摘 要：本文介紹了基于工程設計方法對直流調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)器，SimuLink,轉(zhuǎn)速環(huán) 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(diào)速性能好，起動轉(zhuǎn)矩大，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點，其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制中占有及其重要的地位。隨著電力技術(shù)的發(fā)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(tǒng)、在調(diào)速性能要求高或要求大轉(zhuǎn)矩的場所，直流電動機仍然被廣泛采用[2]，直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的設計要完成開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計算參數(shù)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(gòu)建被控系統(tǒng)的動態(tài)模型，直觀迅速觀察各點波形，因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復修改其動態(tài)模型來完成，而不必對實物模型進行反復拆裝調(diào)試[4]。Matlab中的動態(tài)建模、仿真工具SimuLink具有模塊組態(tài)方便，性能分析直觀等優(yōu)點，可縮短產(chǎn)品的設計開發(fā)過程，也可以給教學提供了虛擬的實驗平臺。 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖： 　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，可繪出電流、轉(zhuǎn)速雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。 [align=center] 圖 1 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)[/align] 3調(diào)節(jié)器的工程設計方法 　　校正環(huán)節(jié)的設計方法很多，而且是很靈活的，用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互矛盾的靜動態(tài)性能要求，需要設計者具有扎實的理論基礎，豐富的實際經(jīng)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(chǎn)生建立更簡便實用的工程設計方法。 　　（1）電流調(diào)節(jié)器的設計： 　　實際系統(tǒng)中往往有一些小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，它們的倒數(shù)都處于對數(shù)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(tǒng)的動態(tài)性能。故當系統(tǒng)有多個小慣性環(huán)節(jié)時，在一定條件下，可以將它們近似看成一個小慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)等于原系統(tǒng)各小時間常數(shù)的和[6]。經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的處理，并且忽略反電動勢對電流環(huán)的影響，再假定為理想空載即，得電流環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖2所示， [align=center] 圖 2 電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）簡化結(jié)構(gòu)[/align] 　　為限制超動電流過大在電流環(huán)中采用抗飽合電流調(diào)節(jié)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(shù) 按需要選定，濾波環(huán)節(jié)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(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)，其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使兩者得到恰當?shù)呐浜?，圖中，。 　　由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而希望超調(diào)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(tǒng)來設計電流環(huán)，取抗飽合電流調(diào)節(jié)器（PID）中的D為零，建立如下一個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)，其SIMULINK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示2 電力拖動控制系統(tǒng)的設計。由于電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，應采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 　　（3.1） 　　式中： ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 　　——電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù) 　　電流調(diào)節(jié)器的待定參數(shù)包括和，為了讓調(diào)節(jié)器的零點對消掉控制對象的時間常數(shù)極點，令=則電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)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(diào)量，由表1可取阻尼比 ，， 　　表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標與參數(shù)的關(guān)系 　　因此 　　（3.4） 　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計： 　　為了簡化系統(tǒng)，在此內(nèi)電流環(huán)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(zhuǎn)速外環(huán)。為了限制轉(zhuǎn)速，以免產(chǎn)生負轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)速環(huán)中亦采用抗飽合調(diào)節(jié)器（PID）。則測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)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(shù)為 表示，跟電流環(huán)一樣道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常為 的給定濾波環(huán)節(jié)。并經(jīng)過將濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)， 　　再把時間常數(shù)為 和 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為 的慣性環(huán)節(jié)，，則轉(zhuǎn)速環(huán)簡化成如圖所示。 　　轉(zhuǎn)速環(huán)一般選用典型II型系統(tǒng)這首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，其次從動態(tài)性能上看，有較好的抗擾性能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 　　（3.5） 　　式中， K[sub]n[/sub]——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 　　τ[sub]n[/sub]——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù) 　　這樣，轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 　　（3.6） 　　式中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括K[sub]n[/sub]和τ[sub]n[/sub]，按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法得， 所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)h的選擇要以系統(tǒng)對動態(tài)性能的要求來決定，一般選擇h=5。 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真舉例： 　　某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)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(shù)為 λ=1.5 　　晶閘管裝置放大系數(shù)：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(wěn)態(tài)指標：無靜差;動態(tài)指標：電流超調(diào)量，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量輸出的轉(zhuǎn)速波形 [align=center] 圖 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出仿真曲線[/align] 5 結(jié)論： 　　通過Simulink對電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模，并得該控制系統(tǒng)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(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其SIMULINK的仿真 航海工程 2/2003 　　2、舒懷林 直流電動機PID神經(jīng)網(wǎng)絡雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 電機控制 11/2005 　　3、焦洪偉 可控硅在直流電動機無級調(diào)速中的應用 科技資訊•工業(yè)技術(shù) 1/2006 　　4、徐月華 汪仁煌 Matlab在直流調(diào)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(tǒng) 機械工業(yè)出版社 1981.7 　　6、李先允 自動控制系統(tǒng) 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