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1、基于 SIMULINK双闭环调速系统启动过程分析课程名称控制系统仿真与模型处理学生学院自动化学院专业班级电机与电器学号 2111004002 学生姓名梁国荣指导老师张祺2011 年 6 月 5 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - 摘要在运动控制系统， 尤其是多闭环控制系统中有一个典型特例转速、电流双闭环系统。该系统把转速、电流分开控制，从而设置转速、电流双闭环控制。一个闭环有一个调节器，本文对一有实际要求的控制系
2、统进行两个PI 调节器的设计，并通过 MATLAB 提供的仿真集成环境SIMULINK 进行仿真。分析过程当中主要研究的就是双闭环调速系统在直流电机起动过程中，调节器是否应该进入饱和以及对其结果进行分析。 在 SIMULINK环境上仿真结果作出验证。 最后得出总结，即所设计的转速和电流两个PI 调节器，使得调速系统得到起动过程的最优控制。关键词 ：双闭环调速系统起动过程 PI调节器设计 simulink仿真名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 17 页 - -
3、- - - - - - - i 目录1前言 . 11.1多闭环控制系统的应用. 11.2 双闭环调节系统 . 11.3 双闭环调速系统的SIMULINK 仿真 . 12 双闭环调速系统起动过程理论分析 . 22.1 转速单闭环直流调速系统的限流保护. 22.2 转速、电流双闭环直流调速系统. 22.3 双闭环调速系统的起动过程分析. 43 电路数学模型. 53.1 单闭环直流调速系统的数学模型. 53.3 转速、电流双闭环直流调速系统. 64 双闭环调速系统参数设计. 74.1 设计任务与要求 . 74.2 调节器的设计 . 75 SIMULINK仿真 . 116 总结 . 13参 考 文 献
4、 . 14名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - 1 1前言1.1 多闭环控制系统的应用在多闭环控制系统中，是一环套于另一环内，一般来说，一个闭环有一个调节器。一个调节器的输出作为下一个调节器的给定输入，最后一个调节器的输出用来调节系统的主被调量。从系统的结构来看，多个调节器是串联连接工作的，所以这样的系统又称为串级调节系统。按传统习惯，在拖动控制中叫多闭环控制系统，在过程控制中串级调节系统。本文是多闭环控制系统的一个
5、典型特例转速、电流双闭环调速系统。该系统把转速、电流分开控制，从而设置转速、电流双闭环控制。这种调速系统是直流调速的一种典型基本形式，多闭环调速系统都是在此基础上发展来的。1.2 双闭环调节系统采用 PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统能够在系统稳定的前提下实现转速无静差。 但是对系统的动态性能有很高要求时，还是不能令人满意。因为这种系统不能在充分利用直流电动机过载能力的条件下获得快速响应，例如不能快速起、制动；对扰动的抑制能力也较差，还有在突加负载时系统的动态速降很大等，所以单闭环系统的应用范围受到一定限制。双闭环调速系统就是转速闭环的基础上加上电流调速闭环，在起、制动过程中，电流闭环起作
6、用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。1.3 双闭环调速系统的 SIMULINK仿真本文在最后会通过simulink 仿真环境画出双闭环调速系统的动态结构图，并且得出仿真结果图与理论分析图作比较，以证明双闭环调速系统在启动时转速和电流两个PI 调节器具体工作以及得出最优控制方式。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页
7、，共 17 页 - - - - - - - - - 2 2 双闭环调速系统起动过程理论分析2.1 转速单闭环直流调速系统的限流保护电流截止负反馈直流电机在启动瞬间，0nU，使得nnUU ，这么大的nU 必然使电力电子器件很快地输出全电压，而机械惯性大大地大于电器惯性，反馈电压要慢慢地建立，这样就形成电动机主电路有很大的冲击电流，相当于全压启动，这当然是不允许的。另外， 当直流电动机在运行时， 遇到某种情况，使电动机堵转，0n，同样地使得0nU，电动机电枢电流迅速增大， 超过允许值而造成故障。为此，引入电流截止负反馈，如图2-1 所示图 2-1 带电流截止负反馈环的闭环直流调速系统稳态结构框图当
8、dI 过大，即0dcbfI RU时，有一个fiU电流负反馈通道产生，限制dI ，当0dcbfI RU时，0fiU，相当于断开这个电流负反馈通道，即电机正常运行时不影响系统的调速性。2.2 转速、电流双闭环直流调速系统基于 2.1 节的知识，研究双闭环稳态时的结构框图，如图2-2 所示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - 3 其中 ASR 为转速调节器、 ACR 为电流调节器，而且两者均采用PI调节器。动态结构框图，如
9、图2-3 所示其中( )ASRWs 和( )ACRWs 分别表示了转速调节器和电流调节器的传递函数。图 2-2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图图 2-3 双闭环直流调速系统的动态结构框图图 2-4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - 4 2.3 双闭环调速系统的起动过程分析双闭环系统启动过程的转速和电流波形如上图2-4 所示分析图 2-4 可以得出双闭环直流调速系统起动过
10、程主要分为3 个阶段: 第 I 阶段是电流上升阶段 （01t ） ，在 t=0 时，系统突加节约给定信号，在 ASR 和 ACR 两个 PI 调节器作用下，dI 很快上升，在dI 上升到dLI之前，电动机转速为零。从图中可以看到，第一阶段内，转速不可能很快增长，ASR 的输入偏差电压nnnUUU 的数值始终较大， ASR 的输出电压很快进入并保持在饱和状态，使得转速环处于开环工作状态。而ACR 一般是不饱和，它的输入值就是ASR 的输出限幅值。第 II 阶段是恒流升速阶段（1t 2t ） 。这个阶段中， ASR 调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统的加速度是恒定的，转速在此阶
11、段中是按线性增长的。要说明的是，ACR 调节器是 PI 调节器，在它的作用下，电流环的闭环系统是I 型系统。当发生在它后面的是阶跃扰动时，它能实现稳态无静差。而在此阶段中，电流调节系统的扰动是电动机的反电动势，如图4 所示，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差， 而是dI 略低于dmI。为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中ACR 不应且不允许饱和。第 III 阶段是转速调节阶段 （2t 以后） ，2t 结束瞬间，dI 依然大于dLI，转速依然上升一段时间，nn导致0nU，ASR 因有反向输入而退出饱和状态，iU 和dI 很快下降。 知道ddLII，转速达到最大值， 但nn，0n
12、U没变，所以dI 继续下降，转速开始下降，这时会进入一段震荡过程，直到稳定。第 III 阶段中， ASR 和 ACR 都不饱和， ASR 起主导的转速调节作用，而ACR 则力图是dI 尽快地跟随其给定值iU ，电流内环是一个电流随动子系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - 5 3 电路数学模型3.1 单闭环直流调速系统的数学模型图 3-1 所示的带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图是一个典型的运动系统，它由四个
13、环节组成：第一个环节是比例放大器，其响应可以认为是瞬时的，所以它的传递函数就是它的放大系数，即( )( )( )cppnUsWsKUs图 3-1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理构框图第二个环节是电力电子变化器，其传递函数是：0( )( )( )1dsscsUsKWsUsT s第三个环节是直流电机，图3-2 表示了他励直流电动机在额定励磁下的等效电路，下面不详细列出公式的推导过程只给出最后的传递函数：011( )( )( )1ddIsRUsE sT s和( )( )( )( )ddLmE sRIsIsTs由此，经化简、变换、综合，得出反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图，如图 3-3 所示
14、经过劳斯赫尔维茨判据，得出此传递函数稳定的充要条件是：211()msssTTTTKTT（式中/pseKK KC ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 17 页 - - - - - - - - - 6 图 3-2 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图图 3-3 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图3.3 转速、电流双闭环直流调速系统在 3.2 节的基础上，我们加上闭环调速环节，即图2-3 双闭环直流调速系统的动态结构框图， 从图中看到， 在速度调节器ASRW
15、之后，进入电力电子器件环节之前，我们加上电流调节器ACRW，其稳态时结构框图，如图3-4 所示，图中是用带限幅的输出特性表示PI 调节器。图 3-5 双闭环直流调速系统的稳态结构框图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - 7 4 双闭环调速系统参数设计4.1 设计任务与要求这里利用某一实际应用设计为例，最后通过simulink 仿真，参考电机起动过程与理论起动过程是否一致。某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用
16、三相桥式电路，基本数据如下：（1）直流电动机：额定电压220NUV ，额定电流136dNIA，额定转速1460 / minNnr，电动机电势系数0.132min/eCVr ，允许过载倍数1.5；（2）晶闸管装置放大系数：40sK；（3）电枢回路总电阻：0.5R；（4）时间常数：10.03Ts，0.18mTs；（5）电流反馈系数：0.05/( 10/1.5)NVAVI；（6）转速反馈系数：0.007min/ ( 10/)NVrVn。设计要求：（1） 静态指标：无静差；（2） 动态指标：电流超调量5%i；空载起动到额定转速时的转速超调量10%n。4.2 调节器的设计用工程设计方法来设计转送、电流双
17、闭环调速系统的原则是先内环后外环。由于检测信号中常含有交流分量和检测干扰信号，为了不使它影响到系统的性能，须加低通滤波。如下图4-1 加上低通滤波后的双闭环调速系统的动态结构框图。本文不作出电路参数的具体推导，只给出相关参数的赋值公式。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 17 页 - - - - - - - - - 8 图 4-1 加入低通滤波后的双闭环调速系统的动态结构框图电流环的设计：电流调节器设计步骤以及具体参数的设计：（1）确定时间常数：1.整流装置
18、滞后时间参数sT ，按表4-1 晶闸管整流器的失控时间0.0017sTs2. 电流滤波时间常数0iT ：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有 (12)0iT =3.3ms，因此，取0iT =2ms=0.002s 3.电流环小时间常数之和， 按小时间常数处理，0isiTTT =0.0037s （2）选择电流调节器结构根据设计要求5%i，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。 由于电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数为：(1)( )iiACRiKsWss（3）电流调节器参数：1.电流调节器超前时间常数1iT =0.03s 2
19、.电流开环增益， 可参考表 4-2，当采用 I 型系统且5%i被确定下来时，取0.5IiK T，从而求出 ACR 的比例系数IiisKRKK=1.013 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 17 页 - - - - - - - - - 9 整流电路形式最大失控时间max/sTms平均失控时间/sTms单相半波20 10 单相桥式（全波）10 5 三相半波6.67 3.33 三相桥式3.33 1.67 表 4-1 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）指标参数
20、参数关系 KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量01.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间rt6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间pt8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相角稳定裕度076.3069.9065.5059.2051.8截止频率cw0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T 表 4-2 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系转速环的设计：转速调节器设计步骤以及具体参数的设计：（1）确定时间常数1.电流环等效时间常数1IK=0.0074
21、(s) 2. 转速滤波时间常数0nT：根据所用测速发电动机纹波情况，取00.01nTs3.转速环小时间常数nT ：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 17 页 - - - - - - - - - 10 按小时间常数近似处理，取010.0174( )nnITTsK（2）选择转速调节器结构：选用PI 调节器，其传递函数为(1)( )nnASRnKsWss（3） 转速调节器参数1.按照典型 II 型系统参数关系，中频宽hT，按抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则
22、ASR 的超前时间常数n=0.087(s) 2. 采用“震荡指标法”中的闭环幅频特性峰值rM 最小准则，可以找到 h 和cw 两个参数之间的最佳配合，即221cwhwh和2112whw，因此1211 11()()22cwwwT，又1cKw w ，推导出2212hKh T，所以，开环 增 益2221396.4()2NnhKsh T， 于 是 ， ASR的 比 列 系 数 为(1)11.72emnnhC TKh RT至此，图 4-1 中所有参数均以求出。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -
23、 - - 第 13 页，共 17 页 - - - - - - - - - 11 5 SIMULINK 仿真图 5-1 是按照第四节中电流环设计中计算的参数所得出的控制系统仿真模型，其仿真结果如图5-2 所示。图 5-1 电流环的仿真模型图 5-2 电流环仿真结果其中，图 5-1 电流环的仿真模型中，阶跃输入模块输入阶跃时刻设定为从零秒开始，给定设为 10。从仿真结果图 5-2 中可以看出，电流环满足其5%i要求。图 5-3 是按照第四节中转速环设计中计算的参数所得出的控制系统仿真模型，其仿真结果如图 5-4 所示。需要说明的是， 为保证系统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原
24、件、部件与装置不致损坏， 在模型图中加入限幅装置。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 17 页 - - - - - - - - - 12 图 5-3 双闭环系统仿真模型仿真模型中， 饱和非线性模块 (Saturation)的上下界即限幅值设置为(-10 10)在电流环中的仿真模型是用Transfer Fcn模块来仿真 PI 调节器，在转速环仿真模型中，用 Gain 做比例器， Integrator模块和 Gain 模块串接做积分器，两者通过加法器 Sum构成
25、了 PI 调节器。 Step1 作为系统输入扰动量，此处设为零。从左图 5-4 仿真结果中可以看出，仿真结果基本与第二节图2-4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形图相似，证明双闭环启动过程3 个阶段的分析正确。图 5-4 双闭环系统起动过程仿真结果名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 17 页 - - - - - - - - - 13 6 总结从图 5-4 仿真结果图和图 2-4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形图中可以看出有以下3 个特点
26、：（1）饱和非线性控制。 ASR 调节器在第 II 阶段是饱和状态，在第I 阶段是进入饱和状态，第III阶段是退出饱和状态。所以饱和与不饱和是启动过程的两种完全不同的工作状态，它会表现为不同结构的线性系统。既不能用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计双闭环直流调速系统，只能用分段线性化的方法来处理。（2）转速超调。在第 III阶段 ASR退出饱和，转速必然超调，这是采用PI 调节器的结果。如何减少超调量，满足实际使用须要，将是系统设计的任务之一。对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。（3）准时间最优控制。在电机启动过程中，我们要求电动机始终以
27、最大允许电流dmI来恒流启动。但在第 I、 III 两个阶段中，电流不能突变，实际启动过程与理想启动过程相比还有一些差距，好在阶段I 和 III只占全部启动过程的很小部分，所以实际的启动过程可称作为“准时间最优控制”。利用 MATLAB 下的 SIMULINK软件进行系统仿真十分简单和直观，用户可以用图形化的方法直接建立仿真系统的模型，并将结果在示波器上显示出来。本文基于对典型I 型系统和典型 II型系统的分析基础上，快速对系统参数进行求解，并建立模型。对于额外增加的系统要求，例如若系统要求电流、转速不能存在超调，可以通过对系统参数如KT的取值稍微修改即可观察系统的变化，显示出SIMULING
28、 仿真的强大。至此，基于 SIMULINK 双闭环调速系统启动过程分析在此结束。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 17 页 - - - - - - - - - 14 参 考 文 献1 阮毅 陈维钧等 . 运动控制系统 . 北京. 清华大学出版社 .2007 2 张崇巍李汉强陈伯时等 . 运动控制系统. 武汉 . 武汉理工大学出版社.2002 3 黄忠霖 . 控制系统 MATLAB 计算及仿真实训. 北京： 国防工业出版社 .2004 4 黄忠霖 周向明等 .控制系统 MATLAB 计算及仿真实训 . 北京：国防工业出版社 .2006 5 王丹力 邱治平等 . MATLAB 控制系统设计 仿真 应用. 北京：中国电力出版社 .2007 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 17 页 - - - - - - - - -