1、基于matlab的直流雙閉環調速系統設計與仿真 (洛陽工業高等專科學校 自動化系，河南 471003)摘要： 針對直流調速系統理論設計與實際要求相差較大的現象，本文利用matlab/simulink仿真平臺對直流調速系統的理論設計結果進行仿真；通過系統仿真以靈活調節各項參數，從而獲得理想的設計結果；實踐表明，利用仿真技術可以大大地減少直流雙閉環調速系統的設計和調試強度。關鍵詞：直流調速 理論設計 系統仿真中圖分類號：TP183；TM342 文獻標識碼：B0 前言在直流雙閉環調速系統設計中，在理論設計基礎上根據實際系統運行情況作參數的調整是系統設計調試過程必不可少的一部分。原因在于系統的實際參數

2、，往往與理論設計時所用的值有一定的誤差，而且系統某些環節非線性因素影響會使系統在理論設計參數后并不能立即獲得理想的調速性能，因此需要通過調試過程才能獲得理想性能。傳統的調試方法不僅增加系統的設計與調試強度而且不易產生預期結果。matlab/simulink仿真平臺是基于模型化圖形組態的動態系統仿真軟件，利用這種仿真工具可以不運行實際系統，只要在計算機上建立數字仿真模型，模仿被仿真對象的運行狀態及其隨時間變化的過程。通過對數字仿真模型的運行過程的觀察和設計，得到被仿真系統的仿真輸出參數和基本特征，以此來估計和推斷實際系統的真實參數和真實性。而且可以非常方便地完成調試過程且能十分直觀地得到系統輸出

3、波形。利用matlab/simulink仿真工具有效地對直流調速系統進行參數調試，可以非常直觀地觀察電動機電流和轉速響應情況進行靜態和動態分析，是目前國際上廣泛流行的工程仿真技術。 本文利用 matlab仿真工具對直流調速系統進行仿真分析，通過仿真方法來調整理論設計所得的參數，找出系統調節器的最佳參數，仿真結果可以用來指導實際系統的設計。1 直流調速系統的理論設計1.1 系統組成及要求 本文研究的對象為電流轉速雙閉環直流調速系統，其系統動態結構框圖如圖1 所示，系統參數如下：電動機：；允許過載倍數： ；三相橋式整流裝置放大倍數：；電樞回路總電阻： ；時間常數： ；，電流反饋系數：；轉速反饋系數

4、：。設計要求：（1）穩態指標：無靜差；（2）動態指標：電流超調量，啟動到額定轉速時的轉速超調量；1.2 電流調節器設計1：確定時間常數。（1）整流裝置滯后時間常數 三相橋式電路的平均失控時間；（2）電流濾波時間常數 三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應該有,因此取；（3）電流環小時間常數 按小時間常數近似處理，取。圖1直流雙閉環調速系統動態結構圖2：確定將電流環設計成何種典型系統根據設計要求：，而且 ，因此設計成典型I型系統。3：電流調節器的結構選擇 電流調節器選用比例積分調節器（PI）,其傳遞函數為。4：選擇電流調節器參數 電流調節器超前時間常數：； 電流開環增益：

5、因要求，故取，因此，于是電流調節器的比例系數為5：校驗近似條件 電流環截止頻率 1）校驗晶閘管裝置傳遞函數的近似條件是否滿足：，因為，所以滿足近似條件； 2）校驗忽略反電動勢對電流環影響的近似條件是否滿足：，由于，滿足近似條件； 3) 校驗小時間常數近似處理是否滿足條件：，由于，滿足近似條件。按照上述參數，電流環滿足動態設計指標要求和近似條件。1.3 速度調節器設計1：確定時間常數。（1）電流環等效時間常數為；（2）電流濾波時間常數根據所用測速發電機紋波情況，??；（3）轉速環小時間常數按小時間常數近似處理，取。2：確定將轉速環設計成何種典型系統 由于設計要求轉速無靜差，轉速調節器必須含有積分環

6、節；又根據動態設計要求，應按典型II型系統設計轉速環。3：轉速調節器的結構選擇。 轉速調節器選用比例積分調節器（PI）,其傳遞函數為。4：選擇轉速調節器參數 按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則轉速調節器的超前時間常數為 ，轉速開環增益為所以轉速調節器的比例系數為 5：校驗近似條件 轉速環截止頻率 1）校驗電流環傳遞函數簡化條件是否滿足，由于，滿足簡化條件； 2）校驗小時間常數近似處理是否滿足條件：，由于，滿足近似條件。3）核算轉速超調量 當h=5時，而，因此能滿足設計要求。2 系統仿真1.1 理論計算參數仿真分析根據理論設計結果，構建直流雙閉環調速系統的仿真模型，如圖2 所示。 在額定

7、轉速和空載下，對系統進行仿真得到電動機電樞電流和轉速的仿真輸出波形，如圖3。圖2 直流雙閉環調速系統的仿真模型圖3額定轉速空載時轉速仿真波形 圖4調整后的轉速仿真波形從圖3中可知：1：轉速超調量為25%，轉速超調量過大，系統相對穩定性弱；2：整個起動過程只需0.6 秒，系統的快速性較好。1.2 仿真調試分析通過以上仿真分析，與理想的電動機起動特性相比，仿真的結果與理論設計具有差距。為什么會出現上述情況，從理論的設計過程中不難看出，因為在“典型系統的最佳設計法”時，將一些非線性環節簡化為線性環節來處理，如滯后環節近似為一階慣性，調節器的限幅輸出特性近似為線性環節等。經過大量仿真調試，改變電流和轉速環調節器的參數，兼顧電流、轉速超調量和起動時間性能指標，找出最佳參數為：，；，。其轉速波形如圖4所示。從圖4中可知：1：轉速環超調量為 6%，超調量符合要求。2：整個起動過程約為 0.8 秒，系統的快速性仍較好。3結論以上分析表明，利用matlab仿真平臺對直流調速系統理論設計與調試使得系統的性能分析過程簡單。通過對系統進行仿真，可以準確地了解到理論設計與實際系統之間的偏差，逐步改進系統結構及參數，得到最優調節器參數，使得系統的調試得到簡化，縮短了產品的開發設計周期。該仿真方法必將在直流調速系統的設計與調試中得到廣泛應用。參考文獻：1 陳伯時