控制电机调速及matlab仿真

11前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。由于该系统的结构较复杂，控制器可调参数较多，所以整个系统的设计和校正比较困难，需要有一个功能全面、分析方便的仿真设计平台。传统的仿真设计平台主要是VC和Delphi等高级语言环境，需要做大量的底层代码编写工作，很不方便，效率不高，仿真结果也不直观。自从MATLAB的Simulink推出以后，动态系统的仿真就变得非常容易了。因其含有极为丰富的专用于控制工程与系统分析的函数，具有强大的数学计算功能，且提供方便的图形绘制功能，只要在Simulink中画出系统的动态结构图模型，编写极简单的程序，即可对该系统进行仿真，效率极高，环境友好，从而给系统的设计和校正带来很大的方便。Matlab在学术和许多实际领域都得到广泛应用，已成为国际控制界应用最广的语言和工具。本课题主要是在Simulink环境中对双闭环直流调速系统进行仿真设计，具体内容有：对电流调节器和转速调节器进行校正设计；对电流环和转速环进行时域和频域分析；对调速系统进行跟随性和抗扰性分析。22双闭环直流调速系统的工作原理2.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流dcrI值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2-1b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程(a)Currentdeadlinewithasinglenegativefeedbackloop(b)anidealquickstartprocessspeedcontrolsystemstartingprocess图2-1调速系统起动过程的电流和转速波形Fig2-1speedsystemstartofthecurrentprocessandspeedwaveformIdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)3实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变[1]，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2.2双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即把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出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI[1]调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度[1]，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性[1]；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2-2转速、电流双闭环直流调速系统Fig2-2rotation、currentdoubleclosedloopDCrotationregulationsystemU*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG环ni外环内环42.3双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图2-3a，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U[1]在稳太时总是为零。图2-3a双闭环调速系统的稳态结构图Fig2-3aDouble-loopspeedcontrolsystemofsteady-statechart—转速反馈系数—电流反馈系数—Speedfeedbackcoefficient—Currentfeedbackcoefficient实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（一）转速调节器不饱和此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即nUUnn*diiIUU*由nUUnn*得：0*nUnn从而得到图2-3b静特性的n0-A段。由diiIUU*，且ASR不饱和**imiUU得：dmdII，说明n0-A段静特性从0dI(理想空载状态)一直延续到dmdII，而dmI一般都大于额定电流dnomI的。（二）转速调节器饱和此时，ASR输出达到限幅值*imU，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时有：Ks1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE5n0IdIdmIdNOnABCdmimdIUI*从而得到图2-3b静特性的A-B段。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI时表现为转速无静差[1]，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达dmI到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。图2-3b双闭环调速系统的静特性Fig2-3bDouble-loopspeedcontrolsystemofstaticcharacteristics2.4双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数[2]或零极点模型[2]为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2-4所示。图中)(sWASR和)(sWACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流dI显露出来。图2-4双闭环直流调速系统的动态结构框图Fig2-4doubleclosedloopDCrotationregulationsystemofdynamicstructurediagramU*nUct-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E62.5双闭环直流调速系统的起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压*iU由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图2-5所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。（一）第I阶段（0～t1）是电流上升阶段。突加给定电压*nU后，通过两个调节器的跟随作用，使ctU、0dU、dI都上升，但是在dI没有达到负载电流dLI之前，电动机还不能转动。当dLdII后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压nnnUUU*的数值仍较大，其输出电压保持限幅值*imU，强迫电枢电流dI迅速上升。直到dmdII，**imiUU,电流调节器很快就压制了dI不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。图2-5双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形Fig2-5doubleclosedloopDCrotationregulationsystemstartingprocessofrotationandcurrentprofilenOOttIdmIdLIdIIIIIIt4t3t2t1*n7（二）第II阶段（t1～t2）是恒流升速阶段。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流给定*imU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图2-5）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量（图2-4）。为了克服这个扰动，0dU和cU也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压iimiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和。（三）第III阶段（t2以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值0*nn时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值*imU，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，输出电压*iU和主电流dI也因而下降。但是，由于dI仍大于负载电流dLI，转速将在一段时间内继续上升。直到dI=dLI时，转矩eT=LT，则dn/dt=0，转速n才能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,电流出现一段小于dLI的过程,直到稳定。双闭环直流调速系统起动过程的三个特点：1．饱和非线性控制当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差系统，而电流内环则表现为电流随动系统。2．准时间最优控制在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动，即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。3．转速超调由于PI调节器的特性，只有使转速超调，即在转速调节阶段，ASR的输入偏差电压nU为负值，才能使ASR退出饱和。所以采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。2.6双闭环直流调速系统的动态性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态跟随