双闭环直流调速系统.docx
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双闭环直流调速系统
xx大学
运动控制论文
题目：
双闭环直流调速系统性能改善的根本原因
姓名：
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学号：
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班级：
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指导老师：
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专业：
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XX大学电气工程学院
2014年4月
目录
摘要······················································3
ABSTRACT··················································3
引言······················································3
一、电动机运动学运动方程································4
二、直流电动机数学模型··································4
1.转速反馈控制直流调速系统的静特性····························4
2、转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型·····················5
三、双闭环系统组成······································6
四、性能分析············································7
1.直流双闭环系统的原理·········································7
2.双闭环调速系统优点···········································8
3.转速、电流双闭环控制系统·····································9
4.动态抗扰动性能分析··········································12
5.软件仿真····················································12
五、结论···············································16
参考文献·················································16
双闭环直流调速系统性能改善的根本原因
摘要
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于PID控制的转速控制环和电流控制环。
关键字：
双闭环系统直流调速电流反馈转速反馈MATLAB
ABSTRACT
Dcmotorhasagoodstart、breakingperformanceadaptabletothesmoothspeedregulation,widerangeinmanyneedspeedand（or）fastforwardandreversehasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrive.Thispaperintroducesthedesignbasedonengineeringtothedesignofthedcspeedcontrolsystem,accordingtothedcspeedcontroldoubleclosedloopcontrolsystemoftheworkingprinciple,designbasedonPIDcontrolthespeedcontrolloopandcurrentcontrolring.
Keyword:
Doubleclosedloopcontrol；Directcurrentgovernor；Currentfeedback；Speedfeedback；Matlab
引言：
随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用。
因此，对电机调速的研究有着积极的意义。
长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位。
这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件，转速和电枢电压成正比,转动矩容易被控制，同时具有良好的起动性能、能较平滑和经济地调节速度。
因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。
直流电机调速系统的控制器的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
在直流电机调速系统控制器设计中，主要是设计两个PID控制器。
控制器的设计过程可分为两步：
第一步，先选择控制器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。
第二步，选择控制器的参数，以满足动态性能指标。
PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点。
尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近90％的回路在应用PID控制策略。
一、电动机运动学运动方程
运动控制系统的基本运动方程式：
若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则运动控制系统的基本运动方程式可简化为
J
（1）
（2）
运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直线电动机来说是控制速度和位移。
由
（1）
（2）式可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩
，使转速变化率按人们的规律变化。
因此，转矩控制是运动控制的根本问题。
但
，控制了电枢电流也就控制了转矩，控制了转速。
二、直流电动机数学模型
1.转速反馈控制直流调速系统的静特性
从上图分析得出转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：
它表示闭环调速系统电动机转速与负载电流间的稳态关系
2.转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型
假定主电路电流连续，动态电压方程为
（3）
忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为
（4）
再定义下列时间常数：
------电枢回路电磁时间常数（s），
-----电力拖动系统机电时间常数（s），
=
代入式（3）（4），整理得
在零初始条件下，取等式两侧的拉普拉斯变换，得到电压与电流间的传递函数为
电流与电动势间的传递函数为
在静态图中加入比例放大器和测速反馈环节，得到
设
，从给定输入作用上看，转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数是
三、双闭环系统组成
双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），分别调节转速和电流，两者实行串级连接，且都带有输出限幅电路，限幅值分别为Usim和Ucm。
由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环节作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环节作为内环，以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。
将转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，转速环在外边。
这样就形成了转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统。
其系统原理图如图
转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
四、性能分析
1.直流双闭环系统的原理
ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。
ACR（电流调节器）根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。
进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。
整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。
2.双闭环调速系统优点
一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。
这种理想的起动过程如图1所示。
为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。
根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。
因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。
采用转速、电流双闭环控制系统。
如图2所示。
图1理想启动过程
图2双闭环直流调速控制系统原理图
图3双闭环直流调速系统动态结构图
参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图3所示。
3.转速、电流双闭环控制系统
n
a带电流截止负反馈的单闭环调速系统b理想的快速起动过程
图4直流调速系统的电流、转速启动特性曲线
双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。
双闭环调速系统在突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图5所示。
由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
第Ⅰ阶段：
0～t1是电流上升阶段。
突加给定电压
后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当Id≥Idl后，电动机开始转动。
由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压∆Un=
－Un数值较大并使其输出达到饱和值
，强迫电流Id迅速上升。
这时电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。
在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。
第Ⅱ阶段：
t1～t2是恒流加速阶段。
这一阶段是起动过程的主要阶段。
在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定
作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。
由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压∆Un必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于
。
此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。
第Ⅲ阶段：
t2以后是转速调节阶段。
此时,但由于积分作用,所以电动机仍在最大电流下加速,必然使转速必超调。
当时,使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降,也迅速下降。
但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。
当n达到最大值（t3时刻）。
此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。
在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。
由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量
，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。
快
图5转速和电流的过渡过程
综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：
1）饱和非线性。
在不同情况下表现为不同结构的线性系统。
2）准时间最优控制。
Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。
采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。
3）转速必超调。
按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压
为负值，才能使ASR退饱和。
这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。
4.动态抗扰动性能分析
由于转速环和电流环都采用了PI调节器，所以双闭环系统主要特征是静态基本无误差，动态抗干扰能力强。
1）、电网电压扰动
在双闭环调速系统中，电网电压的扰动处在电流环内，当电压扰动引起电流变化时，可以通过电流负反馈环节进行调节，即不必等到影响转速时就已被抑制。
2）、负载扰动
负载扰动在电流环之外，转速环之内，所以负载扰动靠转速负反馈环节进行调节。
（1）正常电流时（Id负载增大→则转速n减小→Ufn减小→△USR增大→Usi更负→PI积分效果使Uc增大→Ud0增大→转速n回升，直至转速无静差。
（2）当电动机发生严重过载时（Id>Idm），即出现Id>Idm→Ufi很大→Usi也很大，ASR输出达限幅值Usim→此时△UCR为正值→PI积分效果使Uc减小→Ud0减小→n迅速下降，直至堵转为止。
5.软件仿真
系统的动态响应
从Simulink模块库窗口创建系统模型如图2所示,选信号源模块组中的阶跃信号模块为输入信号,以输出模块组中的示波器作为显示器来观察系统阶跃响应。
在模型窗口设置传递函数模块的参数和特性,采用Simulink对整个系统进行仿真,则得到电动机的转速和电流的阶跃响应曲线,如下图所示。
从仿真结果可以看出,启动过程的第一阶段是电流上升阶段,突加给定电压,ASR的输入很大,其输出很快达到限幅值,电流也很快上升,接近其最大值。
第二阶段,ASR饱和,转速环相当于开环状态,系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流基本上保持不变,拖动系统恒加速,转速线性增长。
第三阶段,当转速达到给定值后,转速调节器的给定电压与反馈电压平衡,输入偏差为零,但是由于积分的作用,其输出还很大,所以出现超调。
转速超调之后,ASR输入端出现负偏差电压,使它退出饱和状态,进入线性调节阶段,使速度保持恒定,实际仿真结果非常接近理论分析的波形。
（1）电流环仿真
电流环仿真模型如图6。
参数如图所示，修改KI和1/TI的值可分别得到如图7、8、9所示的仿真结果图。
图6电流环仿真模型
图7电流环仿真结果图8电流环无超调仿真结果
图9电流环超调较大仿真结果
（2）转速环仿真
为了在示波器模块中反应出转速电流的关系，仿真模型中从SignalRouting组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope。
系统仿真图如图10所示。
修改参数Kn和1/Tn可得如图11、12所示的转速环仿真图。
图10转速环仿真模型
图11转速环空载高速启动仿真图图12转速环满载高速启动仿真图
双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
五、结论
双闭环调节具有很多优良的特性具有良好的静特性（接近理想的“挖土机特性”）。
②具有较好的动态特性，起动时间短（动态响应快），超调量也较小。
③系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。
④由两个调节器分别调节电流和转速。
这样，可以分别进行设计，分别调整（先调好电流环，再调速度环），调整方便。
通过这次论文对前面内容的回忆和巩固，比较深刻的了解领悟双闭环调速系统对生产机械的作用之大，目前还是有很多机械应用直流调速系统，而调速系统又是电拖控制系统中最基本的系统，我们更应该重新对这门课的认识，不懈学习。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2007
[2]胡寿松.自动控制原理.科学出版社，2007
[3]李琳.基于MATLAB的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究.自动化技术与应用，2007,26（11）：
73-74
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