双闭环晶闸管不可逆直流调速系统参数设计——毕业设计.docx

毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：学院(系):专 业:题 目:双闭环晶闸管不可逆直流调速系统参数设计实验师指导者： (姓 名) (专业技术职务) 副教授评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 06 月毕业设计说明书（论文）中文摘要 现代生产过程中,许多生产器械都要求在一定范围内进行速度的平滑调节,并要求系统具有良好的稳态和动态性能，这就使得调速范围广，静差率较小且具有良好的稳定性的直流调速系统得到了广泛的应用。转速，电流双闭环直流调速系统是直流调速系统中发展得最为成熟，应用最为广泛的电力传动系统，具有动态响应快，抗干扰性能好等许多优点。本课题研究将从直流电动机的工作原理着手，掌握转速电流双闭环直流调速系统的基本组成部分及其静态特性；然后在建立该系统动态数学模型的基础上，分析其动态性能及转速和电流调节器的作用；最后，对双闭环不可逆直流调速系统的pid参数进行设计分析，通过simulink仿真对其进行整定，并比较采用pi和pid控制方法时系统的性能差异。关键词 双闭环 不可逆 直流调速 pid simulink仿真毕业设计说明书（论文）外文摘要title double closed-loop thyristor irreversible dc speed regulating system parameters design abstractthe velocity of many instruments need to be adjusted smoothly in modern producing process and also those instruments have requirements ofgood static and dynamic performance. all of the previously mentioned made dc speed regulating system a widely applied choice，which combine wide range of speed regulating and small static rate with excellent stability. asr,acr double closed-loop dc speed regulating system is the maturest and the most widely applied system compared with others. this subject will be started with the principles of dc motor and study the basic composition together with the static performance of the system; then, study the dynamic performance and the function of asr and acr while building the mathematical model of the system; finally, design the pid parameters and simulate the system via simulink and compare the performance with pi controller.keywords double closed-loop irreversible dc speed regulating pid simulink目 次1 引言12 系统设计原理22.1 系统组成22.2 系统稳态结构图和静特性32.3 系统动态结构和动态性能42.3.1 系统动态结构42.3.2 动态性能分析52.4 电流调节器和转速调节器72.5 pid控制73 系统参数设计和计算93.1 关键参数计算93.2 电流调节器参数设计和计算103.2.1 确定时间常数103.2.2 选择电流调节器结构103.2.3 计算电流调节器参数103.2.4 校验近似条件103.2.5 计算调节器电阻和电容113.3 转速调节器参数设计和计算113.3.1 确定时间常数123.3.2 选择转速调节器结构123.3.3 计算转速调节器参数123.3.4 校验近似条件123.3.5 计算调节器电阻和电容134 双闭环不可逆直流调速系统simulink仿真134.1 系统模型及相关原理134.2 pi控制参数整定154.3pid控制参数整定174.3.1 电流环pid参数整定174.3.2 转速环pid参数整定194.3.3 转速、电流双闭环pid参数整定21结 论26致 谢27参 考 文 献28 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 29 页1 引言目前，绝大多数工业生产都离不开电机，而且随着社会的发展，各行业的工艺要求越来越高，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，且要求具有良好的稳、动态性能。直流调速系统调速范围广、静差率小、具有良好的稳定性以及动态性能，因而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。其中，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，具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。在实际工作中常希望在电机最大电流限制的条件下，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以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行状态，而这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域，如轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用；另一方面，还需指出的是电气传动与自动控制有着密切的关系。调速传动的控制装置主要是各种电力电子变流器，它为电动机提供可控的直流或交流电流，并成为弱电控制强电的媒介，可以说，电力电子技术的进步有力地推动了电气传动调速系统的发展。把这两者结合起来研究直流调速系统，更有利于促进对直流调速系统的全面认识。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，本文旨在从双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的构成和工作原理着手，将系统控制参数设计过程进行说明并选择最优参数,且将系统分别在pid和pi控制下的静、动态性能进行对比，比较两种控制方法的区别和优缺点。2 系统设计原理2.1 系统组成双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路,系统设计原理图如图2.1所示。主电路由三相交流电源、电动机以及由晶闸管构成的整流电路部分构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。三相交流电源供电给三相全控桥，同时为同步六脉冲发生器提供输入，产生间隔均匀为60的六个脉冲触发三相全控桥内相应的晶闸管导通，通过调节整流电路的触发角以实现整流调节，调节直流电动机的电枢供电电压来实现一定范围内的无级平滑调速。测速发电机从电动机输出转速中引出与被调量成正比的负反馈电压un，与给定比较后得到偏差电压un，经放大后作为控制电压uc，即形成了转速反馈闭环控制环，同理得到电流环。控制电压uc与触发角的移相特性关系如图2.2所示19。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2.1所示，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，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，为内环；转速环在外面，即为外环；这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。asr的输出作为acr的输入，限制电流给定电压的最大值；acr的输出限幅电压uc限制了电力电子变换器的最大输出电压，即电动机电枢两端的最大电压15。图2.1 双闭环直流调速系统设计原理图其中，un*、un转速给定电压和转速反馈电压；ui*、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电力电子变换器图2.2 移相特性曲线2.2 系统稳态结构图和静特性双闭环直流系统的稳态结构图如图 2.3 所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是调节器的稳态特征。调节器一般有两种状态：一为饱和，即输出达到限幅值；一为不饱和，即输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，以转速调节器为例，pi调节器作用使反馈信号紧紧跟随给定信号，使输入偏差电压un在稳态时总是为零。需要指出的是，在正常运行时，acr不会达到饱和，asr存在饱和、不饱和两种情况15。图2.3 双闭环直流调速系统稳态结构图系统的静特性曲线如图2.4所示。ca段表现为水平特性。当asr、acr都不饱和时，un=0（转速无静差），ui=0(电流无静差)；又有un*=un=n=n0 ui*=ui=id则有，此时n=n0,运行段为一水平直线；又asr不饱和，所以ui*uim*,即ididm;故直线由id=0延伸至idm处。而对ab段，则表现为垂直特性。当asr饱和，即转速环开环，此时系统为一个单闭环电流调速系统，系统将获得很好的下垂特性。 图2.4 双闭环直流调速系统静特性2.3 系统动态结构和动态性能2.3.1 系统动态结构 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型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。图中的wasr(s)和wacr(s)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 id 显露出来。图2.5 双闭环直流调速系统动态结构框图若采用pi调节器，则有wasrs=knns+1ns wacrs=kiis+1is2.3.2 动态性能分析1) 起动过程系统的动态性能指标包括跟随性能指标和抗干扰性能指标。设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压un*由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图2.6所示： 图2.6 双闭环直流调速系统起动时转速和电流波形电流id从零增长到idm，然后在一段时间内维持其值等于idm不变，之后下降并经调节后到达稳态值idl；转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*并维持不变。整个起动过程可分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况,整个动态过程分成图中标明的、三个阶段。第阶段：此阶段为电流上升阶段。突加给定电压un*后，id上升，当id小于负载电流idl 时，电机还不能转动。当ididl后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器asr的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值uim*，强迫电流id迅速上升，直到id=idm，ui=uim*，电流调节器很快就压制id的增长，标志着这一阶段的结束。本阶段，asr由不饱和到迅速饱和（un增长慢）acr不饱和（ui增长快）；第阶段：此阶段为恒流升速阶段。在这个阶段中，asr始终是饱和的，转速环相当于开环，使系统成为在恒值电流给定uim*下的电流调节系统，基本上保持电流id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。由于n的线性增长，使e为一个线性渐增的干扰量，对电流调节系统来说，为了克服e的扰动，ud0和uc也必须基本上按线性增长，才能保持id恒定。acr起调节作用，使ud0和uc基本上线性增长。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 acr是不应饱和的，电力电子装置upe的最大输出电压也须留有余地；第阶段：当转速上升到给定值时，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uim*，所以电机仍在加速，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，ui*和id很快下降。但是，只要id仍大于负载电流idl，转速就继续上升。直到id=idl时，转矩te=tl，则dndt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3t4）， ididl ，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。本阶段asr和acr都不饱和，asr起主导的转速调节作用，而acr则力图使id尽快地跟随其给定值ui*，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。asr和acr同时参与调节；acr的调节受asr输出的支配15。综上所述，双闭环直流调速系统的启动过程有如下三个特点：即饱和非线性控制、转速超调以及准时间最优控制。2) 抗扰性能对于调速系统，最重要的动态性能即是抗扰性能。双闭环直流调速系统中最主要的抗扰性能是指抗负载扰动性能和抗电网电压扰动性能。闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关，例如负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器asr来产生抗负载扰动的作用，因此就要求在设计asr时需要考虑有较好的抗扰性能指标。对抗电网电压扰动而言，在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。而在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善，因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。2.4 电流调节器和转速调节器1）转速调节器的作用使转速n跟随给定电压unm*变化，当偏差电压un为零时，实现稳态转速无静差；对负载变化起到抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2) 电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压uim*变化；对电网电压波动及时起到抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度并以该加速度快速起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起快速的安全保护作用；当故障消失时，系统能够自动恢复正常。2.5 pid控制 在设计闭环调速系统时，常会有动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，则必须有合适的动态校正装置，使其同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。对于带晶闸管的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般用pid调节器的串联校正方案就可以达到动态校正。pid调节器中有比例微分(pd)、比例积分(pi)以及比例积分微分(pid)三种类型。由pd调节器构成的超前校正，可以提高系统的稳定裕度，并且获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由pi调节器实现的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统的稳定的；用pid调节器实现的滞后-超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试都较复杂。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，故而主要采用pi调节器，尤其当有高频干扰时，微分会放大干扰，需用pi调节器；而在随动系统中，快速性则是主要要求，必须用pd或是pid调节器15。1) 比例调节器（p）具有比例调节器的闭环系统，主要依靠偏差电压u来进行调节。当转速变化，测速反馈电压也变化，与给定值间的偏差电压增加，输出电压也随着上升，因而电动机的转速也随之有所回升。但是，仅只采用比例调节器的闭环反馈控制系统总是有静差的。从闭环系统的稳态速降公式ncl=idrce(1+k)可知，只有当k时，才能使ncl=0，但是这是不可能的。k的值总是有限值，且k值还受系统稳定性的约束，故而这种系统总是存在静差。2) 积分调节器（i）在进行调速时，一般都希望调速系统能实现无静差调速，即指调速系统稳态运行时，系统的给定值与被调量的反馈值保持相等，即u=un*-un=0。在有静差的调速系统中，为了减少静差，一方面引入各种反馈量，另一方面希望通过增大比例放大系数来提高静特性的硬度，但比例调节只能尽可能地减小静差，而不可能完全地消除静差，同时，太大的比例系数还可能引起系统的不稳定。通过采用积分调节器可以很好地解决静态与动态的矛盾。积分调节器有三个重要特性：即延缓性、积累性以及记忆性。延缓性即积分调节器的输出不像比例调节器那样输出和输入为比例线性关系，假设输入为阶跃信号，则调节器输出按积分线性增长；积累性则是说调节器只要有输入信号，不管信号大小如何变化，积分作用都会持续下去，只不过输出值上升速率不同。控制系统正是利用了积分调节器对偏差的积累作用来消除系统的静差；记忆性是指在积分过程中，若输入信号变为零，输出信号仍能保持在输入信号变为零前的瞬时值上。控制系统利用积分调节器的记忆特性，使得稳态转速在速度设定值上保持不变。3) 微分调节器(d)微分调节器部分其实就是求电机转速的变化率，即前后两次差值的差，也就是说，微分调节器是根据差值变化的速率，提前给出一个相应的调节动作。可见，微分调节器的调节是超前的，并且d值越大，超前作用越明显，可以在一定程度上缓冲振荡。以pd调节器为例，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而增加的微分项能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分这两种作用的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。3 系统参数设计和计算3.1 关键参数计算整流装置采用三相桥式电路，已知参数如下：直流电动机：240v,36.75kw，1750r/min，转子电阻ra=0.1113，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数近似设为ks=51.48，通用三相桥式整流器的内阻为ron=0.001；电压给定值和电流给定值取10时的计算值，进线交流电源：三相 380v，50hz，则有电动机励磁电阻：rf=84.91电枢绕组和励磁绕组互感：laf=0.3406h转动惯量 j=0.2053kgm2 gd2=j4g=0.205349.8=8.05电力拖动系统机电时间常数：tm=gd2r375cecm=8.051.07943750.127300.127s=0.15s电动机电磁时间常数：tl=lr=0.0254+0.0015581.0794=0.025s根据如上数据，计算相关参数如下：电枢回路总电阻：r=(0.1113+0.001+0.9705)=1.0828 电动机额定电流: in= pn un = 36750 240 a= 153.125 a电流反馈系数： = uim* idm uim* 1.5in =101.5153.125=0.0435 转速反馈系数： = unm*nn=101750=0.0057又有电动机电动势常数 ce=un-rainnn=240-0.1113153.1251750vmin/r=0.127vmin/r 额定负载转矩 tl=9.55cein=9.550.127153.125nm=185.7nm3.2 电流调节器参数设计和计算3.2.1 确定时间常数1) 整流装置的滞后时间常数ts：查表知三相桥式电路的平均失控时间ts=0.0017s；2) 电流滤波时间常数toi：三相桥式电路每个波头的时间为3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）toi=3.33ms，因此，取toi = 2ms = 0.002s；3) 电流环小时间常数之和ti:按小时间常数近似处理，取ti=ts+toi,则有 ti= 0.0037s;3.2.2 选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量i5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，采用pi型电流调节器，传递函数为 wacrs= ki(is+1) is检查对电源电压的抗扰性能：tlti=0.025s0.0037s=6.757，由典型i型系统动态抗扰性能表格可知，各项指标符合要求。3.2.3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=tl=0.025 s；电流开环增益：要求超调量i5%时，按照表2-2典型i型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系可以看出，应取kiti=0.5，则有ki=0.5ti=0.50.0037s=135.135 s-1则有，acr的比例系数为kpi=kiirks=135.1350.0251.082851.480.0435=1.6335 acr的积分系数为：kii=kpii=1.63350.025=65.343.2.4 校验近似条件电流环截止频率：ci=ki=135.135s-11) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 13ts=130.0017s=196.078s-1ci，满足近似条件；2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 31tmtl=310.150.025=48.99s-1ci，满足近似条件；3) 电流环小时间常数近似处理条件： 131tstoi=1310.00170.002=180.7s-1ci，满足近似条件；3.2.5 计算调节器电阻和电容由含给定滤波和反馈滤波的模拟式pi型电流调节器原理图可知，按所用运算放大器取r0=40k，各电容和电阻值为： ri=kir0=0.2240k=8.8k； ci=iri=0.0258.8103=2.8410-6f=2.84f coi=4toir0=40.00240103f=0.2f 根据上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标满足设计要求。3.3 转速调节器参数设计和计算 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，可求出其闭环传递函数wclis。wclis=idsui*s/=kis(tis+1)1+kis(ki+1)=1tikis2+1kis+1 忽略高次项，wclis可降阶近似为wclis11kis+1,近似条件为cn13kiti ，其中，cn是转速换开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为ui*s,因此电流环在转速环中应等效为 idsui*(s)=wclis11kis+1如此，则原来是双惯性环节的电流环控制对象，在经闭环控制后可近似等效成只有较小时间常数1ki的一阶惯性环节。3.3.1 确定时间常数 由前述数据可知，转速反馈系数=0.0057，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。1) 电流环等效时间常数1ki：由电流调节器参数设计可知，已取kiti=0.5，则有 1ki=2ti=0.0074s2) 转速滤波时间常数ton：根据所有测速发电机的纹波情况，取ton=0.01s；3) 转速环小时间常数tn:按小时间常数近似处理，取tn=1ki+ton=0.0074s+0.01s=0.0174s3.3.2 选择转速调节器结构 按照设计要求，选用pi调节器，校正为典型型系统，其传递函数为 wns=knns+1nsrcetm(tns+1)=knrns+1ncetms2(tns+1)3.3.3 计算转速调节器参数依据跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则asr的超前时间常数为n=htn=50.0174 s=0.087 s由kn=h+12h2tn2可求得转速换开环增益kn=h+12h2tn2=5+12520.01742=396.4s-2则有，asr的比例系数为： kpn=(h+1)cetm2hrtn=(5+1)0.04350.1270.15250.00571.08280.0174=4.63asr的积分系数为： kin=kpnn=4.630.087=53.213.3.4 校验近似条件 由k=1c知，转速换截止频率为 cn=kn1=knn=396.40.087s-1=34.5s-11) 电流环传递函数简化条件为： 13kiti=13135.1350.0037=63.7s-1cn,满足简化条件2) 转速换小时间常数近似处理条件为： 13kiton=13135.1350.01=38.75s-1cn，满足近似处理条件3.3.5 计算调节器电阻和电容取r0=40k，则有rn=knr0=4440k=1760kcn=nrn=0.0871760103f=0.05fcon=4tonro=40.0140000=1 f如上所述，根据已知的参数计算出电流调节器和转速调节器的比例系数和放大系数，并校验了相应的近似条件都符合要求。4 双闭环不可逆直流调速系统simulink仿真4.1 系统模型及相关原理根据双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的设计原理图，通过仿真工具matlab2010b中的simulink搭建对应的系统模型,如图4.1所示。图4.1 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统pi仿真电路图其中，晶闸管整流装置采用软件自带的同步六脉冲发生器模块(synchronized 6-pulse generator)和通用整流桥模块(universal bridge)组成的三相全控桥装置;电动机选择simulink自带电动机模块dc machine，按图连接电源部分，整流部分，控制部分以及电动机和示波器。由设计要求可知，仿真需要看到直流电动机由空载起动到突加负载后的转速，电枢电流以及电机电磁转矩的变化波形，故给电动机的负载转矩选择给定阶跃信号。由之前的计算过程可知，在本系统中，电动机的额定负载转矩tl为185.7 nm，故给定的阶跃信号参数选择为在第6s由0突变为100；电流环作为内环，转速环作为外环；转速调节器的输入为给定信号un*,输出作为电流调节器的输入给定值ui*，电流调节器的输出uc经过传递函数的变换成为同步六脉冲发生器的角度信号输入，通过控制三相全控桥的触发角调整整流桥的输出电压，即改变电机两端的电压来进行调速，即实现调压调速。因为转速调节器的输入为给定信号un*,输出作为电流调节器的输入给定值ui*，电流调节器的输出uc为控制整流电压大小的值，故而转速调节器和电流调节器的输出都需要限制幅值。限幅作用可通过simulink中的saturation模块实现。三相全控桥的晶闸管触发角在3090之间变化时，可获得足够大的调压范围，来调节电机的转速变化，故在本设计中设的范围为3090。由前述控制电压uc与整流装置触发角之间存在的移相性关系可知，若设置saturation模块的上下限幅值为0,10，则可用传递函数fcn=90-6*u得到变化范围为3090的触发角。当uc=0时，=90，对应整流电压变小，转速相应减小；uc=10时，=30，整流电压变大，转速也增大。4.2 pi控制参数整定转速环和电流环均使用pi调节器时，参数和采用对应参数时的仿真结果波形如下所示：1) 第一组pi参数取当电流环、转速环的pi调节器均采用理论计算所得的理论值时，即对电流环有：kpi=1.6335,kii=65.34，对转速环：kpn=4.63,kin=53.21时，仿真波形图4.2所示：图4.2 按理论值整定的系统输出波形2) 第二组参数取仅只增大转速环的比例放大系数的情况，即对电流环：kpi=1.6335,kii=65.34，对转速环：kpn=9.2,kin=53.21时，仿真波形如下图4.3所示：图4.3 第二组参数对应系统输出波形3) 第三组参数在在第二组改变的基础上仅只减小电流环的比例放大系数，即对电流环：kpi=1,kii=65.34，对转速环：kpn=9.2,kin=53.21时，仿真波形如下图4.4所示：图4.4 第三组参数对应系统输出波形观察对比如上述所示pi调节器取三组不同参数时的转速，电枢电流以及转矩的输出波形，对比三组波形图表现的起动时的调节时间，以及转速和电枢电流在起动和突加负载时的超调量可知，第二组数据所对应的的波形最为理想。4.3 pid控制参数整定4.3.1 电流环pid参数整定对双闭环晶闸管不可逆直流调速系统pid的参数整定可先将电流环和转速环分开来分别调整参数至得到比较理想的波形，先调节内环再调节外环。在上述pi电流调节器的基础上增加微分部分，图4.5-4.7是三组不同的参数对应的闭环控制系统的电枢电流输出波形：图4.5 微分系数0.1 比例系数放大20倍（kp=32.67） 图4.6 微分系数0.08 比例系数放大20倍（kp=32.67）图4.7 微分系数0.08 比例系数放大10倍（kp=16）增加微分系数是因为微分调节的超前作用可以缩短响应时间，对比上述三组不同数据,可以看到：当微分系数为0.1 比例系数放大20倍，即当kp=32.67时，电动机空载起动至转速达到额定转速所需的时间约为1.45s；而当微分系数为0.08，比例系数放大20倍，即kp=32.67时，电动机自空载起动到达到额定转速的时间约为1.36s；而当微分系数为0.08，比例系数放大10倍（kp=16）时，所需的时间约为1.5s。因此，由上述波形图以及对波形图的分析可以看出，第二组数据对应的起动响应时间最短，因此，电流环的pid控制参数暂时可取第二组，即kp=32.67,ki=65.34，kd=0.08。4.3.2 转速环pid参数整定同电流环pid参数整定相似，断开电流环，则系统成为转速单闭环控制系统，在pi转速调节器的基础上增加微分部分，图4.8-4.11是四组不同的参数对应的转速单闭环控制系统的转速输出波形,在此先列出未加入微分的纯pi调节时的转速输出波形图，如图4.8所示，以此与加入微分后的输出波形作比较：图4.8 kp=4.63 ki=53.21 kd=0图4.9 kp=8.26 ki=0.021 kd=0.0000001 图4.10 kp=0.826 ki=0.21 kd=0.0000001图4.11 kp=8.26 ki=0.21 kd=0.0000001由上述四组转速单闭环控制系统的pid参数整定输出的转速波形可知，加入微分环节后，系统的响应时间大大缩短，但出现了静差；同时，若比例系数变化过大，系统的转速波形将无法达到预期的要求。由于响应时间的缩短造成了静差的出现，故而需要调整pid调节器的参数使其既能保证尽量减小静差又能减小响应时间。对比三组数据对应的波形，暂时可取第三组参数，即kp=8.26 ki=0.21 kd=0.0000001。4.3.3 转速、电流双闭环pid参数整定用前面整定的参数值进行仿真，电流调节器和转速调节器均增加微分系数部分，采用微分模块derivative。仿真电路图如下图4.12所示，仿真算法仍然采用ode45。图4.12 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统pid仿真电路图如图所示，利用matlab自带的各个模块搭建转速环和电流环的pid调节器。采用gain模块和derivative模块构成组成pid调节器的微分部分，比例部分由增益模块gain单独组成，积分部分由gain模块和integrator模块构成。通过改变比例、积分、微分部分的gain模块的参数来改变pid的比例、积分、微分系数，亦即本课题需要设计整定的参数。仿真结果如下图4.13所示：图4.13 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统pid仿真波形图（1）将系统pid仿真结果波形与pi仿真时的波形图进行对比，当转速环和电流环采用pid调节器后，系统中电动机的空载起动的响应时间明显缩短，达到额定转速的时间为0.45s，而采用pi调节器时，电动机由空载起动到达到额定转速花费的时间为1.36s，可见，采用pid调节器可明显提高系统的反应效率；但同时，当第6s给电动机突加100nm负载时，pid控制下的系统转速有静差，需要继续调节两个pid调节器的参数，以尽量减小转速静差，同时又要求能使得微分的超前作用得以发挥。继续调整两个pid调节器的参数，最终得到的比较理想的转速、电枢电流和转矩输出波形如下图4.14所示：图4.14 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统pid仿真波形图（2）该仿真波形对应的各个参数为：电流环：kp=32.67 ki=65.34 kd=0.08转速环：kp=15.437 ki=1.348 kd=0.01将pid控制输出结果较为理想的波形图与pi控制输出结果较为理想的波形进行比较，比较结果如下表所示：表一. pid控制与pi控制下各量值比较项目pipid空载起动转速超调n9.95%9%空载起动电流超调i00突加负载转速静差(rad/s)04空载起动调节时间（s）1.40.7通过表一所示的各量值的比较可知，pid控制调节下的系统应对变化的调节时间较之pi控制调节下的系统明显缩短，但在本次课程设计中pid调节下的系统在对电机突加负载的情况下，转速调节出现了静差。按照理论所讲的理想模型对负载的阶跃扰动应是没有误差的，有可能是仿真的电机模型不够理想，所以导致了matlab仿真出现了静差，但误差在允许范围内，可以接受。结 论双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的控制部分由转速环(asr)和电流环(acr)组成，两个调节器可采用比例-积分调节器(pi调节器)或比例-积分-微分调节器(pid调节器)对系统的静态特性和动态性能进行调节，使系统性能和特性达到预期的效果。比例系数可减小静差并使系统快速反应作