摘 要：本文介紹了基于工程設計方法對直流調速系統的設計，并利用Matlab/Simulink進行建模與仿真研究，最后顯示控制系統仿真結果。 關鍵詞：調節器，SimuLink,轉速環 Abstract:this paper introduce a design method of DC based on engineering , studying modle and simulation of controlled plant by simulink.At last show simulation output of the control system . Keywords:regulator, SimuLink,loop of revolution rate 1 引言 　　直流電動機具有調速性能好，起動轉矩大，易于在大范圍內平滑調速等優點，其調速控制系統歷來在工業控制中占有及其重要的地位。隨著電力技術的發展，特別是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動機拖動將有逐步被交流電動機拖動所取代的趨勢，但在中、小功率的場合，常采用永磁直流電動機，只需對電樞回路進行控制，相對比較簡單。特別是在高精度位置伺服控制系統、在調速性能要求高或要求大轉矩的場所，直流電動機仍然被廣泛采用[2]，直流調速控制系統中最典型一種調速系統就是速度、電流雙閉調速系統。直流調速系統的設計要完成開環調速、單閉環調速、雙閉環調速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計算參數較多，往往難以如意。如在設計過程中使用Matlab中的SimuLink實用工具來輔助設計，由于它可以構建被控系統的動態模型，直觀迅速觀察各點波形，因此調速系統性能的完善可以通過反復修改其動態模型來完成，而不必對實物模型進行反復拆裝調試[4]。Matlab中的動態建模、仿真工具SimuLink具有模塊組態方便，性能分析直觀等優點，可縮短產品的設計開發過程，也可以給教學提供了虛擬的實驗平臺。 2雙閉環直流調速系統原理圖： 　　在單閉環調速系統動態數學模型的基礎上，考慮雙閉環控制的結構，可繪出電流、轉速雙閉直流調速系統的動態結構圖，如圖1所示。 [align=center] 圖 1 電流、轉速雙閉環直流調速控制系統[/align] 3調節器的工程設計方法 　　校正環節的設計方法很多，而且是很靈活的，用經典的動態校正方法設計調節器須同時解決穩、準、快、抗干擾等各方面相互矛盾的靜動態性能要求，需要設計者具有扎實的理論基礎，豐富的實際經驗和熟練的設計技巧。這樣初學者往往不易掌握，在工程應用中也不很方便。于是便產生建立更簡便實用的工程設計方法。 　　（1）電流調節器的設計： 　　實際系統中往往有一些小時間常數的慣性環節，它們的倒數都處于對數頻率特性的高頻段，對它們作近似處理不會顯著地影響系統的動態性能。故當系統有多個小慣性環節時，在一定條件下，可以將它們近似看成一個小慣性環節，其時間常數等于原系統各小時間常數的和[6]。經過小慣性環節的處理，并且忽略反電動勢對電流環的影響，再假定為理想空載即，得電流環簡化結構圖2所示， [align=center] 圖 2 電流環（內環）簡化結構[/align] 　　為限制超動電流過大在電流環中采用抗飽合電流調節器，由于電流檢測信號中常含有交流分量，故需要加低通濾波，其濾波時間常數 按需要選定，濾波環節可抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯，為了平衡這一延遲作用在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節，其意義是讓給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使兩者得到恰當的配合，圖中，。 　　由于電流環的重要作用是保持電樞電流在動態過程中不超過允許值，因而希望超調量越小越好，同時要求抗擾動性能較好，因此一般都按典型I型系統來設計電流環，取抗飽合電流調節器（PID）中的D為零，建立如下一個雙閉環調速系統的電流環，其SIMULINK系統結構圖如圖3所示2 電力拖動控制系統的設計。由于電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統，應采用PI調節器，其傳遞函數為： 　　（3.1） 　　式中： ——電流調節器的比例系數 　　——電流調節器的超前時間常數 　　電流調節器的待定參數包括和，為了讓調節器的零點對消掉控制對象的時間常數極點，令=則電流環的閉環傳遞函數為 　　（3.2） 　　式中： 降階處理后近似為： 　　（3.3） 　　在一般情況下，希望超調量，由表1可取阻尼比 ，， 　　表1 典型I型系統動態跟隨性能指標與參數的關系 　　因此 　　（3.4） 　　（2）轉速調節器的設計： 　　為了簡化系統，在此內電流環建成后，必須進行模塊封裝，可將其取名為“被控制對象”，繼而再建立它的轉速外環。為了限制轉速，以免產生負轉現象，在轉速環中亦采用抗飽合調節器（PID）。則測速發電機得到的轉速反饋電壓含有電機的換相紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數為 表示，跟電流環一樣道理，在轉速給定通道中也配上時間常為 的給定濾波環節。并經過將濾波環節等效地移到環內， 　　再把時間常數為 和 的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為 的慣性環節，，則轉速環簡化成如圖所示。 　　轉速環一般選用典型II型系統這首先是基于穩態無靜差的要求，其次從動態性能上看，有較好的抗擾性能。轉速調節器也應采用PI調節器，其傳遞函數為： 　　（3.5） 　　式中， K[sub]n[/sub]——轉速調節器的比例系數 　　τ[sub]n[/sub]——轉速調節器的超前時間常數 　　這樣，轉速系統的開環傳遞函數為 　　（3.6） 　　式中，轉速環開環增益轉速調節器的參數包括K[sub]n[/sub]和τ[sub]n[/sub]，按照典型II型系統的參數選擇方法得， 所以轉速調節器的比例系數h的選擇要以系統對動態性能的要求來決定，一般選擇h=5。 4 雙閉環直流調速系統仿真舉例： 　　某晶閘管供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下： 　　直流電動機：220V、136A、1460r/min、C[sub]ε[/sub]=0.132V/r/min，允許過載倍數為 λ=1.5 　　晶閘管裝置放大系數：K[sub]s[/sub]=40，電樞回路總電阻R=0.5Ω,電樞回路電感：L=0.015H 　　設計要求：穩態指標：無靜差;動態指標：電流超調量，空載起動到額定轉速時的轉速超調量輸出的轉速波形 [align=center] 圖 3 雙閉環直流調速系統轉速輸出仿真曲線[/align] 5 結論： 　　通過Simulink對電流、轉速雙閉環直流調速系統的建模，并得該控制系統的仿真曲線。表明基于工程設計法是可行的，并具有簡便性。 參考文獻： 　　1、韓璐 直流電動機雙閉環調速系統及其SIMULINK的仿真 航海工程 2/2003 　　2、舒懷林 直流電動機PID神經網絡雙閉環控制系統 電機控制 11/2005 　　3、焦洪偉 可控硅在直流電動機無級調速中的應用 科技資訊•工業技術 1/2006 　　4、徐月華 汪仁煌 Matlab在直流調速設計中的應用 微計算機信息 8/2003 　　5、陳伯時 自動控制系統 機械工業出版社 1981.7 　　6、李先允 自動控制系統 高等教育出版社 2003.2 　　7、黃堅 自動控制原理及其應用 高等教育出版社 2000.4