雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，直流調(diào)速系統(tǒng)因其寬廣的調(diào)速范圍、高精度的控制能力、出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及易控性而被廣泛應(yīng)用。為提升此類(lèi)系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性，文章依托Simulink仿真平臺(tái)開(kāi)展了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)探討。借助Simulink環(huán)境，文章構(gòu)建并優(yōu)化了數(shù)字化控制器模型，對(duì)整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的設(shè)計(jì)與調(diào)試，旨在實(shí)現(xiàn)更高水準(zhǔn)的控制性能。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；直流調(diào)速；雙閉環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

直流電機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使直流調(diào)速控制器成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心組件，其穩(wěn)定性和精確性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)［1-2］。盡管傳統(tǒng)模擬控制技術(shù)被廣泛研究，但受限于精度低、抗干擾能力弱以及調(diào)試?yán)щy等局限性［3］，目前研究已轉(zhuǎn)向數(shù)字調(diào)節(jié)器［4］。數(shù)字控制器因其調(diào)試便捷、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高及功能豐富等優(yōu)勢(shì)逐漸取代模擬控制器［5］。

Simulink作為基于MATLAB的實(shí)時(shí)仿真和硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)模型到實(shí)時(shí)代碼的快速轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制。采用Simulink平臺(tái)對(duì)直流調(diào)速控制器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，不僅可以充分發(fā)揮數(shù)字控制器的優(yōu)點(diǎn)，還能利用Simulink環(huán)境的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)來(lái)提升系統(tǒng)控制精度與穩(wěn)定性。

本研究聚焦基于Simulink平臺(tái)的直流調(diào)速控制器數(shù)字化設(shè)計(jì)，旨在克服傳統(tǒng)模擬控制器的缺點(diǎn)，通過(guò)采用數(shù)字化控制技術(shù)提高直流電機(jī)的控制精度和性能，并降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)可靠性。這一方法不僅促進(jìn)了直流電機(jī)控制uVkm94BcCuDtO5aPGq1scw==理論的研究進(jìn)步，還可將其推廣應(yīng)用于交流調(diào)速控制器、電力電子調(diào)節(jié)器等領(lǐng)域。

1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的電機(jī)控制策略，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，它基于雙重反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電流的精密調(diào)控。該系統(tǒng)主要由耦合運(yùn)作的速度環(huán)和電流環(huán)2個(gè)部分組成。

速度閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)將實(shí)時(shí)檢測(cè)的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速相比較，采用經(jīng)典的比例積分微分（Proportional Integral Differential，PID）控制算法處理誤差信號(hào)，控制器輸出作為調(diào)整電機(jī)電壓或電流的指令變量，以確保電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高效且準(zhǔn)確地追蹤并逼近期望值。啟動(dòng)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定閾值時(shí)，速度調(diào)節(jié)器會(huì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以開(kāi)環(huán)方式工作，限制輸出電壓，從而促進(jìn)電機(jī)在限定電流下快速啟動(dòng)；隨著轉(zhuǎn)速上升，速度調(diào)節(jié)器逐步過(guò)渡至線(xiàn)性區(qū)，并進(jìn)入閉環(huán)模式運(yùn)行。

電流閉環(huán)控制著重于電機(jī)電樞電流的精確跟蹤與穩(wěn)態(tài)控制，同樣運(yùn)用PID算法，根據(jù)實(shí)際電流與理想電流的偏差來(lái)調(diào)整電機(jī)電壓，旨在維持恒定且可調(diào)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和負(fù)載適應(yīng)能力。在啟動(dòng)后期，當(dāng)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，電流控制器也隨之脫離飽和狀態(tài)，與速度控制器協(xié)同作用，共同保障整個(gè)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有卓越的瞬態(tài)響應(yīng)特性、高精度控制性能以及強(qiáng)抗擾動(dòng)能力。

2 系統(tǒng)模型的搭建

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種具有高度精確性的直流電動(dòng)機(jī)控制策略，整合了速度與電流2個(gè)獨(dú)立且相互耦合的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)構(gòu)建和分析該系統(tǒng)的仿真流程時(shí)，本文主要遵循以下步驟。

（1）在MATLAB環(huán)境中啟動(dòng)Simulink軟件并創(chuàng)建一個(gè)新的模型實(shí)例。

（2）從Simulink庫(kù)中導(dǎo)入相應(yīng)的模塊，包括直流電機(jī)模型、速度環(huán)控制器模型以及電流環(huán)控制器模型，這些模塊共同構(gòu)成了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)。

（3）根據(jù)電機(jī)的實(shí)際規(guī)格數(shù)據(jù)，在模型中設(shè)定電機(jī)的額定電壓、額定轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩常數(shù)等物理參數(shù)，這些數(shù)值通常可在電機(jī)的技術(shù)手冊(cè)中查得。

（4）設(shè)置速度環(huán)控制器的比例-積分-微分參數(shù)，包括比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。這些參數(shù)的選擇可通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或基于領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)法則進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（5）設(shè)置電流環(huán)控制器設(shè)置其比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。

（6）設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部連接邏輯，將速度環(huán)控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)控制器的輸入?yún)⒖贾担⒋_保電流環(huán)控制器的輸出直接作用于直流電機(jī)的控制端口，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電流間接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

（7）在模型中引入一個(gè)外部輸入模塊，用于模擬期望的電機(jī)轉(zhuǎn)速指令，可以采用階躍信號(hào)或正弦信號(hào)等多種形式。

（8）執(zhí)行仿真程序，觀(guān)察并分析系統(tǒng)對(duì)不同輸入信號(hào)及控制器參數(shù)變化下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與其接收的有效電壓之間存在緊密關(guān)聯(lián)性，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸入偏差電壓Δusr定義為usn與ufn之差，而ASR的輸出usi充當(dāng)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的目標(biāo)信號(hào)。電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸入偏差電壓遵循公式Δucr=-usi+ufi，其輸出電壓Uc則直接決定了系統(tǒng)的實(shí)際控制電壓。在系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，改變控制電壓Uc會(huì)直接影響觸發(fā)器的控制角α以及最終的輸出電壓Udo，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)調(diào)控，使得電機(jī)能夠在預(yù)定范圍內(nèi)靈活變換運(yùn)行速度。

值得注意的是，相較于單閉環(huán)系統(tǒng)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型具有更高的精度要求和更復(fù)雜的參數(shù)配置需求，包含有ACR和ASR這2個(gè)關(guān)鍵部件，它們分別通過(guò)限幅電路Usim和Ucm來(lái)限定各自的輸出范圍。鑒于轉(zhuǎn)速是核心被控變量，故應(yīng)視速度負(fù)反饋回路為外環(huán)，以確保電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠準(zhǔn)確跟蹤給定指令；同時(shí)，電流負(fù)反饋回路作為內(nèi)環(huán)，使系統(tǒng)在最大允許電流下平穩(wěn)過(guò)渡，達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制效果。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，必須根據(jù)具體應(yīng)用條件精心校準(zhǔn)和整定系統(tǒng)參數(shù)以及控制器參數(shù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性能。

3 仿真結(jié)果

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖2所示。在圖2中可以清晰地觀(guān)察到電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間演進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。在仿真初期階段，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由靜止?fàn)顟B(tài)（0）開(kāi)始逐漸提升，并最終趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。值得注意的是，在該穩(wěn)態(tài)階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速?lài)@預(yù)設(shè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值呈現(xiàn)出較小幅度的波動(dòng)，且目標(biāo)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為183.225 rad/s。相較于前一版本的電流環(huán)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)顯著減小，這一現(xiàn)象有力地證明了本雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制性能優(yōu)越，其對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)控能力得到了顯著提升。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著模擬進(jìn)程推進(jìn)而不斷增長(zhǎng)直至達(dá)到穩(wěn)定的規(guī)律性變化。在穩(wěn)態(tài)條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩圍繞設(shè)定的理想值發(fā)生微小振蕩，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為0.5 N·m。對(duì)比先前的電流環(huán)控制方案，本系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)波動(dòng)控制上亦表現(xiàn)出了更優(yōu)的效果，這表明其在轉(zhuǎn)矩控制精度和穩(wěn)定性方面取得了改進(jìn)，從而整體提升了系統(tǒng)的控制效能。

4 結(jié)語(yǔ)

基于Simulink平臺(tái)的直流調(diào)速控制器數(shù)字化設(shè)計(jì)方法憑借其卓越的控制精度、強(qiáng)健的穩(wěn)定性、廣泛的適用性和高效的工程實(shí)現(xiàn)能力，為提升各類(lèi)工業(yè)控制系統(tǒng)性能，尤其是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提供了極具價(jià)值的解決方案。這種方法不僅革新了傳統(tǒng)控制設(shè)計(jì)思路，還有力推動(dòng)了工業(yè)控制技術(shù)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

參考文獻(xiàn)

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Design of dual-closed loop DC speed control system

Abstract：In the field of electrical drives， DC speed control systems are widely employed due to their extensive speed range， high precision control capabilities， excellent dynamic response， and easy controllability. To enhance the control precision and stability of such systems， this study leverages the Simulink simulation platform to explore the digital design of a dual-closed loop DC speed control system. Utilizing the Simulink environment， a digital controller model is constructed and optimized， with a comprehensive design and debugging process carried out for the entire speed control system， aiming at achieving a higher level of control performance.

Key words： DC motor; DC speed control; dual closed-loop