基于Simulink的直流调速系统仿真

下载后可任意编辑 基于 Simulink 的直流调速系统仿真讨论 董 璇，都洪基 (南京理工大学动力工程学院，南京，210094) 摘要：以控制系统的传递函数为基础，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱对直流调速系统进行了仿真讨论。面对控制 系统电气原理结构图、结合 SimPowerSystems 工具箱，对开环、单闭环电压负反馈、转速电流双闭环（DLM）以及 PWM 调速系统进行了仿真，并作出分析和比较。对双闭环系统模 型进行了改进，采纳 GA 工具寻求控制参数最优解。仿真结果表明优化后的参数能够更有效地提高调速控制系统的性能指标。 下载后可任意编辑 关键词：直流调速系统；仿真；SimPowerSystems；GA 0 引言 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。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纳直流电力拖动系统。为了深化地分析控制原理在直流调速系统中的应用，本文对从开环系统到脉宽调制（PWM）系统等四种直流调速系统进行了仿真对比实验，并作出了分析比较。 传统的工程设计方法参数并未优化，控制系统性能指标与参数的关系往往是非线形多峰函数，函数复杂甚至未可知，因此优化参数往往不易用一般的数学分析方法来获得。近年来，遗传算法(GA) 做为求解优化问题的有效手段而开始被引入控制系统的设计中。GA 采纳非数值计算方法和随机进化策略，无需梯度信息，能有效攻克十分困难的优化问题，其处理问题更具有灵活性、适应性、鲁棒性、全局性。将 GA 引入 DLM 参数设计中，也取得了较好的效果。[1] 1 四种调速系统的仿真比较 [2] 1.1 开环系统 开环系统的仿真模型如图 1 所示，由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。 其中，同步脉冲触发器为同步电源与六脉冲触发器封装在一起的子模块，其模型如图 2 所示。仿真算法为可变步长，ode23s，给定信号 50。仿真结果如图 3 所示。励磁电压为 100 伏。从图 3 中可以  图 1 开环系统仿真模型 看出，开环系统的调节速度比较慢，转速在第 5 秒才接近稳态值。转速的稳态值较大。 由电动机的转速和励磁磁通成反比易知，调节励磁磁通可以改变直流电动机的转速特性。图 4 即为将励磁电压增大到 220V 时的转速、电流曲线。观察波形可见，转速的稳态值随着励磁电压的增大而明显降低，且调节速度明显加快，1 秒以内转速就达到了稳态值。 图 2 同步脉冲触发器和封装后的子系统模块 图 3 开环系统转速、电流曲线图 4 励磁电压增大后的曲线 1.2 电压负反馈单闭环系统单闭环调速系统有多种反馈方式，如电压负反 馈、转速负反馈等。电压负反馈在组成和实现上都比较简单有用，本文即采纳电压负反馈调速系统。该系统由给定信号、电压调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、电压反馈环节等部分组成。其仿真模型如图 5 所示。电压调节器选用 PI 调节器，取自电力系统模块库下的附 下载后可任意编辑 1 下载后可任意编辑 加离散控制模块组。其参数设置为 Kp=10,Ki=400, 上下限为[130 -130]，电压反馈系数为 0.05。仿真算法采纳 ode23s。仿真结果如图 6 所示。 闭环调速系统由于增加了反馈环节，其机械特 性较开环系统硬得多，负载扰动引起的稳态速降减 小为开环系统的 1/（1+K）。图 7 即为电压负反馈调 速系统在 2.7 秒突加负载（给定信号加倍）时的转 速降落曲线，从图上可以看出，相比于图 1 的开环 调速系统，电压负反馈调速系统的稳态速降要小的 多，转速基本保持不变。 图 9 转速、电流双闭环系统的电压、转速、电流曲线 双闭环系统有两个控制器 — — 转速控制器 ASR 和电流控制器 ACR。这两个调节器均采纳 PI 控制器，参数设置分别为： ACR: Kcp=2, Kci=100, 上 下 限 幅 值 为 [130,-130] ASR: Ksp=1.2, Ksi=10, 上下限幅值为[40,-40] 限幅器的上下限设置为：[50,-50]。 图 5 电压负反馈调速系统的仿真模型 仿真结果如图 9 所示。从仿真结果可以看到， 启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电 压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电 流上升也很快，接近其峰值。第二阶段，ASR 饱和， 转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定 作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖 动系统恒加速，，转速线性增长。第三阶段，当转 图 6 电压负反馈调速系统 图 7 突加负载时的波形 速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平 恒，输入偏差为 0，但是由于积分的作用，其输出 1.3 双闭环调速系统 还是很大，所以出现超调。 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型如 转速超调之后，ASR 输入端出现负偏差电压， 图 8。主电路的建模和模型参数设置与单闭环直流 使它推出了饱和状态，进入线性调节阶段，使速度 调速系统绝大部分相同，只是通过仿真实验将平波 保持恒定，仿真结果基本上反映了这一点。 电抗器的电感值修改为 9e-3。 1.4 PWM 调速系统 直流脉宽调速系统的仿真模型如图 10。主电路 由三相对称沟通电压源、不可控二极管整流桥、滤 波电热器、可控开关、直流电动机等部分组成。控制电路包括：给定环节、速度调节器 ASR、限幅器、速度反馈环节、PWM 信号发生器等。 图 8 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型 控制电路包括：给定环节、速度调节器 ASR、电流调节器 ACR、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节等。给定环节的参数设置为 130rad/s，电流反馈系数设为 0.1，速度反馈系 数设为 1。 图 10 直流脉宽调速系统仿真模型 PWM 信号发生器要求的输入范围为－1 至 1 之间的数（包括－1 和 1），输出脉冲受输入信号的 控制，脉冲最大输出频率设置为 100Hz。当输入为 下载后可任意编辑 2 下载后可任意编辑 1 时，输出脉冲宽度最大，相当于完全导通；当输入为－1 时，脉冲宽度最小，相当于完全关断。在从－1 到 1 的增长过程中，脉冲宽度是呈线性增长的。 控制电路的参数设置如下：转速给定为150rad/s，速度反馈系数设为 1。ASR 调节的参数设置为：Kp=1.2