雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)MATLAB/Simulink建模與仿真

張程　張卓

摘 要：文章針對傳統(tǒng)PID直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量過高、調(diào)節(jié)時(shí)間不理想的問題，設(shè)計(jì)了一種雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。建立了雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對控制器參數(shù)進(jìn)行了整定。建立了系統(tǒng)Simulink模型并進(jìn)行仿真，分析了系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)PID直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，本雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)可以消除超調(diào)量、有效縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，具有更好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；直流調(diào)速；Simulink建模；仿真分析

隨著電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)上對于電機(jī)的使用頻率及動(dòng)態(tài)性能的要求不斷提高，直流電機(jī)的速度控制問題是常見且重要的工程研究問題之一[1]。傳統(tǒng)PID直流調(diào)速控制系統(tǒng)存在超調(diào)量過高、調(diào)節(jié)時(shí)間緩慢等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不理想，在一些對于工藝要求精準(zhǔn)的情況下無法滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。如何解決控制系統(tǒng)中穩(wěn)、快、準(zhǔn)等各方面性能制約，以達(dá)到對于轉(zhuǎn)速、電流控制指標(biāo)的要求，始終是一個(gè)重要的討論課題[2]。文章針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)PID直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了電流調(diào)節(jié)器，以改善系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能，相對于傳統(tǒng)PID調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)有效降低了直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的超調(diào)量，明顯提高了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，具有更好的系統(tǒng)性能。

1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直流電機(jī)的速度控制問題是常見且重要的工程研究問題之一，隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，工程上對于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快性能指標(biāo)有了越來越苛刻的要求[3]。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)，是改善過程控制系統(tǒng)品質(zhì)的一種有效方式，并在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

文章所設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由兩個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)結(jié)構(gòu)組成，電流調(diào)節(jié)器在里面（電流環(huán)）；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外邊，（速度環(huán)）。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器ACR（Current Regulator）和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR（Speed Regulator），兩者之間實(shí)行串級連接，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出去控制晶閘管裝置。

4 MATLAB/Simulink仿真與結(jié)果分析

根據(jù)上文所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)計(jì)算結(jié)果，建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖[7，8]，如圖4所示。

基于對系統(tǒng)非線性飽和因素的考慮，依據(jù)控制器參數(shù)的工程經(jīng)驗(yàn)法對ASR和ACR的理論計(jì)算參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，并由仿真得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線及啟動(dòng)動(dòng)態(tài)特性曲線。通過對比如圖5所示的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線和傳統(tǒng)PID直流調(diào)速系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，可得傳統(tǒng)PID系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量較大，動(dòng)態(tài)性能緩慢，而雙閉環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)超調(diào)量極小，動(dòng)態(tài)性能明顯改善。圖6和圖7分別為系統(tǒng)的ASR啟動(dòng)輸出特性和ACR輸出特性，可得在啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過程中ASR和ACR動(dòng)態(tài)特性良好，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性十分接近理想特性。

5 結(jié)束語

文章針對傳統(tǒng)PID調(diào)速控制系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)速超調(diào)量過大、動(dòng)態(tài)性能不理想等問題，介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)整定，以ASR為外環(huán)，ACR作為內(nèi)環(huán)，設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)PI控制器及控制器參數(shù)，在MATLAB環(huán)境下建立了系統(tǒng)的Simulink仿真模型，得到仿真曲線。對比傳統(tǒng)PID直流調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真曲線可得結(jié)論：雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)可以較好的抑制干擾的作用，大大降低了轉(zhuǎn)速的超調(diào)量，動(dòng)態(tài)指標(biāo)理想，提高了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能。

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作者簡介：張程（1986-），女，遼寧省沈陽市人，碩士，助教，研究方向：控制科學(xué)與工程。