基于MATLABSIMULINK的直流电机三闭环控制系统的仿真任立鹏

作者简介：田志宏(1966--)，男，教授，硕士生导师。研究方向：新型电力传动系统，智能化自动化系统与装置。E-mail:[e-mail]基于MATLAB/SIMULINK的直流电机三闭环控制系统的仿真王杰，任立鹏(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222)摘要:电机作为不可或缺的驱动设备，正在朝着更加稳定，更加快速，更加准确的方向发展。而由开环到闭环的演变，由单环到双环甚至多环的改进，使得电机在某些特殊的场合也逐渐在适应了客观规律的同时将产品的质量提升一个层次。由原来电机双闭环控制系统增设一个外环-线速度环变更为电机三闭环控制系统，这种改变，对保障产品质量有了极大的提高。电机三闭环控制系统无论是在启动、正常稳定运行以及在抗干扰能力方面具有优越的性能。这些优越的性能使其能够更加适应特殊场合的特殊要求。MATLAB/SIMULINK的直流电机三闭环控制系统的仿真实验表明，三闭环控制系统具有极其可靠的工业实用性。关键词：直流电机；三闭环；线速度环；MATLAB仿真中图分类号：文献标识码：ThreeClosedLoopDCMotorControlSystemBasedonMATLAB/SIMULINKSimulationWANGJie,RENLi-Peng(TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222,China)Abstract:Motorasanindispensabledrivingequipment,istowardamorestable,morequickly,moreaccuratedirection.Fromtheevolutionoftheopenlooptoclosed-loop,fromsimpleringtothedoubleloopevenpolycyclicimprovement,makethemotorinsomespecialoccasionsarealsograduallyadapttotheobjectivelawandatthesametimealevelwillincreasethequalityofproducts.Productqualityimprovement,alsobenefitfromtheimprovementofmotorcontrolmethod.Motorthreeclosedloopcontrolsystemhasgoodcontrolperformance,whetherinthebootprocess,orinthenormalandstableoperation,orintermsofanti-interferenceability,hasthestrongerapplicabilityandpracticality.Themotorthreeclosedloopcontrolsystemcanmoreadapttothespecialrequirementsofspecialoccasions.AndthreecloseloopDCmotorcontrolsystembasedonMATLAB/SIMULINKshowhasanextremelyreliableindustrialpracticability.Keywords:DCmotor;Threeclosedloop;Linearvelocityloop;Thematlabsimulation1引言电机作为机器运转驱动设备，无疑备受人们的关注。自动化领域的学者们对电机控制系统的研究可谓是绞尽脑汁，力争在安全的条件下，优化电机的启动及运转。众所周知，电机的启动与运行，转速的控制在工业化领域都是必须认真对待解决的问题[1]。因为这不仅关系到生产产品的合格率，而且涉及到工人的人身安全。因此，电机调速系统的研究早已经被赋予极其重要的研究价值。电机调速系统的产生是在于利用励磁来控制发电机输出电压间接控制运转速度的想法并且付诸于了实践[2]。于是电机调速系统就此完成了基本雏形，但是还存在诸多问题，诸如低速情况下会出现断流的情况等等。晶闸管的出现为电机调速系统的进一步提升寻求到了解决思路[3]。为了解决低速情况下断流的问题，全控型功率管投入使用。全控型功率管可以控制晶闸管的导通与关断。因此它的利用，不仅提高了解决了上述问题，而且还能够提高了开关频率，调速系统的响应速度得到了质的提升。不仅如此，由于晶闸管的应用，调速系统的性能、使用的可靠性以及经济方面的实惠性都得到了极大的保障。矢量控制技术的出现以及计算机的高速发展实现了电机电压有效值的大幅度提升。随后便形成了独到的控制方法即矢量控制和直接转矩控制[4]。伴随着计算机微型化，高速化，电机调速系统的数字化已成为当前主流发展方向。在80年代中后期，调速装置的计算机化便已经开始启动，各大公司都竞相努力开发，也就使得到目前为止，无论是技术还是运用软件都达到了较高的水平[5]。无论是直流电机还是交流电机，对双闭环的研究都有着极其丰富的成果。而针对双闭环的研究，则又可以理解为大方向研究角度的更换，也可以理解为对某个模型部分的创新。诸如，为了电机更加稳定的启动和抗干扰能力，在《基于MATLAB的双闭环直流电机调速系统的仿真》[6]（万里光著）和《基于MATLAB/SIMULINK双闭环调速系统设计及仿真》[7]（杨怀林著）中分析出双闭环系统的各个调节器的最佳参数和控制策略，使得双闭环系统模型趋于合理与完善，不仅如此，前者还增加了对其他系统性能影响的研究。以上两个研究成果具有普遍性，是针对直流调速系统核心问题的研究。2电机三闭环调速系统的设计2.1线速度环调速系统2.1.1线速度环系统的存在价值在某些特殊的场合，电机双闭环的工业使用会受到特殊因素的限制，在造纸行业，卷纸的紧松程度，卷纸的质量；在纺织行业，涂布机是否涂色均匀。这些问题的考虑，不仅仅是一个转速量所能完全控制的，因此顺其自然的就要引入其他参考量来完善工业控制过程。因此电机三闭环控制系统的研究被赋予了极其重要的工业价值。双闭环系统的研究比比皆是，而针对三闭环的研究确实屈指可数。所谓三闭环是指转速环，电流环和线速度环。三闭环调速系统的操纵自如的运行也得益于工业计算机的使用，尤其是MATLAB软件的使用。在某些特殊的行业，需要用到卷取机，涂布机或者牵引机的场合，比如造纸行业或者纺织行业，这些场合是需要第三个环来进一步控制的。以造纸行业作为举例，在造纸行业中，卷纸的过程中，如果不能保证其线速度恒定，是无法保证卷出的卷纸是紧松一致，不留缝隙的。然而在卷制过程中，随着卷纸半径的增加，如果转速一定的情况下，线速度是增加的。而在电机双闭环调速系统中，电流调节器的作用也仅仅是在启动过程或者发生堵转的情况下运行，而它的作用也仅仅是控制跟随转速所输出的电压变化的电流，辅助转速环调节转速。而转速调节器可以实现无静差，并且减少转速误差，又或者抗干扰性能较好，但是转速环是无法控制线速度的。是以要保持线速度恒定，电机双闭环系统的存在就无法满足要求，就需要第三个环节来弥补完成这一项工作。因此线速度环是有极大的存在价值和实际意义的。1.1.2线速度环的数学模型线速度环是在电流双闭环的基础上建立起来的,因此在数学模型搭建中,电流环和转速环作为线速度环的外环而存在。由线速度和转速之间存在的关系设置线速度环的数学模型如下图1所示。ALR电机双闭环系统调节对象反馈系数γUl*Uli60Dπv+__+图1线速度环动态结构框图Fig.1speeddynamicstructurediagramacyclicgraph图中'IU为线速度环给定信号，IU为线速度环反馈信号,V为整个系统的扰动量。具体ALR调节器参数、调节对象函数以及反馈系数的确定都需要实际过程的仿真来完善。因此对于线速度环的设计寻求良好的仿真实例对整个过程的研究设计带来了极大的方便。2.2电机三闭环调速系统的SIMULINK仿真在设计线速度环调节器时，在实际生产中，运用角位移变换器来控制线速度，因此采用的是PI调节器，在电机双闭环调速系统中，电流环作为内环，转速环作为外环，而在建立线速度环时，线速度环需要作为外环来进行设计。整个动态结构框图及典型系统确定后，那么就要对线速度环调节器的积分环节和比例环节进行确定。确定线速度环的积分环节和比例环节的方法有两种，一种是根轨迹设计器，而另外一种是试凑法，两者各有千秋，存在着不同的优点和缺点。对于第一种方法，在进行校正时采用根轨迹曲线的方法，利用MATLAB画出根轨迹，然后确定所涉及的闭环传递函数的极点，然后将装置的校正后的传递函数写出之后，线速度环调节器应该确定为滞后校正，然后画出根轨迹，再次进行校验，核对极点位置。所求传递函数即可以获得线速度环调节器的积分环节和比例环节。而另外一种方法试凑法，则显得容易理解，第一种方法专业性较强，而第二种方法则是容易理解，但是过程繁琐。在使用第二种方法时，需要了解一些知识对积分环节、比例环节和微分环节所起到的作用要有充分的理解。比例环节即无惯性环节，只有当输出量与输入量的比值为一个常数时才可以成为比例环节。比例环节没有时间的偏移，不存在失真的情况。由定义可以看出，在一些调节器中，如比例积分调节器，又或者比例微分调节器等等中，比例积分环节的作用是在存在静差率的情况时，可以通过增大比例环节系数来减少静差，与此同时，也能加快系统响应。但是并不是比例环节越大越好，比例环节过大，超调量就会明显增加，甚至会出现大幅度震荡的情况，稳定性遭到破坏的系统是不能运用于实际的，因此，选择合适的比例环节有助于完成调节器的设置。积分环节是输出量与输入量的积分环节的比值为一个常数，通常来说，这个常数的倒数越小，积分环节作用越强。积分时间的大小将会决定超调量及震荡幅度的大小。积分环节增大，超调量和震荡都将会减小，稳定性将会增加。但是这也会带来静差消除的效率降低的缺点。微分环节是输出量与输入量的微分的比值是一个常数。微分环节可以决定系统响应的快慢。微分时间增大，系统则加快响应速度，但是系统扰动的抑制能力将会减弱。以上三个环节是采用试凑法所必须掌握的技巧，每个环节不同的试凑，只要被控制指标符合响应指标即可。试凑法的运用不仅仅可以运用于电机三闭环调速系统，在前面的研究中，运用试凑法也可以带来极大的方便。三闭环即为电流环、转速环和线速度环。若要完成系统三闭环的建模与仿真，则需要完成三闭环的调节器的选择、参数的设定以及模型的建立，才能进行静态分析和动态分析。三个环节有主次之分，首先针对内环电流环设计，然后设计外环。如此这般，逐环设计，依靠的工具则是电机学的基本方程。电机三闭环系统具有三个调节器，以及控制对象直流电机的数学模型。在整个过程中，直流电机的数学模型的搭建是整个调节系统的控制对象，是整个系统不可或缺的部分。2.3电机三闭环调速系统的MATLAB仿真2.3.1电机三闭环调速系统的工程设计电机三闭环调速系统的电流环设计，可参照电机双闭环调速系统的设计。也即将电流环作为内环来设计。与电机双闭环相比，电机三闭环的设计除了多一个线速度环的同时，转速环也会相应有所变化。在电机双闭环调速系统中，转速环采用的是典型Ⅱ系统，但是电机三闭环调速系统的转速环之外仍然存在线速度环。所以在设计转速环时，可以采用典型Ⅰ型系统来设计，也即对于转速环的调节器只要存在比例环节即可。而线速度环的设计，因为作为外环而存在，而且要求到抗干扰性能能力，所以应该设计设计成为典型Ⅱ型系统。三个闭环系统的调节器的比例环节和积分换机的大小，可以通过试凑法进行设计。2.3.2电机三闭环调速系统的SIMULINK仿真电机三闭环调速系统中，三个闭环经过上述设计之后，可以获得如下图2所示的仿真模型。图2电机三闭环调速系统仿真模型Fig.2Threeclosed-loopmotorcontrolsystemsimulationmodel有上述模型的设计，可以获得电机三闭环调速系统所对应的线速度曲线，如图3所示。图3电机三