双闭环可逆直流调速系统讲解

摘要本文以控制系统的传递函数为基础，采用工程设计方法对最常用的转速、电流双闭环调速系统进行设计，并用MATLAB/Simulink软件对系统进行了仿真。首先对双闭环直流调速系统采用常规PID控制进行设计，电流调节器和转速调节器都采用了PID控制器，并分别对电流环和转速环的动态性能和抗扰动性能进行了仿真分析。其次，由于转速调节器起主要作用，所以对转速环采用模糊控制，并设计了模糊控制器，对双闭环直流调速系统进行仿真分析，并与常规PID控制进行了对比，仿真结果表明，模糊控制有良好的动态特性，很强的抗干扰能力。关键词：直流调速PID控制模糊控制系统仿真目录摘要...............................................I1绪论.............................................11.1课题研究背景.......................................11.2直流调速系统的国内外研究概况.......................11.4研究双闭环直流调速系统的目的和意义.................22直流电机双闭环调速系统.............................32.1直流电动机的起动与调速.............................32.2直流调速系统的性能指标.............................82.3双闭环直流调速系统的组成..........................122.4直流他励电动机的数学模型.........................132.5可控硅整流装置的数学模型..........................152.6本章小结.........................................163常规PID控制双闭环直流调速系统的设计..............173.1双闭环调速系统的工程设计方法......................173.2双闭环直流调速系统的设计..........................203.3设计实例.........................................253.4Matlab仿真.......................................303.5仿真结果分析......................................333.6本章小结.........................................334结论............................................341绪论1.1课题研究背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响[1]。模糊控制是智能控制的一个重要分支，在自然科学和社会科学的很多领域应用广泛，它不依赖于被控制对象的精确的数学模型，而是将专家的经验及知识转化为语言控制规则，用这些控制规则去控制被控系统，能克服各种非线性因素的影响，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性，针对直流电动机这种参数可能发生较大变化的被控对象，采用模糊控制具有重大的研究意义[2]。1.2直流调速系统的国内外研究概况随着各种处理器的出现和发展，国外对直流调速系统的研究也在不断的进步和完善，80年代该方面的研究达到最盛的时期。大型的直流电动机的调速系统一般均采用晶闸管触发脉冲，研究人员对控制算法作了大量的研究：提出模糊PID算法、自适应PID算法、内模控制的算法和I-P控制器取代PI调节器的算法等。目前，国外一些电气公司，如瑞典的ABB，德国的西门子、AEG，日本的三菱、东芝，美国的GE、西屋等，均已开发出多个数字直流调速装置，有较成熟的标准化、系列化、模板化的应用产品。从20世纪60年代初随着我国第一只硅晶闸管试制成功以来，晶闸管直流调速系统得到了广泛的应用和迅速的发展。目前，我国主要采用综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化等方法研究数字直流调速系统。伴随各式新型控制器件的迅速发展，直流电动机晶闸管调速系统正向大功率发展，并实现控制单元小型化、集成化、标准化、积木式组合化。对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。特别是近年来，全数字化直流调速装置在国外各厂家竟相推出，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新台阶[3]。1.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础[5]。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。1.4论文的主要研究内容本课题以直流电动机为对象，用传统PID控制和模糊控制对双闭环直流调速系统进行设计、仿真和性能对比，验证控制方案的合理性。主要完成如下工作：（1）数学模型的建立根据直流电动机基本方程，建立双闭环调速系统的数学模型并给出动态结构框图。（2）系统方案设计利用直流电动机双闭环调速系统的工程设计方法，进行调速系统的设计。用MATLAB/Simulink软件，进行模型搭建和仿真。（3）选择合适的模糊控制器模糊控制器的选择至关重要，直接影响其性能。（4）将模糊控制应用于直流电动机调速系统将模糊控制方式在直流电动机的模型中实现，加以仿真，分析输出波形，对控制系统的性能效果进行对比、论证。2直流电机双闭环调速系统2.1直流电动机的起动与调速（1）直流电动机的起动直流电动机接通电源以后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。直流电机的起动条件应满足以下原则：①起动转矩要大于负载转矩；②起动电流限制在安全范围以内；③起动设备投资要经济适用，设备运行要安全可靠，起动时间要短。电机开始起动时，转速0n，电枢绕组输出的感应电势0enCEa，电机自身的电枢回路总电阻aR又小，这时电枢电流称电机起动电流aRUI/可达到额定电流的10-20倍，这样大的起动电流对电网和其他设备都有害，必须要限制在允许范围之内。但是，当起动电流减小时，起动转矩aTICTe也相应减小，所以二者不能兼顾。一般原则是保证有足够大的起动转矩，尽可能减小起动电流。常用的直流电动机的起动方法有三种：①直接起动；②接入变阻器起动；③降压起动。（2）直流电动机速度的调节电动机是用以驱动生产机械的，根据负载的需要，常常希望电动机的转速能在一定甚至是宽广的范围内进行调节，且调节的方法要简单、经济。直流电动机在这些方面有其独特的优点。直流电动机转速的稳态方程可表示为eKIRUn（2-1）式中n─转速(r/min)；U─电枢两端的电压(V)；I─电枢回路电流(A)；R─直流电动机电枢回路的总电阻(Ω)；eK─电机的电势常数；Φ─励磁磁通(Wb)。在上式中，eK是常数，电流I取决与电机所带负载，因此预想调节电机的转速有以下三种方法：①改变电枢供电电压U直流他励电动机电枢回路如图2-1(a)所示，sR为可控电源内阻，0dU为电源空载电压。转速方程为nnCRICUndd0ee0（2-2）式中eC─电动机额定磁通下的电动势转速比，eeKC；0n─理想空载转速，e00CUnd；n─转速降，eCRInd，asRRR为电枢回路总电阻。改变电枢供电电压0dU可以得到一组相互平行的机械特性曲线，如图2-1(b)所示。由于电枢回路电阻的存在，实际的转速要比理想空载转速低。负载不变时，电枢电流也不变，转速降也不变。当电压低到一定时（大于零），因转速降的存在，电动机转速降为零。内阻越大，特性就越软，实际的调速范围就越窄。调压调速时，电动机轴输出功率为nIKTnPdm9751975（2-3）当负载为恒转矩负载时，KnP（2-4）式中K─常数，TK9751；T─电磁转矩，稳定时电磁转矩等于负载转矩LT；mK─电动机转矩系数。式（2-4）表明，对于恒转矩负载，电动机轴上输出功率与转速成正比。额定转速时对应额定功率。MfUdIsR0dU(a)ndI00n01n02n03nNU01dU02dU03dU030201dddNUUUU(b)图2-1变电枢电压调速特性(a)电枢电路(b)机械特性②减弱励磁磁通Φ由式（2-2）可知，当负载电流（负载转矩）不变时，改变励磁磁通，电动机的理想空载转速和转速降都发生变化，因此电动机转速也发生变化。电动机磁通是按额定磁通设计的，如果增大励磁电流，则磁通磁路饱和，所以调磁通调速是在额定磁通以下调节（弱磁）。随着磁通量的减少，空载转速提高，转速降也在提高，机械特性变软，如图2-2所示：MfUfRfIdIU(a)321NN123n03n02n01n0n0eT(b)图2-2弱磁调速特性(a)励磁回路(b)机械特性弱磁调速时，电动机轴上输出功率如式（2-5）所示，它基本不变，因此弱磁调速适合恒功率性质负载。e97519751KRIUIKnIKPddmdm（2-5）③改变电枢回路电阻R在电枢回路中串接附加电阻，来改变电动机转速关系式（2-2）中的转速降，从而实现调速的目的。这种调速方式的控制回路和机械特性如图2-3所示，其特点如下：a理想空载转速不变。b特性变软。c因电阻很难做到连续可调，所以是有级调速。d耗能。目前，这种调速方式很少采用。MdI1KM2KM1R2RdU(a)n02n01n03n1n3n2naR2RRa1RRadLIdI0n0(b)图2-3变电枢电阻调速特性(a)电枢电路(b)机械特性从以上三种方法的介绍中可知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。变电阻只可以实现有级调速；弱磁调速虽然可以实现平滑调速，但它可调节的范围不太大，经常要和调压方式配合，在额定转速以上可作较小范围的弱磁升速。因此，调压调速为自动控制系统主要调速方式，本论文正是采用此方法来设计系统[1][15]。调节电枢供电电压常用三种方法：旋转变流机组、静止式可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。①旋转变流机组是被采用的最早的调压调速系统，它由直流发电机和交流电动机组成机组，以得到可调的直流电压，简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。虽然G-M系统调速性能比较好好，但设备多、体积大、费用高、效率低、维护时不方便、运行时也有噪音。②20世纪60年代，开始采用闸流管或汞孤整流器组成的静止式变流装置来代替G-M，但又很快被经济更为可靠的晶闸管整流装置所取代。采用晶闸管整流装置供电的直流电动机调速系统简称V-M系统，又叫静止的Ward-Leon