维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８￣Ｅ６月 第６期 电子测试 Ｊｕｎ．２ｏｏ８ Ｎｏ．６ 直流调速系统的ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真 张（１广东海洋大学信息学院湛江波 ，邓则名 广州 ５１ １３２５） ５２４０８８；２广东工业大学自动化学院摘 要：在对系统动态性能要求较高或要求电机经常正反转运行的调速系统中，要尽量缩短起制动过程的时 间。本文简单介绍了采用电流、转速双闭环进行直流调速的方法，描述了系统的组成及其数学模型。双闭环系 统工作时，在起动过程中只有电流负反馈；到达稳态转速后，只有转速负反馈。根据直流调速双闭环控制系统的 工作原理，运用ＭＡＴＬＡＢ中的ＳＩＭＵＩ ＩＮＫ工具建立系统的数学模型和该系统在ＭＡＴＬＡＢ环境下的仿真结构 图，然后进行软件仿真。由仿真结果可以看出该系统有较好的静特性和动态跟随性能。 关键词：转速环；电流环；调节器 中图分类号：ＴＭ３０１ 文献标识码：Ｂ ＤＣ ｓｐｅｅｄ ａｄｊ ｕｓｔｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＩＭＵＬＩＮＫ Ｚｈａｎｇ Ｂｏ ，Ｄｅｎｇ Ｚｅｍｉｎｇ （１ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ ５２４０８８，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１ １ ３２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｈｅｒｅ ｎｅｅｄ ｈｉｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｒ ｎｅｅｄ ｍｏｔｏｒ ｔｕｒｎ ｒｅｖｅｒｓｅｌｙ ｍｏｒｅ ｏｆｔｅｎ， ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｒ ｔｒｉｇｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏ— ｄｕｃｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＤＣ ｓｐｅｅｄ ａｄｊ ｕｓｔｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｌｏｏｐ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｈｅｎ ｄｏｕｂｌｅ ｌｏｏｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ，ｉｎ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ；ｂｕｔ ｉｎ ｔｒｉｇｇｉｎｇ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ｓｐｅｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ．Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＤＣ ｓｐｅｅｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｕｓｅｓ ＳＩＭＵＬＩＮＫ ｔｏｏｌｓ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ＭＡＴＬＡＢ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅ１．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｗｅ ｃａｎ ｓｅｅ ｔｈａｔ ｄｏｕｂｌｅ ｌｏｏｐ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｓｔｅａｄｙ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｌｌｏｗ ａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｙｃｌｅ；ａｄｊ ｕｓｔｏｒ 广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动 ０引 直流电动机有良好的起、制动等性能，宜于在 的领域中得到了广泛的应用。而调速系统是最基 本的拖动控制系统，其中最典型一种直流调速系统 就是转速、电流双闭环调速系统。目前随着计算机 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＳＴ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２ｏｏ８．６ 技术的发展，仿真技术已成为分析、研究各种系统 转速和电流，二者之间实行串联连接。从结构上看， 特别是复杂系统的重要工具。此文利用ＭＡＴＬＡＢ 电流调节环作为内环放在里层，转速调节环作为外 中ＳＩＭＵＬＩＮＫ工具对直流电动机的电流、转速双 环放在外层，这样就形了转速、电流双闭环调速系 闭环调速系统进行仿真和系统分析。 统。也即是在信号输入的关系上，将转速调节器的 输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输 １双闭环直流调速系统 出去控制晶闸管整流器的触发装置。为了获得较好 的静、动态性能，２个调节器均采用Ｐ１调节器。 为了实现转速和电流２种负反馈分别起作用， 图１为双闭环调整系统动态结构图。图２为 在系统中设置了转速和电流２个调节器，分别调节 双闭环调速系统图。 Ｕ 图１双闭环调速系统动态结构图 节，加快校正后系统的响应速度，取Ｔｉ—Ｔ１。ＰＩ Ｕ 调节器的比例放大系数Ｋ 取决于系统的动态性能 指标。根据“电子最佳调节原理”中的“二阶最佳 系统”原理。取Ｋ Ｔ 一０．５，由此可得： 图２直流电机双闭环调速系统结构图 Ｋ —ＴｌＲ／２Ｋ，ｆＩ＇￣。 为了实现转速无静差，提高系统动态抗扰性 其中ＡＳＲ为转速调节器，ＡｃＲ为电流调节 能，把转速环设计成典型ＩＩ型系统，其传递函数为： 器，ＴＧ为测速发电机，ＴＡ为电流互感器，ＧＴ为触 Ｗ （Ｓ）一Ｋ （ ＋１）／ Ｓ 发装置，Ｕ 、Ｕｎ转速给定电压和转速反馈电压， 式中：Ｋ 、 分别为转速调节器比例放大倍数和时 、 为电流给定电压和电流反馈电压。 间常数。 为使电流环做到无静差以获得理想的堵转特 根据Ⅱ型典型系统参数确定的方法，有Ｔ１一 性，动态上保持电动机电枢电流不超调，保证系统 ｈＴｚ，于是有 —ｈＴ？２ 其中，ｈ—ｃ￡Ｊｚ 。为中频 的跟随性。把电流环校正成典型Ｉ型系统，其传递 宽。Ｔ∑ 一 ＋２ＴＮ ，根据“调节器最佳整定设计 函数为： 法”，一般取ｈ一５。 Ｗ （Ｓ）一Ｋ （ＴｉＳ＋１）／Ｔ，Ｓ 式中：Ｋ 、 分别为电流调节器的比例系数和超前 时间常数。 为了消除控制对象中时间常数较大的惯性环 屯 迦试 ＥＬＥＣＴＲＯＮｌＣ ＴＥＳＴ 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｔｅｓｔ ０，ｓ＆Ｓｏｌｕｔｉｏｎ 再设计转速外环调节器。 ２ ＳＩＭＵＬＩＮＫ中的双闭环直流电动机调速 系统模型 在双闭环控制系统设计中，一般的方法是先设 ２．１电流环的建立 电流环要保持电枢电流在动态过程中不希望 有超调或超调量越小越好，同时要有较好的抗扰动 性。一般按典型Ｉ型系统来设计，采用ＰＩ调节器。 计内环，设计好内环后将整个内环作为外环中的一 个环节，再设计外环。即先设计电流内环调节器， 其系统结构图如图３所示。 图３电流环结构图 ２．２转速环的建立 （１）输出转速波形图（如图５所示）。 求出电流环的等效传递函数，将其看作是转速 调节器中的一个环节。转速环要求稳态无静差，且 有较好的抗干扰性能。一般按典型ＩＩ型系统设计， 同样采用ＰＩ调节器。其结构图如图４所示。 ｆ／ｓ 图５输出转速 （２）输出电流波形图（如图６所示）。 图４转速环结构图 系统参数可设定如下： Ｋ 一１１．６，Ｋｌ—１．０１４， ｏ．０３ Ｓ， 一０．０１ Ｓ， 一０．０８５ Ｓ， — 一０．００２ Ｓ， 一０．００１ ７， Ｃｅ一０．１３２ Ｖｍｉｎ／ｒ， 一０．１８ Ｓ，Ｔ１—０．０３ Ｓ，启一 ０．０５，ａ一０．００７，Ｋ 一４０，Ｒ一０．５ Ｑ。 图６输出电流 ２．３双闭环直流调速系统在ＳＩＭＵＬＩＮＫ中所得 到的仿真结果 给系统加阶跃输入信号０～１０ Ｖ，从而得到仿 真输出波形如图５、６所示。 仿真结果如图７、图８所示。 屯 基！ ＥＬＥＣＴＲＯＮｌＣ ＴＥＳＴ 维普资讯 http://www.cqvip.com 图７ 阶跃输入下仿真结果 图８输入为１Ｏ时的仿真效果 结 论 由输出转速和电流的波形可以分析得知，起初 起动电流上升迅速但超调量较小。当电机起动后 电流很快又返回并保持为额定电流，满足电机要 求。转速在起动电流的作用下平滑上升至电机的 额定转速且稳定运行，其超调量也都非常小。由此 可以看出设计的合理性。通过对系统静态特性和 ６， 随动性能及抗扰性能进行比较和分析后，可知双闭 环调速系统具有较好的静特性和动态跟随性能，同 时它的抗负载扰动和抗电网电压扰动性能都比单 环系统好很多。 参考文献 ［１］冯垛生，邓则名．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．广州： 广东高等教育出版社，１９９８． ［２］．控制电机及应用［Ｍ］．北京：中国电力出版 社，１９９２． ［３］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２０００． ［４］楼顺天．基于Ｍａｔｌａｂ系统分析与设计［Ｍ］．西安：西 安电子科技大学出版社，２００１． ［５］薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿 真技术与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２． ［６］邵雪卷，张井岗，赵志诚，等．双闭环直流调速系统的 研究［Ｊ］．电气电子教学学报，２００８（１）：７５—７７． ［７］唐锡峰，刘猛．基于ＭＡＴＩ ＡＢ的直流调速系统参数 整定设计［Ｊ］．传动技术，２００７（２）：２４—２７． ［８］孙玉胜，伍银波，郭永喜，等．直流调速系统的计算机 辅助设计［Ｊ］．水利电力机械，２００７（６）：５４—５６． 作者简介 日 张制地（湖理址光论：广岩波与东）控，女海５制２洋４，助工０８大程教 学。， 主信要息研学究院方自动向为化控系 邓则名，男，教授，广东雷州人，主要从事电气自动化方 面的教学、科研与管理工作。 地址：广东工业大学自动化学院，５１１３２５ 电堕醚 匦 ＥＬＥＣＴＲ０ＮｌＣ ＴＥＳＴ
