基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)PID參數(shù)自尋優(yōu)

陳龍燦趙 勝 胡 毅

（1 重慶郵電大學(xué)移通學(xué):，重慶 合川 401520）（2 國網(wǎng)寧夏電力公司中衛(wèi)供電分公司，寧夏 中衛(wèi) 755000）（3 貴州赤天化正泰工程有限責(zé)任公司，貴州 赤水 564707）

基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)PID參數(shù)自尋優(yōu)

陳龍燦1趙 勝2胡 毅3

（1 重慶郵電大學(xué)移通學(xué):，重慶 合川 401520）（2 國網(wǎng)寧夏電力公司中衛(wèi)供電分公司，寧夏 中衛(wèi) 755000）（3 貴州赤天化正泰工程有限責(zé)任公司，貴州 赤水 564707）

轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)靜、動態(tài)性能優(yōu)良，在直流拖動系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文提出一種基于MATLAB的針對ASR和ACR快速高效的設(shè)計(jì)方法。將MATLAB工具箱結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)。應(yīng)用Simulink對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，應(yīng)用Simulink Design Optimization工具箱進(jìn)行ASR和ACR的PID參數(shù)自尋優(yōu)，具有一定的工程和理論設(shè)計(jì)參考意義。

雙閉環(huán)；MATLAB；仿真；PID參數(shù)

1 前沿

目前,工業(yè)直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各類嵌入式控制器大量在工業(yè)中的運(yùn)用，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的精度和控制要求越來越高。MATLAB軟件以其方便、快捷、高效等優(yōu)點(diǎn)而風(fēng)靡全球且被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，Simulink仿真平臺更是為工程設(shè)計(jì)提供了便利[1]。本文是基于MATLAB/Simulink的仿真平臺，自動尋找直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)中的ASR和ACR的PID最優(yōu)參數(shù)。

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們希望在啟動或者制動過渡過程中，開始始終保持電流為允許的最大值，給調(diào)速系統(tǒng)提供最大的啟動或制動轉(zhuǎn)矩。但是當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)速之后希望電流能立即降到額定電流，使電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[2]。在此基礎(chǔ)上引入了電流負(fù)反饋（ACR）和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋（ASR）對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

外環(huán)ASR和內(nèi)環(huán)ACR均為PI調(diào)節(jié)器，為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制和快速的跟隨，ASR和ACR均設(shè)計(jì)有限幅電路，ASR的輸出電壓Uim限幅決定了電流的給定值為最大，ACR的輸出電壓Ucm限幅限制了電力電子變換裝置的最大輸出電壓Ud0。

2 系統(tǒng)參數(shù)及要求

本文研究的對象為直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)為:

直流電動機(jī):220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V.min/r，允許過載倍數(shù)λ=1.5，晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40，電樞回路總電阻R=0.5，時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s，Tm=0.18s，電流反饋系數(shù)β= 0.05V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.007V.min/r。

設(shè)計(jì)要求:穩(wěn)態(tài)無靜差，上升時(shí)間Tr=2.5s，調(diào)節(jié)時(shí)間Ts= 3.5s（其中±2%的范圍為允許誤差帶），超調(diào)量σ≤5%

3 建立系統(tǒng)仿真模型

建立Simulink系統(tǒng)仿真模型圖如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)仿真圖

3 系統(tǒng)PID參數(shù)自動優(yōu)化

打開兩個(gè)“PID”模塊，將其中的P、I、D參數(shù)均設(shè)置為Kp、Ki、Kd；在MATLAB命令窗口對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行任意值的賦值；然后打開“Signal Constraint”模塊，由“Optimization→Tuned Parameters”添加Kp、Ki、Kd這三個(gè)變量，使模塊確定優(yōu)化的參數(shù)對象，由“Goals→Desired Response”設(shè)置系統(tǒng)期望參數(shù)。點(diǎn)擊運(yùn)行，MATLAB開始運(yùn)算，根據(jù)之前期望的響應(yīng)自動選擇最合適的PID參數(shù)，進(jìn)行PID參數(shù)自尋優(yōu)，其中本文中只使用了PI調(diào)節(jié)器，如果需要PID調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)方法相同。

根據(jù)要求，經(jīng)過自尋優(yōu)得出ASR和ACR中Kp=1.5748 Ki= 0.035，如圖3所示，運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出如圖4所示。

圖3 Signal Constraint自動尋優(yōu)參數(shù)

圖4 電機(jī)運(yùn)行仿真圖

本文中Simulink Design Optimization工具箱對ASR和ACR的PID參數(shù)進(jìn)行同時(shí)自動優(yōu)化，即最終得到的兩個(gè)PID參數(shù)一致，這也給工程設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，不用分別對每個(gè)PID參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。當(dāng)系統(tǒng)期望的響應(yīng)指標(biāo)發(fā)生改變后，運(yùn)用此方法仍然可以尋找適合系統(tǒng)的最佳PI參數(shù)。

4 結(jié)論

本文介紹了基于MATLAB的直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)PID參數(shù)自動尋優(yōu)，結(jié)合運(yùn)用Simulink仿真和Simulink Design Optimization完成了控制系統(tǒng)的PID快速設(shè)計(jì)，控制效果能夠滿足設(shè)定要求，證明該方法設(shè)計(jì)周期短，開發(fā)效率高，調(diào)整和計(jì)算方便，對直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中控制器的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

[1]劉春艷.聞玉鳳.基于MATLAB/Simulink雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究[N].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào).2014.(3):26-28

[2]阮毅.陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2012.7