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1、文章编号 : 16717963(2003)0230 04收稿日期 : 200212 30作者简介 : 韩璐(1972- ) ,女, 学 士,助理工程师直流电动机双闭环调速系统及其 SIMULINK 的仿真韩璐( 中国长江航运集团宜昌船厂, 宜昌 443002)摘要:根据直流调速双闭环控制系统的工作原理 , 运 用 Simulink进行 直流电 动机双 闭环调速 系统的 数学建模和系统仿真的研究,最后显示控制系统模型以及仿真结果并加以分析。关键词 :转速环 ; 电流环 ;调节器 ; SIMULINK中图分类号 :TP391.9文献标识码 : AAbstract: Accordingto its
2、working principle, modelingandsimulatingresearches were carriedout to the dual closedloop con trol sys tem of the direct currentmotor. At the end, the author analyzedthesimulationresults.Key words: loopof revolutionrate;loopof current;regulator;SIMULINK1引言直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速, 其调速控制系统历来在工业控制具有及其重要的
3、地位 , 直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是转速、 电流双闭环调速系统。在当今社会, 仿真技术已经成为分析、 研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具, 为了简便工程设计和解决设 计 中 可 能 出 现 的 问 题, 利 用 Matlab 中SIMULINK 实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天急需探讨的课题。2电力拖动控制系统的设计设计一个电力拖动控制系统的依据就是系统的稳态和动态性能指标。稳态指标反映了系统稳态运行的准确性和可调性; 跟随性能中的超调量反映系统的相对稳定性; 上升时间则反映快速性;抗扰指标中的动态降落也反映系统调节性能的快速性, 这一切可归
4、纳为稳、 准、 快 3 个字。设计工作就是在此前提下, 进行各种矛盾的综合, 正确地运用各种控制规律和方法, 对原有系统加以改造,并兼顾整个装置的经济性, 来提高系统的可靠性。设计直流电动机调速系统, 就需要对这些性能指标进行测定和分析, 以判断系统设计的合理可行性。3双环控制的直流调速系统3. 1转速 、 电流双闭环调速系统的组成为了实现 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。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入, 再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看 , 电流调节环在里面, 叫做内环 , 转
5、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。调速系统原理见图1所示。图 1转速、电流双闭坏调速系统原理图3. 2双闭环调速系统的动态特性3. 2. 1动态数学模型在单闭环调速系统动态数学模型的基础上,考虑双闭环控制的结构, 可绘出双闭环调速系统的动态结构图 ,如图 2 所示。图 2 中, WASR( S)和 WACR( S)分别表示转速和电流调节器的传递函数。30船 海工程2003年第 2 期( 总第 153期 )名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
6、第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 图 2双闭环调整系统动态结构图3. 2. 2起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程, 因此, 在分析其动态性能时,有必要首先探讨起动过程。双闭环调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时, 转速和电流的过渡过程如图3 所示。图 3双闭环调速系统起动时的转速和电流波形在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、 饱和、退饱和 3 个阶段 , 整个过渡过程也就分成了 3 段, 在图中分别标以I、 II 、 III 。双闭环调速系统的起动过程有着饱和非线性控制 、 时间最优控制和转速超调的特点。3. 2. 3
7、动态性能和两个调节器的作用双闭环调速系统具有比较满意的动态性能1) 动态跟随性能。双闭环调速系统在起动和升速过程中能够在电流受电机过载能力约束的条件下 , 表现出很快的动态跟随性能。 在减速过程中, 由于主电路电流的不可逆性 , 跟随性能变差 , 对于电流内环来说, 在设计调节器时应强调有良好的跟随特性。2) 动态抗扰性能。双闭环调速系统应具有两种抗扰性能, 即抗负载扰动和抗电网电压扰动。负载扰动作用在电流环之后, 只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此, 在突加 ( 减) 负载时 ,必然会引起动态速降 ( 升) 。为了减少动态速降( 升) , 必须在设计转速调节器时, 要求系统具有良好的抗扰性
8、能指标。3) 两个调节器的作用。转速调节器的作用为: 使转速n 跟随给 定电压 U*m变化 , 稳态无静差; 对负载变化起抗扰作用; 其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用为: 对电网电压波动起及时抗扰作用 ; 起动时保证获得允许的最大电流; 在转速调节过程中, 使电流跟随其及给定电压U*i的变化 ; 当电机过载甚于堵转时, 限制电枢电流的最大值 , 从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失 , 系统能够自动恢复正常。图 4双闭环调速系统电流环系统结构图4用 SIMULINK 建双闭环直流电动机调速系统模型4. 1电流内环的建立由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许
9、值, 因而希望超调量越小越好, 同时要求抗扰动性能较好,因此一般都按典型I型系统来设计电流环, 取抗饱和电流调节器( PID)中的 D 为零 . 建立如下一个双闭环调速系统的电流环 , 其 SI MULINK 系统结构图如图4 所示。图 4 中为限制起动电流过大在电流环中采用31直流电动机双闭环调速系统及其SIMULINK 的仿真韩璐名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 抗饱和电流调节器, 由于电流检测信号中常含有交流
10、分量 , 故需加低通滤波, 其滤波时间常数TOI按需要选定 , 滤波环节可抑制反馈信号中的交流分量, 但同时也给反馈信号带来延滞, 为了平衡这一延滞作用 , 在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节, 称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过同样的延滞, 使两者得到 恰当的配合。为了分析此系统的性能优劣,可在系统中加入n3和 n4两处转速监测。为了简化系统 , 在此内电流环建成后, 必须进行模块封装 , 可将其取名为被控对象 ! , 继而再建立它的转速外环。4. 2转速外环的建立转速环一般选用典型? 型系统这首先是基于稳态无静差的要求, 其次从动态性能上看, 有较好的抗扰性能。
11、其转速环动态结构图如图5 所示。图 5转速环动态结构图为限制转速 , 以免产生负转现象, 在转速环中亦采用抗饱和调节器(PID) 。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换相纹波, 因此也需要滤波,滤波时间常数用Ton表示 , 跟电流环一样道理,在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。并将输出监测分别接到电流输出和转速输出端以监测、 比较系统的转速、电流特性。此后为简化系统模型还要进行模块封装, 并对系统的各项参数进行设定, 这样在每次运行系统时, 即会提示用户输入系统和电机的各项参数。4. 3系统封装后可得系统总结构框图如图6图 6系统总结构图在此系统完成后, 我们要对其各项
12、参数进行设定, 按照自动控制系统原理, 系统参数可设定如下。Kn=11.7,K1= 1. 013,taon= 0.087,taoi=0. 03,Ton=0. 01,Toi= 0.02,Ts=0. 0017 ,Ce=0. 132 ,Tm= 0.18,T1=0. 03,= 0. 05,= 0.007,Ks=40,R =0. 5,并在系统的输入端加入阶跃输入信号0 10V, 负载电流设为0 136 A, 从而得到我们想要的输出波形 :1) 输出电流I 的波形图 ( 如图 7 所示)图 7输出电流 I 的 波形图2) 输出转速n 的波形 ( 如图 8 所示 )图 8输出转速 n 的波形图3) 电流内环
13、中转速n3波形 ( 如图 9 所示)图 9电流内环中转速n3波形图32船 海工程2003年第 2 期( 总第 153期 )名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 科普委员会举行换届会议暨学术报告会新 一届 武汉 造 船工 程 学会 科 普委 员 会于2002 年 12 月 6 日在武汉船舶职业技术学院召开了第一次全体会议, 共有来自22 个 单位的近30名代表参加了会议。会议由科普委员会秘书长黄邦彦同志主持,科普委员会主
14、任刘民钢同志在会上致欢迎词, 并发表了重要讲话, 他代表新一届科普委员会感谢上一届科普委员会的辛勤工作和取得的成绩, 对本届科普委员会的工作提出了设想, 并希望各成员单位一如既往地支持科普委员会的工作。本届科普委员会顾问、 原武汉造船工程学会秘书长陈爱华同志在会上对历届科普委员会的工作进行了全面的总结 , 并对今后的工作提出了很好的建议。与会代表在会上纷纷发言, 对科普委员会今后的工作提出了许多建设性的意见和建议。会后举行了专题学术报告。与会代表聆听了中船重工集团第701 研究所副总工程师应文烨研究员所作的舰船工业发展与计算机在船舶行业中的应用展望 ! 的精彩学术报告, 并参观了在船院举办的本
15、届科普委员会各成员单位的科技成果展览。本届科普委员会的组成是在各成员单位充分蕴酿、 推荐的基础上,经多方协商产生的。其成员单位由武汉南华高速船舶公司等22 个单位的26位委员组成。由刘民钢教授( 武汉船舶职业技术学院院长 ) 担任主任委员, 马运义总工( 中船重工第 701 所) 、 余金生副所长( 中国船级社武汉规范所) 、 黄函高工 ( 长航集团武汉长江交通科技股份公司 ) 、 曾小虎副厂长 ( 宜昌船厂 ) 、 施平高工 ( 武昌造船厂 ) 、 马曲立处长 ( 海军工程大学 ) 担任副主任委员, 黄邦彦处长 (武汉船舶职业技术学院)担任秘书长。本次会议得到了武汉船舶职业技术学院及院领导的
16、大力支持,科普委员会表示诚挚的谢意。叶莎4) 电流内环中转速n4波形 ( 如图 10 所示 )图 10电流内环中转速n4波形5结论从 n3、 n4波形可知 , 通过电流环的传递函数转速信号得到了放大, 但未经过转速环的调整, 转速n4的动态性能很不稳定。从输出转速n 和电流 I 的波形可看出, 起动电流最初上升迅速但超调量较小, 当电机被起动后它很快又返回并保持为额定电流, 满足电机要求。 转速在起动电流的作用下平滑上升至电机额定转速稳定运行 , 其超调量亦非常小, 这正代表着这个系统的设计是合理的, 是我们所需要的。在经过这样对系统的随动性能和抗扰性能进行比较和分析后, 便可判断一个直流双闭
17、环调速控制系统设计的优劣与否。参 考 文 献1陈 桂明 ,张明照 . 应用 Matlab建 模与仿真 . 北京 : 科 学出版 社,20012张 宜华 .精通 Matlab.北京 : 清华大学出版社 ,19993李 昕,李 涛. Matlab工 具箱应用 指南 . 北京 : 电子工业 出版社 , 20004苏 晓生 . 掌握 Matlab6.0 及其 工程应 用. 北京 : 科学出 版社 ,20025赵 彦玲 ,吴淑江 . Matlab 与 Simulink 工 程应用 . 电 子工 业出 版社 ,20016楼 顺天 .基于 Matlab系统分析与设计. 西安 : 西安电子 科技 大学出版社 ,20017孙亮 .Matlab 语言与控制系统仿真. 北京 : 北京 工业大 学出版社 , 20018李 鹏.控制电机及应用. 北京 :中国电力出版社,19929龙 子俊 .电机与拖动基础 . 北京 :航空工业出版社 , 198810陈伯 时. 电力拖动 自动控 制系统 . 北 京: 机械工 业出 版社, 199933船海工程2003年 第 2 期( 总第 153期)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -