1、基于 matlab的直流双闭环调速系统设计与仿真(洛阳工业高等专科学校 自动化系，河南 471003)摘要： 针对直流调速系统理论设计与实际要求相差较大的现象，本文利用 matlab/simulink 仿真平台对直流调速系统的理论设计结果进行仿真；通过系统仿真以灵活调节各项参数，从而获得理想的设计结果；实践表明，利用仿真技术可以大大地减少直流双闭环调速系统的设计和调试强度。关键词：直流调速 理论设计 系统仿真中图分类号：TP183；TM342 文献标识码：B0 前言在直流双闭环调速系统设计中，在理论设计基础上根据实际系统运行情况作参数的调整是系统设计调试过程必不可少的一部分。原因在于系统的实际
2、参数，往往与理论设计时所用的值有一定的误差，而且系统某些环节非线性因素影响会使系统在理论设计参数后并不能立即获得理想的调速性能，因此需要通过调试过程才能获得理想性能。传统的调试方法不仅增加系统的设计与调试强度而且不易产生预期结果。matlab/simulink 仿真平台是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用这种仿真工具可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性。而且可以非常方便地完成调试过程且能十分直观地得到系
3、统输出波形。利用 matlab/simulink 仿真工具有效地对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。 本文利用 matlab 仿真工具对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数，仿真结果可以用来指导实际系统的设计。1 直流调速系统的理论设计1.1 系统组成及要求本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图 1 所示，系统参数如下：电动机： ； ； ；VUN20AIN136rpmnN1460；rpmvCe/132.0允许过载倍数： ；三相
4、桥式整流装置放大倍数： ；电枢回路总电阻： 5.1sK；时间常数： ； ，电流反馈系数： ；5.RsTl03sm18. AV/05.转速反馈系数： 。rpV/7.设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量 ，启动到额定%i转速时的转速超调量 ；%10n1.2 电流调节器设计1：确定时间常数。（1）整流装置滞后时间常数 三相桥式电路的平均失控时间 ；（2）sT sTs017.电流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本滤平波头，应该oi有 ,因此取 ；（3）电流环小时间常数 按小时间常数msToi3.)2(soi02.i近似处理，取 。isi 7A S
5、 R A C R 1STKs 1/STRl STmeC1dLI-nUi*n*i n0dU图 1 直流双闭环调速系统动态结构图2：确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求： ，而且 ，因此设计成%5i 10.8037./ ilT典型 I 型系统。3：电流调节器的结构选择电流调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为 。sKsWiiACR/)()4：选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数： ； 电流开环增益：因要求 ，故sTli03. %5i取 ，因此 ，于是电流调节器的比例系5.0iITK 1.57/5/.0sKiI数为 13/siIiR5：校验近似条件 电流环截止频率 1.3sKIci
6、1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足： ，因为sciT/cisT1963/，所以满足近似条件；2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足： ，由于lmciT/13，满足近似条件；cilmsT138.40/133) 校验小时间常数近似处理是否满足条件： ，oisci T/1)3(由于 ，满足近似条件。cioissT18.0/1)3(按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。1.3 速度调节器设计1：确定时间常数。 （1）电流环等效时间常数为 ；（2）电流滤波时间常数sTi074.2根据所用测速发电机纹波情况，取 ；（3）转速环小时间常数 按小时间onT son1. nT
7、常数近似处理，取 。Tin07422：确定将转速环设计成何种典型系统由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型 II 型系统设计转速环。3：转速调节器的结构选择。转速调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为 。sKsWnnASR/)1()4：选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则取 h=5，则转速调节器的超前时间常数为，转速开环增益为shTn087. 224.3961sThKnN所以转速调节器的比例系数为 7.12)(nmenRC5：校验近似条件 转速环截止频率 15.34sKnNcn1）校验电流环传递函数简化条件是否满足 ，由于 ，iT/
8、 cnis1.54/满足简化条件；2）校验小时间常数近似处理是否满足条件： ，ioncn2/1)3(由于 ，满足近似条件。cnionsT175.38/1)3(3）核算转速超调量当 h=5 时， ，而 ，因此%2./maxbCrpmCRIeN2.51/能满足设计要求。%03.8/)()(%*mnNn TZ2 系统仿真1.1 理论计算参数仿真分析根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图 2 所示。在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形，如图 3。图 2 直流双闭环调速系统的仿真模型图 3 额定转速空载时转速仿真波形 图 4 调整后的转速仿真波形从图
9、 3 中可知：1：转速超调量为 25%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；2：整个起动过程只需 0.6 秒，系统的快速性较好。1.2 仿真调试分析通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：， ； ， 。83.0iK02.i17.8nK3.0n其转速波形如图 4 所示。从图 4
10、 中可知：1：转速环超调量为 6%，超调量符合要求。2：整个起动过程约为 0.8 秒，系统的快速性仍较好。3 结论以上分析表明，利用 matlab 仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。参考文献：1 陈伯时.电力拖动自动控制系统( 第三版). 北京：机械工业出版社，2004；2 陈桂明等.应用MATLAB 建模与仿真. 北京：科学出版社，2001。3 姬宣德等 . 基于 matlab 的矢量控制系统仿真.矿山机械2005.1。C：电流调节器；sKsWiiAR/)1()；iiC；ssKsiiAR 176.30.1)()( ；013.i；si76.3iKS：速度调节器；ssWnnASR/)1()；KnS；sssnASR 148.37.1)()( ； n087.；1K48.3n
