双闭环直流调速系统的仿真

摘 要：双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。详细讨论了直流电机调速系统的工程设计方法。基于直流电机基本方程，建立了直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，给出了系统动态结构图并进行了仿真研究，仿真结果验证了控制方案的合理性 关键词：双闭环 直流调速 仿真

The simulation of double closed loop DC speed

regulating system

Abstract: The double loop DC speed control system is the main equipment in DC speed regulation, with wide

speed range, good stability, high accuracy of speed stability, both in theory and practice is relatively mature, plays an extremely important role in the drag in the field. The discussion of DC motor speed control system engineering design method. Based on the basic equation of DC motor, a DC motor speed current double closed loop speed regulation system, the mathematical model, the dynamic structure of the system and simulation, simulation results confirm the validity of the scheme.

Key words: Double closed loop DC speed regulation Simulation

1.基本原理和系统建模

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ASR 的输出当作电流调节器ACR 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GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转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。如图所示： IdLnU n*1Ui*UCKsUd01RId1R1WASR(s)WACR(s)Tss1Ts Tons1Tois1TmsCel1 电 Tois1 转 Tons1 调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统, 系统参数：直流电动机：220V,136A,1460r/min,Ce=0.132V/(min/r)，允许过载倍数1.5；晶闸管装置：Ks=40;电枢回路总电阻：R=0.5Ω；时间常数：Tl=0.03s,Tm=0.18s;反馈系数：α=0.007，β=0.05；反馈滤波时间常数：Toi=0.002s，Ton=0.01s。

2. 1 电流调节器的设计 2. 1. 1 计算时间常数

经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数TΣi = Ts + Toi = 0. 0037s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.03s。

2. 1. 2 确定电流调节器结构和参数 根据性能指标要求σi ≤5 % , 保证稳态无误差。把电流环校正成典型I 型系统,

2.系统设计

其传递函数为:WACR ( s) =Ki (τis + 1)/τis

式中Ki ,τi 分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数. 其中τi = T1 = 0. 03s ,为满足的要求,应取K1TΣi = 0. 5 因此: K1 =0.5/ TΣi= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1τi R/βKs=1.0135故电流调节器的传递函数WACR (s) =1.013s+33.7667/s经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标σi = 4. 3 % ≤5 %满足设计要求。

2. 2 速度调节器的设计 2 .2. 1 计算时间常数

电流环等效时间常数:2 TΣi = 0. 0134s,转速环小时间常数: TΣn = 2 TΣi + Ton = 0. 0318s

2. 2. 2 确定转速调节器结构和参数 在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(τns + 1)/τns式中Kn ,τn 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:τn = hTΣn = 0. 087s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h2 T2Σn= 118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNτnβCe TmαR=( h + 1)βCe Tm/2 hαRTΣn,则Kn =11.7

经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量σn = 8. 3 % ≤10 % 满足设计要求. 为保证电流调节器与转速调节器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元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6～+ 6。

3. Simulink 仿真试验及结果分析

3. 1. 构建仿真模型

3. 2 仿真

运行 Simulink 仿真模型，输出示波器，得出转速的仿真曲线

改变限幅装置限幅参数，仿真结果如下：

3.3 结果分析：

由上诉波形图分析可知，仿真后的转速输出虽然时间相应符合要求但是超调很大，

需要对调节器进行改进。适当减小转速调节器的比例系数和时间常数牺牲调节时间可以减小超调，

4.结论

在工程设计时，首先根据典型I型系统或典型Ⅱ型系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。

本文通过直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，对电流调节器和转速调节器进行的设计，选择了调节器的类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和分析。在充分发挥电机过载能力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工程中有一定的应用价值。造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因是工程设计方法在推导过程中做了许多近似的处理，而这些简化处理在一定的条件下才能成立，以及仿真实验在建立模型过程中忽略了许多非线性因素和次要因素。

参考文献 (References)

[1]陈伯时 电力拖动自动控制系统—运动控制系统 北京：机械工业出版社