【双闭环控制的直流调速系统】直流双闭环调速

控制系统综合设计

指导老师： XXX 老师

年级专业 12 自 动 化 X 班

姓名学号 XXX 20123120xxxx

2016 年 1 月 8 日

题目及要求

设计题目： 直流调速系统计算机仿真 设计背景：

直流调速系统是传统的调速系统，自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动所用电动机一直以直流电动机为唯一方式。它具有稳速精度高、调速比大、响应时间短等特点，宜于在广泛范围内平滑调速，故广泛应用于轧钢、机床、轻工、计算机、飞机传动机构等领域。

近年来，交流调速系统发展很快，被科学技术水平较高的西方国家所广泛采用，与直流调速相比，交流调速有本身固有的优点：结构简单、坚固耐用、经济可靠及小动态相应性能好等，还能实现高速拖动，而且电源广泛。但由于直流拖动系统在理论上和时间上都比较成熟，具有良好的起、制动性能，从反馈闭环控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以我们应该很好的掌握直流拖动控制系统。

但是直流调速系统的设计是一个庞大的系统工程，对于一个经过大量分析、计算、设计、安装等一系列工作的系统究竟能否一次性调试成功，这关系到已经投入的大量人力、财力、物力是否会浪费的问题。因此，一个直流调速系统在正式投入运行前，往往要进行仿真调试。

设计要求：

本设计给出一个小型直流调速系统，其指标及参数为∶

（1）静态精度(转差率S) ，在电网电压波动±10%，负载变化±20%， 频率变化±1HZ 时，S10~15；

（2）电动机数据∶额定电流136A ，额定电压230V ，功率30KW ，额定转速1460转/分，电势转速比可控硅整流装置KS=40。

C e =0. 132

，电枢电阻R Ω=0.5Ω，过载系数λ=1.5，

T l =0. 03s ，T m =0. 18s 。

（3）测速发电机，永磁式，额定数据为∶电压110V ，电流0.045A ，转速1900r/min，

P g =23. 1

W ，

I g =0. 21n =1900r /min

A ，g 。

目 录

1 系统设计方案...................................................... 2

1.1 方案一：转速负反馈单闭环调速系统 ................................... 2 1.2 方案二：速度、电流双闭环调整系统 ................................... 2 1.3 方案选择 ........................................................... 3

2 双闭环控制的直流调速系统原理及参数计算............................ 4

2.1 直流调速系统的静特性 ............................................... 4 2.2 电流调节器的传递函数参数计算 ....................................... 4 2.3 转速调节器的传递函数参数计算 ....................................... 6 2.4双闭环控制的直流调速系统动态结构框图 ................................ 8

3双闭环控制的直流调速系统仿真 ...................................... 9 利用Matlab 中的Simulink 对该系统进行建模、仿真和分析。.............. 9 4 结论与收获....................................................... 12 5 小组分工......................................................... 12 参考文献........................................................... 12

1 系统设计方案

为了满足调速的设计要求，本设计的直流调速必须采用负反馈调节实现，可供选择方案有转速负反馈单闭环调速以及速度、电流双闭环调速。为了消除静差，均使用PI 调节器。

1.1 方案一：转速负反馈单闭环调速系统

图1所示是一个典型的转速负反馈单闭环调速系统的原理图。

图1 转速负反馈单闭环调速系统原理图

其工作原理是：速度设定是一个可变电位器，改变电位器的工作点就能改变其输出电压，由一个输入设定速度值，送到调节器A ，调节器按照其控制算法进行解算，输出控制信号Uct 给触发电路单元GT ，由GT 控制可控整流单元Z ，输出Ud 经电抗器L 给直流电机M ，电机M 带动机械负载工作，同时转速检测单元TG 把实际速度反馈给调节器A ，调节器本身采用减法器模式，这样就是一个差值，然后这个差值就对后续的结果产生作用。电机启动初期，差值最大；达到稳态时，差值就变到最小；当要改变转速时，只需改变电位器即可。 1.2 方案二：速度、电流双闭环调整系统

图2所示是一个典型的速度、电流双闭环调整系统的原理图。

图2 速度、电流双闭环调速系统原理图

速度、电流双闭环调速系统工作原理是：速度设定信号Un*和速度检测信号Un 的差值作为速度调节器ASR 的输入信号，经ASR 按照PI 控制规律进行解算，其输出信号是Ui*; Ui*与电源支路Ui 的差值作为电流调节器ACR 的输入，经过电流调节器ACR 按照PI 控制律进行控制，输出信号Uct ，Uct 是电力电子触发单元GT 的控制换算信号，直接控制可调电压单元V 输出电压Uod 给直流电机M ，改变设定信号Un* ，就可以改变转速n 。 1.3 方案选择

根据设计中对电流的控制提出了要求：一是启制动的时间控制问题；二是负

载扰动的电流控制问题。

采用单闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，

如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。

若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，

充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳

态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，而达到稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电

流小于Idm 时表现为转速无静差，这时转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差，得到过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗干扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。

全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合

设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择方案二的转速，电流双闭环调速系统。

2 双闭环控制的直流调速系统原理及参数计算

图1.2是速度、电流双闭环控制的直流调速系统原理图，下面分析各个部分的传递函数及相关参数计算。 2.1 直流调速系统的静特性

按照参数设计如下： ○1 静态计算：

根据调速范围和静差率的要求得到;

∆n =

n 0s 1460⨯0. 05

==7. 33r /min

D (1-s ) 10(1-0. 05)

取测速反馈输出电压为10V , 则转速反馈系数：α=

u n 10

==0. 007 n 1460

ASR 饱和输出取12V ，系统输出最大电流为I dm =2I d ，则电流反馈系数：

U i *12

β===0. 05

I dm 2*136

2.2 电流调节器的传递函数参数计算

取三相桥式整流电路平均失控时间：T s =0. 0017s ，电流滤波时间常数：

T oi =0. 002s 。

此环设计为典I 系统，因此系统满足电流环要求超调量小的要求，其动态结构如下图3所示：

U i *

图3 电流环动态结构图

其中电流环小时间常数：T ∑i =T s +T oi =0. 0037s

由其动态结构图知，电流环控制对象是双惯性的，要求校正成典I 型系统，采用PI 调节器。

设电流调节器的传递函数为

W A C R (

s ) =K i

τi s +1

τi s

（2.6）

应将电流环校正成如图4所示的电流环。

图4 校正后的电流环动态结构图

因此，τi =T l =0. 03s 。又因σ%

1

=0. 707，则可K I T ∑i

得K I =

0. 50. 5

==135. 1。由图2.1、图2.2及式（2.6）可得ACR 的比例系数为：

T ∑i 0. 0037

K i =K I

τi R 0. 03⨯0. 5

=135. 1⨯=1. 013，电流截止频率：ωci =K I =135. 1rad /s βK s 0. 05⨯40

因此根据以上数据选取参数，取：R 0=20K Ω，则

R i =K i R 0=1. 013⨯20K Ω=20. 26K Ω，为方便计，取R i =40K Ω

C i =

τi

R i

=

4T 0. 034⨯0. 002

F =0. 75μF ， C oi =oi =F =0. 4μF 40000R 020000

则实际电路图如图5所示。其中：D1,D2,W1,W2构成限幅电路。

U i *

-

βi d

-15V

2.3 转速调节器的传递函数参数计算

在设计转速调节器时，把已设计好的电流环当作是转速调节系统中的一个环节，求出其等效传递函数，再用设计电流环相同的方法进行设计。

电流环经简化后可视为转速环中的一个环节，其闭环传递函数为

K I (s )s T ∑i s +11

W ic =*d ==

K I T ∑i 21U i s /β1+s +s +1s T ∑i s +1K I K I

+15V

图5 电流调节器原理图

（2.7）

忽略高次项，得

W ic ≈

11

s +1K I

（ωcn ≤

1K 3T ∑i

（2.8）

故电流环在转速环应等效为

I d (s )1/β1/β

≈=*U i s s +12T ∑i s +1

K I

（2.9）

简化后的转速环动态结构图如下图6所示。

*U n

由于要求抗干扰能力强，应按照典II 型系统设计，又由于设计要求无静差，ASR 需含积分环节。

ASR 也采用PI 调节器，则

图6 转速环动态结构图

W ASR (s ) =K n

τn s +1

τn s

（2.10）

图7所示系统等效成单位负反馈并进行小惯性近似处理后的典II 系统的传递函数为：

W n (s )=

K n αR τs +1K n (τn s +1)αR /β

≈∙2n （2.11） ∙

τn s C e T m s 2T ∑i s +1T on s +1τn βC e T m s T ∑n s +1式中，称为转速小时间常数。校正后动态结构图如图7所示。 T ∑n =2T ∑i +T on ，

图7 校正后的转速环动态结构图

故可确定电流环等效时间常数为2T ∑i =0.0074s 。 转速滤波时间常数取为T on =0.01s 。

则转速环小时间常数T ∑n =2T ∑i +T on =0. 0174s 。 根据性能指标选取h=5，则由典II 系统的参数关系， 得τn =hT ∑n =0. 087s

以及K N =

h +1

=396. 4 22

2h T ∑n

K N τn βC e T m

=11. 7。

αR

对比图2.5和式2.11，可得K n =转速截止频率 ωcn =

K N

ω1

=K N τn =396. 4⨯0. 087=34. 5rad /s

因此根据以上数据选取参数，取：

R 0=40K Ω，则

R n =K n R 0=11. 7⨯40K Ω=468K Ω，为方便计，取R n =470K Ω C n =

τn

R n

=

0. 087

F =0. 185μF ，为方便计，取 C n =0. 2μF

470000

C on =

4T on 4⨯0. 01

=F =1μF R 040000

则实际电路图如图8所示。其中：D1,D2,W1,W2构成限幅电路。

*

U n

-

αn

-15V

2.4双闭环控制的直流调速系统动态结构框图

过以上计算，可得如图9所示的系统动态框图。

+15V

图8 转速调节器原理图

图9直流电动机双闭环调速系统的动态结构框图

3双闭环控制的直流调速系统仿真

利用Matlab 中的Simulink 对该系统进行建模、仿真和分析。

使用计算所得的调节器参数时，系统超调较大，不符合设计要求。利用Simulink 重新修正调节器参数，令ACR 调节器Kp=0.21,Ki=4.34;ASR调节器Kp=0.49,Ki=2.99。搭建双闭环调速系统仿真模型如下：

图10速度、电流双闭环调速系统仿真模型

给定阶跃输入10v ，仿真运行，系统响应曲线如下：

图11单位阶跃输入系统响应曲线

稳定转速1425r/min,超调量：

σ%

给定阶跃输入10v 时，电流响应曲线如下：

图12单位阶跃电流响应曲线

σ%

仿真结果分析：

双闭环调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速上升的变化过程

（1）突加给定电压U 、后，Id 上升，当Id 小于负载电流Idl 时，电机还不能转动。

（2）当Id >_ Idl 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id 迅速上升。

(3) 当Id = Idm，Ui = U*im电流调节器很快就压制Id 了的增长，系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

(4) 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR 的输入偏差减少到零，电机仍在加速，使转速超调。直到Id=IdL时，转矩Te= TL，则dn/dt=0，转速n 才到达峰值

(5) 电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内振荡过程。 4 结论与收获

通过本次设计，较系统地掌握了转速、电流两闭环直流调速系统的设计方法以及simulink 在控制系统仿真中的应用。通过对系统进行计算机仿真，分析理论设计与实际系统的偏差，逐步改进系统的结构及参数，找出较佳性能系统的调节器参数，使得系统的调试得到简化，提高了工作效率，节省了设计费用和时间。 同时，我们在设计完这个系统后，也增强了小组团队合作能力、使得专业课的知识更加巩固、动手能力也得以增强。

5 小组分工

1． 张锦涛：仿真调试，报告撰写

2． 陆建峰：仿真调试，报告撰写

参考文献

[1] 班 华, 李长友. 运动控制系统[M].第一版. 电子工业出版社.2012.8.

[2] 陈亚爱. 周京华. 电机与拖动基础及MATLAB 仿真[M].李正熙. 第一版. 机械工业出版社.2013.1.

[3] 薛定宇. 控制系统仿真与计算机辅助设计[M].第二版. 机械工业出版社.2013.1.