1、廈門大學電氣工程實踐報告實習項目: 雙閉環直流調速系統的設計與仿真 系 別： 電氣工程學院 專 業： 電氣工程及其自動化 學 號： 00000 姓 名： 柯 登 指導老師： 日 期： 2015年5月 摘 要本文以控制系統的傳遞函數為基礎，采用工程設計方法對最常用的轉速、電流雙閉環調速系統進行設計，并用 MATLAB/Simulink軟件對系統進行了仿真。首先對雙閉環直流調速系統采用常規PID控制進行設計，電流調節器和轉速調節器都采用了PID控制器，并分別對電流環和轉速環的動態性能和抗擾動性能進行了仿真分析。其次，由于轉速調節器起主要作用，所以對轉速環采用模糊控制，并設計了模糊控制器，對雙閉環直

2、流調速系統進行仿真分析，并與常規PID控制進行了對比，仿真結果表明，模糊控制有良好的動態特性，很強的抗干擾能力。 關鍵詞：直流電動機；雙閉環調速；電流環；轉速環目 錄第1章 緒 論31.1 課題研究背景31.2 直流調速系統的國內外研究概況31.3 研究雙閉環直流調速系統的目的和意義4第2章 雙閉環直流調速系統工作原理4第3章 工程設計方法53.1 解析問題53.2 電流環設計63.3 轉速環設計6第4章 仿真實驗7第5章 仿真結果分析8第6章 總 結10參 考 文 獻11第1章 緒 論 1.1 課題研究背景 直流調速是現代電力拖動自動控制系統中發展較早的技術。就目前而言，

3、直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式，在許多工業部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。然而傳統雙閉環直流電動機調速系統多數采用結構比較簡單、性能相對穩定的常規PID控制技術，在實際的拖動控制系統中，由于電機本身及拖動負載的參數(如轉動慣量)并不像模型那樣保持不變，而是在某些具體場合會隨工況發生改變；與此同時，電機作為被控對象是非線性的，很多拖動負載含有間隙或彈性等非線性的因素。因此被控制對象的參數發生改變或非線性特性，使得線性的常參數的PID控制器往往顧此失彼，不能使得系統在各種工況下都保持與設計時一致的性能指標，常常使控制系統的魯棒性較差，尤其對模型參數

4、變化范圍大且具的非線性環節較強的系統，常規PID調節器就很難滿足精度高、響應快的控制指標，往往不能有效克服模型參數變化范圍大及非線性因素的影響。 模糊控制是智能控制的一個重要分支，在自然科學和社會科學的很多領域應用廣泛，它不依賴于被控制對象的精確的數學模型，而是將專家的經驗及知識轉化為語言控制規則，用這些控制規則去控制被控系統，能克服各種非線性因素的影響，對被控制對象的參數具有較強的魯棒性，針對直流電動機這種參數可能發生較大變化的被控對象，采用模糊控制具有重大的研究意義。1.2 直流調速系統的國內外研究概況 隨著各種處理器的出現和發展，國外對直流調速系統的研究也在不斷的進步

5、和完善，80年代該方面的研究達到最盛的時期。大型的直流電動機的調速系統一般均采用晶閘管觸發脈沖，研究人員對控制算法作了大量的研究：提出模糊PID算法、自適應PID算法、內模控制的算法和I-P控制器取代PI調節器的算法等。目前，國外一些電氣公司，如瑞典的ABB，德國的西門子、AEG，日本的三菱、東芝，美國的GE、西屋等，均已開發出多個數字直流調速裝置，有較成熟的標準化、系列化、模板化的應用產品。 從20世紀60年代初隨著我國第一只硅晶閘管試制成功以來，晶閘管直流調速系統得到了廣泛的應用和迅速的發展。目前，我國主要采用綜合性最優控制、補償PID控制、PID算法優化等方法研究數字直流調速系

6、統。伴隨各式新型控制器件的迅速發展，直流電動機晶閘管調速系統正向大功率發展，并實現控制單元小型化、集成化、標準化、積木式組合化。對某些中小功率裝置，正在做到使電動機和控制設備組合一體化。特別是近年來，全數字化直流調速裝置在國外各廠家竟相推出，使得直流調速系統在理論和實踐方面都邁上了一個新臺階。1.3 研究雙閉環直流調速系統的目的和意義 雙閉環直流調速系統是性能很好，應用最廣的直流調速系統。采用該系統可獲得優良的靜、動態調速特性。此系統的控制規律，性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統的重要基礎。 通過對轉速、電流雙閉環直流調速系統的了解，使我們能夠更好的掌握調

7、速系統的基本理論及相關內容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發現其缺陷之處，通過對該系統不足之處的完善，可提高該系統的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎，再對交流調速系統進行研究，最終掌握各種交、直流調速系統的原理，使之能夠應用于國民經濟各個生產領域。第2章 雙閉環直流調速系統工作原理雙閉環直流調速系統是最典型的調速系統，其原理如圖 1 所示。雙閉直流調速系統的特點是電動機的轉速和電流分別由 2 個獨立的調節器控制，且轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定，因此電流環能夠隨轉速的偏差調節電動機電樞的電流。當轉速低于給定轉速時，轉速調節器的積分作用使輸出增加，即電流給

8、定上升，并通過電流環調節使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉矩，電動機轉速上升。當實際轉速高于給定轉速時，轉速調節器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流環調節使電動機電流下降，電動機將因為電磁轉矩減小而減速。當轉速調節器飽和輸出達到限幅值時，電流環即以最大電流限制dmI 實現電動機的加速，使電動機的啟動時間最短，在可逆調速系統中實現電動機的快速制動。在不可逆調速系統中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產生反向制動轉矩而使電動機快速制動。ASR轉速調節器；ACR電流調節器；TG測速發電機；TA電流互感器；GT觸發裝置； 、 轉速給定電壓和轉速反饋電壓； 、電流給定電壓和電流反饋電

9、壓；圖 1 雙閉環直流調速系統原理圖第3章 工程設計方法依據工程設計方法，首先選擇調節器的結構，滿足穩態精度的同時保證系統穩定，接下來選擇調節器的參數，滿足動態性能指標的要求。以某雙閉環直流調速系統為例，采用三相橋式整流電路，直流他勵電動機，已知參數為功率P e=1.1kw ，額定電流Ie =6.7A，磁極對數 P=1， =1500 r / min，勵磁電壓220V，電樞繞組電阻Ra=2.34 ，主電路電阻 R=7， Lm=246.25 mH（電樞、平波電感和變壓器電感之和），Ks =58.4 ，機電時間常數Tm =116.2 ms，濾波時間常數 Ton=Toi=0.00235s，過載倍數 =

10、 1.5，電流給定最大值U*in = 10V，速度給定最大值U*n = 10V。3.1 解析問題（1）（2）電流反饋系數（3）轉速反饋系數（4）整流裝置滯后時間常數Ts三相橋式電路的平均失控時間選用Ts =0.0017s3.2 電流環設計（1）傳遞函數處理忽略反電動勢變化的動態作用，而將電動勢反饋斷開，為電樞電路電磁時間常數最后都比 小得多，所以課當作小慣性環節處理，等效成一個慣性環節（2）電流調節器 ACR 結構選擇按典型 I 系統來設計為了抵消控制對象的大時間常數的極點 （3）電流調節器的參數選擇，電流調節器超前時間常數按，取 所以得所以3.3 轉速環設計 （1）控制對象傳遞函數處理 在設

11、計轉速環時，已設計好的電流環可以看做是轉速調節系統中的一個環節，根據電流環動態結構圖，其閉環系統傳遞函數為而電流調節器設計時KixTi=0.5所以這樣（2）轉速調節器結構選擇 為了實現轉速調節無靜差，必須在擾動作用點以前設置一個積分環節，轉速環節按型系統設計 。利用 PI 調節器轉速環增益為（3）轉速調節器參數選擇去h=5,調節器轉速環ASR的超前時間常數為轉速開環增益為：所以轉速PI調節器第4章 仿真實驗 電流環和轉速環都采用 PI 調節，整個系統的 MATLAB 仿真框圖如圖2所示：圖 2 系統的 MATLAB 仿真框圖第5章 仿真結果分析（1）改變轉速調節器的參數改積分時間常數 0.05

12、3S 為 0.253S，負載電流為 100A，電機轉速波形為：圖 3 電機轉速波形（4）改電流環參數改電流環積分時間常數 0.205S 為 0.105S 后，電機轉速波形為：圖 4 電機轉速波形通過不同給定負載下的仿真波形，可以直觀地看到按理論方法設計的調速系統從啟動到穩定運行的各個階段。電動機的啟動特性已十分接近理想特性，所以系統設計對于啟動特性來說，已達到預期目的。但對于系統性能指標來說，啟動過程中電流的超調量達到近 25%，顯然這一指標與理論最佳設計尚有一定的差距。系統還未調整到最佳狀態，又將 ASR 與 ACR 的參數作進一步調整，可使系統動態參數進一步改善。在仿真過程中，必須經過大量

13、的實驗，適當地調整參數，才能得出超調量較低、穩定性能較好的系統。第6章 總 結通過這次設計，我基本上掌握了直流雙閉環調速系統的設計。具體的說，第一，了解了調速的發展史的同時，進一步了解了交流調速系統所蘊涵的發展潛力，掌握了這一方面未來的發展動態；第二，了解了雙閉環直流調速系統的基本組成以及其靜態、動態特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、電流調節器）為了滿足系統的動態、靜態指標在結構上的選取，包括其參數的計算；第四，運用MATLAB仿真系統對所建立的雙閉環直流調速系統進行的仿真，與此同時，進一步熟悉了MATLAB的相關功能，掌握了其使用方法。 本課程設計綜合運用了自動控制原理、

14、電力電子技術、電力拖動與控制技術等的知識，為了更好的完成設計，我又重新復習了一遍原來所學的知識，加深了對知識的理解，提高了對知識的應用能力，同時使我認識到了各個課程之間是緊密聯系的。 總之，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發現，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺，同時感謝在設計中提供幫助的老師和同學們參 考 文 獻1 周淵深.交直流調速系統與MATLAB 仿真M北京：中國電力出版社，20052 王兆安，黃俊電力電子技術M北京：機械工業出版社，20083 陳伯時電力拖動自動控制系統M北京：機械工業出版社，20064 王鑫，張麗玲轉速、電流雙閉環直流調速系統設計J科技信息，20105 李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗M.北京：機械工業出版社,20066 呂慶敏.電力電子技術J.西安：電力電子技術期刊社,20117 高昕,洪蓮.諧波濾波電抗器在生產中應用J.淮南工業學院學報,20018 劉述喜,王明渝.直流電機驅動裝置改造及應用J.電工技術雜志,2004電氣工程實踐成績評價表課程名稱電氣工程實踐題目名稱雙閉環直流調速系統的設計與