基于simulink的双闭环直流电机控制系统

基于simulink的双闭环直流电机控制系统的仿真与参数优化摘要：当控制系统和较高的单回路控制系统已不能满足瞬态性能的要求时，我们实现了由内循环到到外循环的多环控制和参数优化。本文以双闭环直流电机调速系统为例，并采用仿真优化方法来设计两个PI调节器的参数，使之动态与静态指标均达到设计要求。关键字：参数优化；直流电机；双闭环系统；仿真一、引言经典控制理论中通常为每个物理控制电路设置调节器，但当多个物理参数需要被控制时多个调节器控制环就被需要，例如多回路控制系统。双闭环直流电机调速系统就是一个典型的多闭环控制系统。在文献[1]中明确指出负反馈和单闭环PI控制能够保证电流调速系统的稳定性。当在该控制系统中瞬态性能的要求是高的，如快速制动时，突然的动态负载降低，及其他的减小，单闭环系统将难以满足更高的需求。解决这个问题的唯一方法是在经典控制理论中优化电流负反馈控制物理参数;同时在当前的控制循环中建立一个调节器,专门为调节电流的大小。这两个调节器分别调整电流和速度。这个系统就是直流电机的电流和速度控制系统（我们也叫这个系统双闭环直流调速系统）[1,2]。二、系统模型为了发挥速度和电流负反馈在系统中有效性,他们不会相互抑制,影响系统的性质，在系统中设置两个调节器，并在调整速度和电流之间实现级联。也就是说，我们把速度调节器的输出作为电流调节器的输入，然后电流调节器的输出控制可控硅的启动装置。在闭环反馈的外部结构中，电流调节在环的内部，称之为内环；速度调节在环的外部，称之为外环。这就形成了双闭环直流调速系统。为了获得良好的静态和动态性能，双闭环直流调速系统的两个调节器通常采用PI调节器[3]。考虑到这些因素，如过滤、实际的动态结构，双闭环直流调速系统如图1所示。为了确保起始电枢电流值不超过允许的值，速度调节器的电压幅值需要是有限的。这样，当速度调节器变成饱和状态时，输出电压是饱和的，对相应的允许的最大起动电流，电流环是不饱和的，电机确保以恒电流在允许的最大电流值内加速。为了确保安全的调试，在电流调节器的背面也会添加限幅器。0.01onT，0.02oiT，s0.0017T，10.03T，m15.456T，0.5R，40PK，e17.576C，0.007，0.05。(1)稳态指标:非静态误差。(2)动态指标：电流过载不能超过3%；速度过载不能超过5%。多回路控制系统工程设计的一般原则是从内部循环开始设计，在向外一个接一个环。对双闭环直流调速系统我们应该首先从内环开始，根据设备电流控制的要求，决定系统的特性。电流环的修正应该依据物体选择它的调节器和参数。然后，把电流环相当于惯性速度控制回路的一个小方面的一部分。完整的外循环的设计(速度循环)用同样的方法。在具体的设计过程需要的控制系统是静态的,电流过载最多不能超过3%和速度过载最多不能超过5%。然后，电流相当于一个惯性小的循环段，转速作为循环的一个组成部分，然后完成循环(速度循环)以同样的方式设计。依照上述的设计原则，设计师在设计时要求有一定程度的经验,基本上控制了经典的“测试”和“向上”的设计。下面是使用模拟优化的方法设计PI调节器的两个参数。图1双闭环直流调速系统框图三、仿真和运行根据图1可以得到仿真模型，如图2所示。PI调节器是与比例调节限制并联的积分调节器;该实际模拟被广泛的应用在内限制PI调节器中。如果两个PI调节器的参数同时进行了优化，只有一个变量输出时，使用优化软件设置目标函数，那么控制系统参数将低于设定值，比如调整参数，该系统是一些较为复杂和容易的无限输出的模块，其优化的速度较低;假设只有在速度环来设置输出目标函数，则优化结果可能比速度环的输出更好，但电流环输出未必能够满足设计要求;反之亦然[5]。图2双闭环直流调速系统simulink仿真模型如图2所示，根据PI调节器的仿真模型优化，同时对双PI调节器的参数进行优化。初始值为P1=1，I=4，P=1，I=4；IAE的目标函数为，获取参数优化的结果是：P1*=110.4486，I1*=1.4125，P2*=8.7689，I2*=72.511。对应的速度曲线和电流曲线如图3所示。电流曲线显然与实际情况和需要不符。因此，按照传统的多回路控制器的设计方法，我们可以先优化内环PI调节器的参数，然后优化外环PI调节器的参数。图3速度曲线和电流曲线四、结果分析我们可以先分析电流环，从图2的仿真模型的电流环节选，我们设置了一个给定的信号，幅值为10V。电流环的优化仿真模型如图4所示。如图4根据PI调节器的仿真模型优化同时对双PI调节器参数进行优化。取初始值P=1，I=1;目标函数为IAE。电流回路响应是快速的，因此模拟的时间要短。这里为0.5s。获取参数优化的结果是：P*=3.5531，I*=79.1748。电流环阶跃响应曲线如示于图5，超调量达到25.19％，因此它不能满足设计要求。为了抑制超调，我们修改目标函数，这里K=0.1，目标函数为：图4电流环最优仿真模型然后我们可以继续进行参数最优化。通过公式(2)选择目标函数，其余的参数和前面的保持一致。再次对I和P参数进行最优化，我们可以获得最优化参数后的结果为：。电流环的阶跃响应曲线如图6所示。这里的超调量为0.54%，所以它能很好地满足设计需求。在确定了电流环的PI调节器参数后，我们确定了转速环中的PI调节器的参数P和I。转速环的所有参数优化循环将代换在图2的PI调节器，我们设置了给定的电压振幅为10V，并设置转速环I和P参数的初始值：P=1，I=1。然后，我们设定的目标函数是IAE和仿真时间为0.5s。我们可以得到参数的优化结果是：P*=11.8417，I*=1.317。图5电流环的阶跃响应曲线(基于目标函数1)图6电流环的阶跃响应曲线(基于目标函数2)电流环和速度环的两个最佳参数将代换在图2的PI调节器。我们可以如图7所示通过模拟获得电流和转速的阶跃响应曲线。速度超调量为0.61％，电流过冲为0.54％。显然，他们都可以很好的满足设计要求。当优化器运行稳定，转速为1428.6r/min，与预期的转速10/0.007=1428.6转/分的一致。所以我们实现了在稳定状态下监管无误。从上面的分析我们知道，直流电动机双闭环调速系统的实际情况在线路的设计调节器的仿真曲线特征。图7最优化的速度曲线和电流曲线五、结论直流电动机双环速度控制系统是一个典型的多路控制系统。这种控制系统的设计方法是：从里环到外环一环一环地设计控制器。这里我们使用了参数最优化方法；我们可以很快地通过仿真最优化获得满足设计需求的控制参数，不需要任何经验。在外环控制器的参数继续进行仿真最优化的过程，同样适用于其他多环控制系统。参考文献[1]Bo-shiChen.ElectricDriveControlSystem(thesecondedition).Beijing:MechanicalindustryPress,2002.[2]MinJiang.ComputersimulationofcontrolSystem.Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2002.[3]Xiao-liLuo,Gui-linFan.DesignofDCMotorSpeed-AdjustmentSystem.MarineElectric&ElectronicEngineering,2006(16)6:16-18.[4]Su-pingWu,FeiLiu.SimulationoftheSpeedControlSystemforDCMotorBasedonFuzzyLogic.JournalofChangshaUniversityofElectricPower(NaturalScience),2006(21)4:34-37.[5]Wen-huoZeng,Wan-liZhou,Peng-chengZhu.Theparametersoptimummethodofpseudo-derivativefeedbackalgorithmforDCmotorpositioncontrol.ElectricMachinesandControl,2006(10)6:562-566.