

（c）用Matlab/simulink软件是控制系统的一种功能完善，实现系统控制容易，构造模型简单的强大的动态仿真工具。

该方法经济又方便，能大大缩短科研开发的速度，提高开发效率，同时可以尝试不同的控制策略，进行优化设计。