摘 要：本文介紹了基于工程設(shè)計(jì)方法對直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用Matlab/Simulink進(jìn)行建模與仿真研究，最后顯示控制系統(tǒng)仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)器，SimuLink,轉(zhuǎn)速環(huán) Abstract:this paper introduce a design method of DC based on engineering , studying modle and simulation of controlled plant by simulink.At last show simulation output of the control system . Keywords:regulator, SimuLink,loop of revolution rate 1 引言 　　直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制中占有及其重要的地位。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，特別是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)將有逐步被交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)所取代的趨勢，但在中、小功率的場合，常采用永磁直流電動(dòng)機(jī)，只需對電樞回路進(jìn)行控制，相對比較簡單。特別是在高精度位置伺服控制系統(tǒng)、在調(diào)速性能要求高或要求大轉(zhuǎn)矩的場所，直流電動(dòng)機(jī)仍然被廣泛采用[2]，直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要完成開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計(jì)算參數(shù)較多，往往難以如意。如在設(shè)計(jì)過程中使用Matlab中的SimuLink實(shí)用工具來輔助設(shè)計(jì)，由于它可以構(gòu)建被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，直觀迅速觀察各點(diǎn)波形，因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復(fù)修改其動(dòng)態(tài)模型來完成，而不必對實(shí)物模型進(jìn)行反復(fù)拆裝調(diào)試[4]。Matlab中的動(dòng)態(tài)建模、仿真工具SimuLink具有模塊組態(tài)方便，性能分析直觀等優(yōu)點(diǎn)，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，也可以給教學(xué)提供了虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺。 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖： 　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，可繪出電流、轉(zhuǎn)速雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。 [align=center] 圖 1 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)[/align] 3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 　　校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法很多，而且是很靈活的，用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互矛盾的靜動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和熟練的設(shè)計(jì)技巧。這樣初學(xué)者往往不易掌握，在工程應(yīng)用中也不很方便。于是便產(chǎn)生建立更簡便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。 　?。?）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)： 　　實(shí)際系統(tǒng)中往往有一些小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，它們的倒數(shù)都處于對數(shù)頻率特性的高頻段，對它們作近似處理不會(huì)顯著地影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。故當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)小慣性環(huán)節(jié)時(shí)，在一定條件下，可以將它們近似看成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于原系統(tǒng)各小時(shí)間常數(shù)的和[6]。經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的處理，并且忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)的影響，再假定為理想空載即，得電流環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖2所示， [align=center] 圖 2 電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）簡化結(jié)構(gòu)[/align] 　　為限制超動(dòng)電流過大在電流環(huán)中采用抗飽合電流調(diào)節(jié)器，由于電流檢測信號中常含有交流分量，故需要加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù) 按需要選定，濾波環(huán)節(jié)可抑制反饋信號中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號帶來延滯，為了平衡這一延遲作用在給定信號通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)，其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使兩者得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，圖中，。 　　由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而希望超調(diào)量越小越好，同時(shí)要求抗擾動(dòng)性能較好，因此一般都按典型I型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán)，取抗飽合電流調(diào)節(jié)器（PID）中的D為零，建立如下一個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)，其SIMULINK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示2 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 　　（3.1） 　　式中： ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 　　——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 　　電流調(diào)節(jié)器的待定參數(shù)包括和，為了讓調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對消掉控制對象的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，令=則電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 　　（3.2） 　　式中： 降階處理后近似為： 　　（3.3） 　　在一般情況下，希望超調(diào)量，由表1可取阻尼比 ，， 　　表1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 　　因此 　　（3.4） 　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)： 　　為了簡化系統(tǒng)，在此內(nèi)電流環(huán)建成后，必須進(jìn)行模塊封裝，可將其取名為“被控制對象”，繼而再建立它的轉(zhuǎn)速外環(huán)。為了限制轉(zhuǎn)速，以免產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)速環(huán)中亦采用抗飽合調(diào)節(jié)器（PID）。則測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換相紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)為 表示，跟電流環(huán)一樣道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常為 的給定濾波環(huán)節(jié)。并經(jīng)過將濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)， 　　再把時(shí)間常數(shù)為 和 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 的慣性環(huán)節(jié)，，則轉(zhuǎn)速環(huán)簡化成如圖所示。 　　轉(zhuǎn)速環(huán)一般選用典型II型系統(tǒng)這首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，其次從動(dòng)態(tài)性能上看，有較好的抗擾性能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 　　（3.5） 　　式中， K[sub]n[/sub]——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 　　τ[sub]n[/sub]——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 　　這樣，轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 　　（3.6） 　　式中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括K[sub]n[/sub]和τ[sub]n[/sub]，按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法得， 所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)h的選擇要以系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)性能的要求來決定，一般選擇h=5。 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真舉例： 　　某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 　　直流電動(dòng)機(jī)：220V、136A、1460r/min、C[sub]ε[/sub]=0.132V/r/min，允許過載倍數(shù)為 λ=1.5 　　晶閘管裝置放大系數(shù)：K[sub]s[/sub]=40，電樞回路總電阻R=0.5Ω,電樞回路電感：L=0.015H 　　設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差;動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量輸出的轉(zhuǎn)速波形 [align=center] 圖 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出仿真曲線[/align] 5 結(jié)論： 　　通過Simulink對電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模，并得該控制系統(tǒng)的仿真曲線。表明基于工程設(shè)計(jì)法是可行的，并具有簡便性。 參考文獻(xiàn)： 　　1、韓璐 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其SIMULINK的仿真 航海工程 2/2003 　　2、舒懷林 直流電動(dòng)機(jī)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 電機(jī)控制 11/2005 　　3、焦洪偉 可控硅在直流電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速中的應(yīng)用 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