直流电动机双闭环调速系统仿真研究

直流电动机双闭环调速系统仿真研究

讨论了直流电动机双闭环调速系统在工程设计过程中的简化处理给系统带来的影响，对转速、电流双闭环调速系统的工程设计进行了仿真分析。实验结果表明用SIMULINK对控制系统进行动态仿真来辅助控制系统设计是一种行之有效的方法。

标签：双闭环调速系统；工程设计；仿真；SIMULINK

双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主要设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，广泛应用于各个工程领域，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

在工程设计方法的推倒过程中，为了简化计算，作了许多合理的简化处理，而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。现在人们对工程设计方法还只是停留在利用现在的公式和图表来进行参数计算上，而对工程设计过程中的简化处理给系统对来的影响则没有深入的理解和研究。为了进一步完善工程设计方法，设计出真正的最佳系统，有必要对工程设计进行仿真分析。

1 调节器的工程设计

作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思想是把调节器的设计过程分作两步：

第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。

第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。

设计举例如下：

某可控硅供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：

稳态指标：无静差。

动态指标：电流超调量σi%<=5%,起动到额定转速时的转速超调σn%<=10%。

对于直流电动机调速系统，通常将调节器都设计成PI形式，整个系统综合设计成典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统。考虑到系统的动态响应和抗干扰能力，电流环按Ⅰ型系统设计，转速环按Ⅱ型系统设计，即起动过程中电流超调量 4.3%，转速超调量为8.3%。

2 仿真分析

2.1 对电流环进行仿真分析

计算电流超调量：σi%=20.85-19.9919.99=4.3%

此时，电流环的结构图已经简化成工程设计方法中要求的典型Ⅰ型系统了，因此超调量也与工程设计方法中计算出来的超调量一致了。但是，此时系统动态结构图已经过几次简化，与实际的系统有了一些差距，所以不能很准确地反映实际系统。因此，按工程设计方法设计出来的系统虽然在理论上能满足设计要求，但在实际调试中性能指标往往满足不了要求。

2.2 对转速环进行仿真分析

按工程设计法将电流环等效成一阶惯性环节，把滤波环节等效地移到转速环内，并用小时间常数之和T∑n代替T oi和2T∑i，则转速环动态结构图已经简化为工程设计中要求的典型Ⅱ型系统。

计算转速超调量：σn%=194.472-142.857142.857=36.13%

此超调量与按工程法算出的h=5时的超调量37.6%（查表）非常接近，但这个超调量与设计要求还差很多。可见，对转速环各环节的简化处理对转速调节器的参数选择有影响，按工程设计法设计出来的转速环并不能达到理论上计算出来的性能指标。

3 双闭环调速系统动态仿真及分析

借助于SIMULINK对该系统进行动态仿真，其仿真结果入图所示。

3.1 起动特性分析

从仿真结果看出速度调节器从起动到稳速运行经历了饱和限幅输出和线性调节两个状态。电流调节器只工作在线性调节状态，而且系统的起动过程中的性能指标略高一些。

3.2 抗扰性能分析

一般情况下，双闭环调速系统的干扰主要是负载突变和电网电压波动两种。从双闭环调速系统抗扰仿真结果中不难看出，系统对负载的大幅度突变和电网电压的大幅度波动有良好的抵抗能力,只是调整时间略长一些。

3.3 存在问题分析

上述仿真结果与理论最佳设计存在一定的差距。其原因：

一是典型系统的最佳设计方法考虑了理论分析与设计的简便性，对双闭环调速系统作了一些简化处理，而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如：将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节，设计电流环时不考虑反电势变化的影响；将小时间常数当作小参数近似地合并处理；设计转速环时将电流闭环的二阶振荡环节近似地的等效为一阶惯性环节等。

二是仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同。因为仿真试验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差。而且在建立模型过程中为了简化计算，忽略了许多环节的非线性参数。但在仿真中被近似看作常数；再如，设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况，而忽略了电流断续时的情况。另外，系统模型的不准确性及系统模型中参数的时变问题都可以带来仿真与理论及实际的差距。

以上一些原因，都应该是我们在应用工程设计方法时应该注意的，以减小理论设计与实际实验之间的差距。

4 结语

从对双闭环调速系统的仿真结果来看，用SIMULINK对系统进行动态仿真来辅助控制系统设计是可行的。如果将速度调节器和电流调节器的参数作进一步调整或引入补偿控制，还可以使系统的动态性能得到完善。

参考文献

［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.上海：上海工业大学出版社,1996.

［2］胡贞.直流电动机双闭环调速系统仿真研究［J］.长春光学精密机械学院学报,2000,23（2）:37-39.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”