运动控制系统仿真教材

1、本科毕业设计（2016 届）题 目 学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师运动控制系统实验范例设计自动化学院电气工程与自动化1206301212063230袁朝海孙曜诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文运动控制系统仿真实验范例设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：年 月 日杭州电子科技大学本科毕业设计摘要运动控制系统仿真实验范例的设计，分为直流调速系统实验范例和交流调速系 统实验范例两类分别进行设计分析。范例设计的主要目的是使运动控制系统的学 习者能够使实验者在进行实际的实验前能够事先有一定的经验，

2、使设计者能够在 范例的基础上，针对具体的实际工程问题通过改变模型的参数和模块，进行快速 的仿真实验，从而节省设计的时间和成本。直流系统的设计分为三类，开环调速 系统是一种非常简单的、容易实现的系统，但不能自我调节，受扰动信号的影响 且无法恢复。转速负反馈调速系统是对给定信号引入转速反馈环节，能够在一定 范围内实现转速的自我调节，但会存在转速超调和启动电流过大的问题。转速电 流双闭环调速系统是在转速反馈调教的基础上增加了电流调节环，可以有效的抑 制启动电流过大的问题，在启动时间、超调量、抗扰等方面性能优益。从三类系 统仿真结果的对比分析中，可以看出系统动静态性能和稳定性在逐渐被优化。交 流调速系

3、统是针对异步电机进行矢量控制设计。在所设计的虚拟仿真范例中，实 验者能够直观的、可视化对结果进行分析。关键字 运动控制系统；实验仿真；开环；单闭环；双闭环；矢量控制AbstractThe Design of motion control system simulation examples, divided into experime ntal paradigm and DC speed con trol system of AC speed con trol system of two kinds of examples are desig ned. The main purpose of

4、an alysis paradigm is desig ned to make the moti on con trol system of the lear ners can make the user able to adva nee some experie nee in the actual experime nt, the desig ner can in case on the basis, accord ing to the actual concrete engineering problems by changing the model parameters and simu

5、lation module, fast, saving time and cost design. The design of DC system is divided into three categories, the ope n-loop con trol system is a very simple system, easy to impleme nt, but not self regulati ng, disturba nee sig nal the in flue nee and cannot be recovered. The speed feedback con trol

6、system is for a give n sig nal in to the speed feedback link, can realize the speed in a certa in range of self regulat ing, But there will be a speed overshoot and start ing curre nt is too large. The curre nt double closed loop speedc on trol system based on speedfeedback training on the in crease

7、 in the curre nt regulation loop can effectively restrain the starting problem of excessive current, the starting time, overshoot, anti disturbanee etc. excellent performanee. A comparative an alysis from three system simulatio n results, it can be see n that the system dyn amic and static performa

8、nee and stability was gradually optimized. AC speed eon trol system is desig ned for vector eon trol of asynchronous motor. I n the virtual simulatio n example desig n, the experime nter can in tuitive, visual an alysis of the results.Key words: motion eontrol system; The simulation; open loop; sing

9、le loop; double loop; vector eon trol目录1引言 12设计方法介绍 22.1 设计工具介绍 22.2 设计方案步骤 33开环直流调速系统仿真范例 53.1 基于传递函数数学模型的开环直流调速系统仿真 53.2 基于电气原理图的开环系统仿真 84转速单闭环直流调速系统 144.1 基于传递函数数学模型的转速单闭环直流调速系统仿真 144.2 基于电气原理图的转速单闭环直流调速系统仿真 205转速电流双闭环直流调速系统 245.1 基于传递函数数学模型的转速电流双闭环直流调速系统仿真245.2 基于电气原理图控制的双闭环直流调速系统 326矢量控制的交流调速系统

10、仿真范例 376.1 矢量控制的基本思想 376.2 基于矢量控制的交流调速系统仿真 41结论 44致谢 45参考文献 46杭州电子科技大学本科毕业设计1引言本次设计的内容是关于运动控制系统仿真实验范例的，大学课程中的运动控制系统是一门综合性很强的专业课程， 与电气工程、自动化等专业密切相关。这 门课程的内容涉及了包括自动控制原理以及电路原理、电机拖动技术和电力电子变流技术等方面的知识，运动控制系统是电气工程与自动化专业的学生学习和研 究的一个主流的方向。运动控制系统仿真实验是学生在学习这门课程的过程中必 须要了解和学习的，仿真环 节是不可 或缺的。目 前主流 的仿真环境 是在Matlab/s

11、imulink下进行的。在当前国内外的运动控制系统实验仿真建模的学习和 研究中，Matlab是应用较为广泛的计算机仿真软件。在现代的工业设计及生产过程中，为了提高产品的品质、质量以及生产的效 率，需要对工厂的生产设备和加工工艺的过程进行精确的控制。控制运动过程的目的实际上就是掌握控制变量的变化规律， 使得输出量在不管是否存在扰动对象 的情况下都能得到所期望的结果或稳定在某一特定值上下。而在Simulink下的仿真可以直观的、数据化的看到控制的过程及结果。基于MatlabSimulink的运动控制系统实验范例设计，其目的主要是便于学 生进行可视化、自主化的仿真实验设计，实验者通过simulink

12、进行仿真模型的建立，可以让实验者更加直观的观看到仿真系统中各控制量的结果和波形图。可视化的虚拟平台和可以通过网络随时随地进行仿真实验，减少了一些客观因素的 限制。从基本的一些理论知识到复杂的、 典型的仿真实例，由浅入深的进行动态 的、可视化的交互式的仿真学习，方便了师生之间的交流，而且不受时间地点的 限制，学生以及实验者通过在simulink下进行的仿真可以对模型中的各模块的性 能、电路连接情况有一定的了解，并且能够直观地看到仿真结果的波形图或在 Matlab的工作空间中输出仿真结果，通过对模型中实验参数进行设置或改换， 了 解不同参数对仿真系统的运行结果的实际影响，能够让实验者在实际的实验之

13、前就能对仿真实验的原理及内容有一定程度的了解，还能够减少由于实验者对仿真 实验不够熟悉而导致实验仪器损坏等不良结果，避免因为错误的电路连接和不正确的操作或失误所造成的隐形危险，提高实验者的自主学习能力及对实验的兴 趣、和思维能力。2设计方法介绍2.1 设计工具介绍Simulink是Matlab开发环境中的主要的组件，在控制系统、控制理论的相 关实验仿真中，它提供了一个可视化的、动态的系统建模、仿真以及综合分析的 软件。在simulink下只需要进行简单的一些鼠标操作， 通过模型的拖拽和连接即 可搭建出复杂的系统模型，这种建模方式具有结构简单以及流程清晰、模型可视、 适用范围广、仿真精细、效率高

14、和实验灵活多变等明显的优点。设计中主要用到Matlab（8.3） R2014a版，在范例设计过程中，仿真模型的 搭建过程中，需要实验者掌握 Simulink中的工具箱使用，能够熟练的运用其中 的相关模块，并且能够熟练应用 Simulink中各种库函数。实验范例设计的虚拟 平台的搭建，可以利用guide图形界面设计来完成这部分工作。Simulink中仿真 实验模型的搭建，其中各种模型模块及库函数的使用是基本点，系统实验参数的 设计是细节也是重点。实验范例与实验平台的连接也是通过guide完成的，这个过程中相应的控件的句柄语句以及回调函数是要点。在仿真系统的运行调试过程 中，要根据输出量的scop

15、e波形图像对仿真系统的参数进行优化。然后对实验范 例设计反复优化、调试。在本次运动控制系统反震实验范例设计的仿真中主要用 到了 Matlab中的Simulink的以下特点：直观的、图形模块化的仿真模型搭建方式，利用Simulink模块化的建模方式 可以迅速建立可视化的运动控制系统仿真实验模型。快速、准确的Simulink设计模拟，为用户提供了一个图形化的调试工具辅助 用户进行运动控制系统的开发搭建。从上面所分析出的结论可以看出，在老师的教学以及学生的学习过程中， 使 用Simulink中模型仿真技术与GUIDE界面设计相互配合，进行搭建图形化、模 块化、数字化以及可视化的运动控制仿真系统的虚拟

16、实验，以方便老师的教学、 学生的学习。而且在实验者进行实验范例的研究学习时，可以通过计算机网络进入所搭建的虚拟平台进行仿真实验，可以很方便的进入虚拟仿真模型实验环境， 可以在调整参数的同时观看仿真实验的输出结果，仿真范例模型的选择是从基本理论知识到有一定程度复杂的典型仿真模型实例，由浅入深的进行相关实验的模 型搭建及仿真，大大的方便了实验者们之间进行动态的、可视化的、数据化的交互式系统仿真。而且通过这种方式的仿真实验受时间、 地点等客观因素的限制比 较小，实验者通过仿真能够对仿真系统中的各模块的性能、连接电路的搭建情况等有所收获，还能够非常直观的通过scope查看输出波形图或通过工作空间看到

17、仿真结果，在所搭建的模型中可以直接对系统中各参数进行修改和设置，这样便于实验者理解参数在模型仿真中对实验结果的作用，在实际的实验之前就能够对 仿真实验的电路连接以及模型搭建有一定程度的了解，能够让实验者熟悉实验范 例，避免因为对实验不够熟悉等一些因素而导致实验仪器被破坏的情况发生，同时避免错误电路连接和不精确的参数设置而导致的实验危害。通过这种虚拟仿真实验环境进行的实验，能够有效的提高实验者对仿真建模的兴趣、 积极性和自主 学习能力、思维能力。通过simulink的仿真是理想化的，与实际仿真实验还相比 有一定不同，实验者不仅嫩能够通过 Matlab仿真加深对仿真实验的理解，还需 要多进行一些实

18、际的仿真实验来加强自己实际的动手操作能力和解决问题的能 力。2.2 设计方案步骤这次运动控制系统实验范例设计主要的目的和要达到的要求是：对运动控制系统中的交流、直流电机调速系统进行设计，包括对矢量控制的交流调速系统和 直流调速系统的三个实验范例进行相关设计， 并进行模型搭建和数据分析，包括 开环控制的直流电机调速系统、转速负反馈控制的单闭环直流电机调速系统、转 速电流控制的双闭环直流电机调速系统。 在对实验仿真系统分别进行仿真建模和 结果分析后，对比其结论进行实验总结。在整个运动控制系统仿真实验设计的内容及结果的模型搭建及实验仿真中， 对仿真的结果进行数据分析对比，总结出各个环节对仿真系统所产

19、生的作用和影 响。此次设计主要是对直流电机进行仿真建模的，然后对其进行控制调试，根据直流电机相关知识，在运动控制系统、电机拖动这两门课程中都有介绍，从直流 电机的名牌参数、工作原理、特性方程等可以推理出三种比较常见的调速方式：（1）通过改变直流电机的电枢电压进行无级调速， 通过升压降压进行调速， 在实际中一般都是降压调速，恒转矩调速是从直流电机标示的额定电压开始降压 调速，从而实现对转速控制，这是一种非常好的调速方法，尤其是在对于某些特 定场合中，要求电机在某一特定范围内实现无级平滑调速的直流调速系统。（2）通过改变直流电机的电枢回路电阻进行有级调速，这种有级调速方法 所对应的直流调速系的统结

20、构比较简单， 缺点就是电机的工作效率比较低，只适 合用在于一些功率比较小的直流电机、开环控制的有级调速系统中，多是应用在 工厂生产的小型的电动玩具中。(3) 通过改变直流电机的主磁通进行小范围平滑调速，应用这种调速方法 虽然也能够实现直流系统的平滑调速，但是比较明显的缺点就是系统的调速范围 小，所以这种调速方式通常与调压调速配合使用，在调速过程中实现小范围的升 速调节，单独的情况下一般很少会使用， 多是以一种不独立控制的、通过励磁改 变电机主磁通的方式在调速系统中出现出现。方案设计流程：图2.1 方案流程图本次设计中主要是对开环直流调速系统和转速负反馈控制的单闭环直流调 速系统以及电流、转速负

21、反馈控制的双闭环直流调速三种案例进行研究分析，每种案例均进行基于传递函数数学模型的仿真和基于电气原理图的电气模型仿真。运动控制系统实验范例设计是在 MatlabSimulink环境中进行的仿真建模分 析，其主要应用在学生的学习和老师的教学以及在生产实践过程中运动控制系统 的实际应用。运动控制系统实验范例设计的主要目标不仅是学习研究直流或者交 流调速系统仿真实验案例，使实验者在未来的工作实践中能够根据实际需要设计 符合相应要求的控制系统，更主要的目标是培养实验者通过综合运用模型仿真实 验来解决现实生活中实际的工程问题的能力。 让学生能够在实际工程中懂得如何 使运用自己所学到的相关方面的综合知识，

22、 使所设计出来的运动控制系统具有更 优秀的性能以满足生产过程中的工艺要求是本次设计的目的意义之所在，然而要达到这种教学目标不仅仅需要老师们的课堂教学，更是需要学生和实验者对运动控制这门课程有更多的主动性的认知，从而加强课程中的相关实践教学仿真环 节，包括仿真实验和系统设计。但是在仿真实验的过程中，实验者由于受到课程 教学学时、实验室的相关实验设备以及其他的一些客观的实验条件等因素的限 定，老师们的教学目标有时会很难完全的达到，而基于Matlab的虚拟实验仿真和模型设计则可以忽略这些客观因素的限制。3开环直流调速系统仿真范例3.1 基于传递函数数学模型的开环直流调速系统仿真开环直流调速系统是运动

23、控制系统中的最基础的一种系统，也是一种非常简单的确实必须要理解的系统，开环系统是根据给定的控制量，一般是电压或转速 输入，通过控制器和一系列电路对被控量进行控制，开环系统在整个控制的过程中是没有反馈，即被控量（一般为对转速进行控制）不对控制量产生反馈作用， 因此开环直流调速系统是不具备调节修复能力的，如果在运行过程中出现扰动， 将很难维持输出转速的稳定。本例中的开环控制系统就是采用通过改变电机的电 枢电压或电流的方法来实现对转速的控制。例 在实际的某工程应用中的某刨床的工作台上的直流电机，其额定的铭牌参数如下：电机的额定电枢电压 UdN = 440 V ,电机的额定功率 Pn = 55 kW

24、, 电枢回路总电阻 Ra = 0.25 Q，电机的额定电枢电流ldN = 140 A ，电枢回路 总电感L = 5 mH。在额定励磁条件下电机的额定转速 nN = 1000 r/min，在弱磁升速时最高转速为2000 r/min ，电机的电动势常数Ce = 0.416 V?r 1?min。在该工程应用中要求电机调速系统的静差率s 5%，并且转速的调节范围D = 20 。该调速系统采用开环控制，进行仿真设计和分析：开环系统的数学仿真模型是根据其传递函数的数学结构图搭建的， 在本例实 验仿真中，按照各个环节的传递函数设置仿真系统的参数， 根据开环控制系统的 传递函数动态结构图，如开环直流调速系统结

25、构图 3.1，传递函数图3.2所示：n(s)UdUd(s)静态特性分析：在电流连续的情况下，因为电枢回路的电流 IdN作为负载扰动所引起的额定 转速降为：| Rn dN a= 140*0.25/0.416 = 84.13 r/min式 （3.1）Ce在电机在额定转速的情况下，系统的静差率：SNN = 84.13/（1000+84.14） = 7.76% 式 （3.2）nN珈若要满足调速系统在静差率s = 5%情况下转速调节范围D = 20的要求, 此时的转速降需要：nNnNSD(1 s)=1000*0.05/(20*(1-0.05) = 2.63 r/min式（3.3）13明显可以看出，即使在

26、额定转速时都不能满足静差率的要求；而要满足调速 范围和静差率的要求，显然需要额定转速降减小到原来的3%左右。额定转速降nN是由被控系统的原始参数决定的，额定电枢电流和额定电枢电阻以及电动势 常数都是无法人为改变的，因此开环系统一般来说很难满足工程上调速系统的静 态性能指标要求，需要研究闭环反馈控制，在后面章节会有研究。动态特性分析：已知电源的放大系数 Ks = 44 ,系统的飞轮转动系数 GDA2 = 90 N.mA2，电 动机最大的允许过载倍数为1.8。从上述参数可以计算出：Ct = 60*Ce/2 n = 3.97 N.m. A 1 ,Ts = 1.67 ms ,TI = L/Ra = 2

27、0 ms ,Tm =GDR/375CeCt = 36.3 ms 。跟踪通过给定控制传递函数Wc(s)n(s)Uc(s)式(3.4 )负载扰动控制传递函数WL（S）罟式 3.5 ）当满载时，即IL = IdN = 140 A时，转速从零到额定转速阶跃启动时的跟踪性能过渡过程,t = 0.3 s 时，超调量116-187.4%1080式（3.6）通过观察仿真结果图可估算出，上升时间为0.2s，调节时间（取95%稳态值时）大约为0.2s按照开环调速系统的产地函数数学动态结构图设置参数，在Matlab的Simuli nk中用鼠标拖拽模块搭建仿真模型，根据传思函数的动态结构把系统模型建立好，如图3.1.

28、1-3，其中Ud（s）设置为常数，是开环系统的给定，也是控 制输入参数，并把其幅值设置为440 V，把其它相应的环节也设置好。把IdL用Step模块进行设置，名称改为“阶跃信号”，在系统中作为扰动信号，且在0 -3 s之间，其幅值大小为0，而3 - 10 s之间，其幅值大小为140，然后进行 仿真模型的连接搭建，Transfer Fun 模块需要两个，其中参数按照上述的传递 函数中的参数设定。如果要观察输出转速的波形图，在输出处接上一个示波器 Scope或out输出转速的波形。仿真模型图如图3.3所示：勺 0penJX.SystemFile adit hi 已甯Display Dkg rm i

29、rnuldtion.Analysis CodeTblsHelp卧 ifl T BT ! !9T叶” / 體图3.3开环系统仿真模型图仿真模型搭建完成后，运行该仿真系统，双击示波器即可打开观看到转速的 波形图，如图3.4所示：通过观察转速波形图可以明显的看到，在 3s的时候转速有明显的下降波动，这是因为在3秒时，扰动阶跃信号起作用，对系统产生影响。其后转速波形 图并没有恢复原来稳定值，说明开环系统不具备调节修复能力。因此开环系统只 能在一些对转速要求不是很精确的场合使用。图3.4 开环系统仿真结果图通过在仿真系统中改变Step参数，即给定信号U；(s)的幅值，在直流系统中 来实现对电机转速的控制

30、与调节，然后通过控制阶跃信号，即扰动负载Idl的幅 值和触发时间，来实现系统中扰动电流对仿真结果的影响。这种开环控制并不能 很好的实现电机转速的控制，从仿真结果图中可以看到，系统的上升时间很长。3.2 基于电气原理图的开环系统仿真基于电气原理图搭建的开环直流调速仿真系统模型，其仿真模型的搭建和仿 真的实现过程是依据开环系统的电气原理图进行的，按照所需要实现的实际的功能，将整个系统通过一个个的子模块连接设置进行搭建，在Matlab中 SimPowerSystems工具箱中，拖动电气元器件模块以及函数模块进行设置，再同 其他工具箱中的一些模块相互组合，实现开系统子模块的模型搭建与实验仿真， 最后根

31、据电气原理图的电气连接，实现各个函数模块和电气模块之间的连接，同时运行和调试整个开环控制的仿真系统。开环调速系统的电气原理图，如图3.5所示，参数的计算与设计：励磁电压Uf = 220 V ，励磁电流If = 1.5 A ，p = 2，在恒拟定磁场控制条件下的励磁电感近似取值为零。励磁电阻 Rf = Uf/lf = 220/1.5 = 146.7Q ,电枢绕组和励磁绕组的互感Laf = Ct/lf = 3.97/1.5 = 2.65 H转动惯量 J= GDf/4g = 90/(4*9.8)= 2.3 kg.m 2，平波电抗器Ld = 20 mH ,供电电源为142 V 。kt adwQ阿CiD

32、C Wrap eitb_rjnlKrI诉紳 1 MJ日Lin*10J%4狂:A On|uTanecdelSs牛0，迎 jxeFUe Edi *曲乩叩切Dioorim SiimildknCodeTaels Help38器4b畐”轴0 UP :*y畑bl-0- Sr -a.I ：i_ _|l*图3. 5开环系统电气原理仿真图1、 选择三个交流电源模型：SimPowerSystems- Electriacl Sources - AC.Voltage Sources，直接进行拖拽连接；参数设置：电压幅值Peak anplitude(V):220 ,初始相位分别为Phase (deg) 0 ； 120

33、； 240 ,频率 Frequency(Hz):50。2、 晶闸管整流器模型的选择：SimPowerSystems- Power Electro nics - Universal Bridge ,拖出一个模型，参数设置：双击模块，在属性对话框中进行相关参数的设置，一般要参考实 际选择的交流装置的参数属性。双击该模块打开属性设置窗口进行桥路相关属性 的设置，如图3.6所示：7 Bio匚kmeters: Universal BridgeUtiiverbal Biridge (jn-ak) Klink)TlhiS blouk imp 1a. bridge o壬 s：归 1 导口t令曰 powefel

34、ecrt r orLics dpwiuu导.Scries RC wnubbuE c；xxcuit s acre：Gcxmected n parallel uiith.号pch swixcti device Fres Help Tox sug：3g：es ed snu-bber values wKibm 1 tie model is dis ere izi.3；吕 d. For mo st 2Kppl3_ca. ions the iin e mal induct senee Lon crE d.iod.es and hyr ist oirs shcald. be sei: o set oP ar

35、 -ajTte rsPrujuboir e Cs FinfP OWor E1 c ci: i: otxic diev c c TIl歹疋壬目*6言Ron (OIutls)1 e 3Lon (II)0Foirw.zrd -olt a-g& Vf (V)irrr卜| UK| Cancel | Help|App丄y图3.6 桥路属性参数设置图直流电机模型的选择： SimPowerSystem&- machines- DC machines, 直 流电机固有参数是以实际电机的铭牌标示的数据计算获得的。参数设置：F+和F-:这两个端口是直流电动机励磁电路控制电路端口，分别和励磁电 源，此处需要拖拽直流电

36、源模型作为励磁电源，F+和F-这两个断流分别和励磁电源的正极和负极进行连接。A+和A-:电机的电枢回路控制端口，在单环和双环系统中与控制回路路相 连接，主电路连接是一致的。TL :电动机本身的扰动（空载）负载转矩输入端，拖拽一个Step信号当做负载。M :直流电动机信号的输出端、测试端，包括输出转速，单位是转每秒,电机的电枢电流Ia，单位是安培，电机的励磁电流If，单位也是安培，电 机的电磁转矩Te，单位数牛米。在simulink的工具窗体中找到直流电机模块， 并把直流电动机模块拖到到系 统模型的窗口中，与电源模块和控制回路模块相连接，可以通过双击该模块，打开属性设置对话框BLOCK Para

37、meters:DC machine，如图3.7所示，直流电机 的各个相关参数定义如下，参考实际电机进行设置：Armature resista nee and in ducta nceRa (ohms)La (H)：电枢电阻(Q) 和电 感(H)。Field resista nee and in ducta nee Rf (ohms) Lf (H):励磁回路电阻(Q)和电 感(H)。电枢与励磁回路互感(H)： Field-armature mutual inductanee Laf (H)Total inertia J (kg.mA2)：电机转动惯量(kg*mA2) 0Viscous frict

38、ion coefficient Bm (N*m*s):粘滞摩擦系数(N*m*s)。Coulomb friction torque Tf (N*m):静摩擦转矩(N*m)。Initial speed (rad/s):初始速度。电动机属性参数设置如图3.7所示：图3.7电动机参数属性设置图Syn chro ni zed6-Pulse Gen erat o是六脉冲出发装置，其中频率设置与交流 电机一致为60Hz ,触发角为10(deg) oAB、BC、CA分别接三相交流电，alpha_deg 的给定为50。Block的给定为0。其属性参数设置如图3.8所示：图3.8六脉冲出发装置参数属性设置图直流电

39、机的测试端m端与Demux连接，这里需要设置DemuX勺属性，将Mux blocks used to create bus signals设置为 error。电机负载端 Tl 端添加一个 constant 模块，设置该模块的属性参数幅值为 20的，作为电机的扰动负载。进行仿真， 运行调试后的仿真结果，直流电机的 m端输出四个量，分别为转速、电枢电流、 励磁电流、转矩，转速转矩波形图如图 3.9所示，输出结果在Scope中显示如图 3.10所示：5XY Graph回图3.9转速转矩波形图图3.10直流电机仿真结果显示图杭州电子科技大学本科毕业设计4转速单闭环直流调速系统4.1 基于传递函数数学模

40、型的转速单闭环直流调速系统仿真在上一章分析了开环系统存在问题，想要更好地优化调速系统的动、静态性 能及系统稳定性，一般在工程中通常不会采用开环系统， 闭环系统的性能要更好 些，所以工程中多会采用闭环系统，闭环系统中作为反馈环的有转速环反馈、 电 流环反馈，例如转速单闭环直流调速系统、转读电流双闭环直流调速系统。有些 场合对系统的调速性能要求不是很高， 通常采用单闭环调速系统即可，而有些对 生产工艺要求比较高的场合对调速系统的性能要求也就比较高，则多采用转速环与电流环或位移环相配合的多闭环调速系统。在闭环调速一般采取电流和转速、 位移的负反馈控制环节，根据反馈的方式和参数的不同来为系统分类， 通

41、常可分 为电流反馈、转速反馈、电压反馈、位移反馈系统等。在单闭环控制的直流调速系统中，多采用转速负反馈控制电路，这是非常经 典的一种调速系统，下面会分析其优缺点。在一些电机拖动领域，对调速性能会 有非常高要求，通常会使用直流电动机加上一些控制电路作为动力源。但通过在3.1节的开环直流调速系统实验，可以很明显的看出，开环系统性能不能满足这 些高精度的要求，因此，在实际应用中多采用转速负反馈作为直流调速调速系统 的控制环节，提高系统的稳态精度和其他性能指标， 在某些特定场合用来满足有 较高调速性能要求的电机拖动系统。在本章节的单闭环调速的建模设计中，是采用比例积分控制的速度负反馈调 节器来进行调节

42、的，因为如果只采用比例调节而不与积分调节相配合的话，速度负反馈调速系统是会存在比较大静差的，实际的工程应用系统中为了减小调速系 统的静差，达到提高系统的稳态性能的目的，通常在实际系统仿真中使用积分调 节器与比例调节器相互配合。所设计的转速单闭环负反馈调速系统的目标是要想维持系统中某个输出量 稳定在某一特定值上下，且无明显波动。在转速单闭环调速系统中，要想提高静 态性能指标，就要提高系统的静特性硬度，也就是要求转速在受到扰动时或负载 电流变化时基本保持不变。单闭环系统中，是将转速进行反馈控制，并通过设定 的积分系数后与给定的值进行差量运算，再将差量当做控制信号通过调节器进行 控制，从而与主电路配

43、合在一起构成一个完整的转速反馈环节。1杭州电子科技大学本科毕业设计对第三章的例题进行优化，该工程中的调速系统使用桥式整流装置，在该调 速系统中的各个参数分别为：放大系数为：Ks = 44，电磁时间常数为：Ti = 0.02 s，电力拖动系统机电时间常数为：Tm = 0.0363 s ，滞后时间常数为：Ts = 0.00167 s 。调速系统的转速负反馈系数为：a = - 0.01 V.mi n/r。再电机达到额定转速时所相对应的给定电压为：U； = 10V。在PI控制的转速调节器中，比例调节去与积分调节相配合构成战速环调节器的，传递函数设置如下式所示：WPI（s） Kp s 1 KP 丄 式（

44、4.1 ）ss其中Kp是比例系数，积分系数1K i = 式（4.2 ）s转速单闭环直流调速系统的传递函数的结构框图如图4.1和4.2所示：图4.2单闭环调速系统的数学模型结构框图分析转速单闭环直流调速系统的静态特性：按照梅森公式可以直接写出转速、给定电压、和负载扰动之间的关系:KpKs M*U NCe(1 Kol)RCe(1 Kol )Il式(4.3 )公式中转速单闭环直流调速系统的开环放大系数：Kol = a KpKs/Ce 式 （4.4）开环系统的负载速降为：np = IL*R/Ce 式（4.5）转速负反馈控制系统的负载速降为：ncl = IL*R/ （Ce（1+K） = np心+Kol）

45、式 （4.6）从上面的公式可以看出，采用转速负反馈控制的单闭环直流调速系统后，系 统的负载转速降减小了 （ 1+Kol）倍，使得闭环系统的机械特性比开环是硬的多， 可以大大增加闭环系统的调速范围，静差率也小得多。分析： np = 84.13 r/mi n ，在开环系统中已经求解过 ，而开环放大倍 数为：Kol = a KpKs/Ce = 59.23，可求得闭环速降为： ncl = nop/（1+Kol） =1.39 ，已知要求静差率s 5% ,可求得调速范围D = 37.8 20 ，满足工 程中对直流电机调速系统的要求。反过来，也可以求出满足s = 5% ，D = 20时的nclnSD(1 s

46、)=2.63 r/min式（4.7）21系统的开环放大倍数Kol = 31 ,控制电路中放大器的比例系数 Kp = 29.3 转速单闭环系统的稳定性：闭环传递函数：Wcl (s)n(s)UN(s)式(4.8 )该系统是一个三阶系统，其特征数学方程式的一般表达式为:a0s3 a1s2 a2s a30 式(4.9)根据劳斯判据，该系统稳定的充要条件是特征方程式的系数的a0、a1、a2、a3均大于零。可求得系统稳定的临界条件。对系统进行模型的搭建，然后打开系统中的各个模块的属性设置，打开模块 的属性参数设置窗口，从上面分析过程，对系统调节环的参数进行计算，再通过 仿真调试，得到的结果为Kp=0.56

47、，1/ s = 11.43。最后对照着图一中的系统框 图连接模块，所得模型如图4.3所示：其中转速反馈系数a为 0.01，此反馈为 负反馈，PID调节器只用到PI调节部分，分别改变Kp和Ki的值进行系统仿真， 观察波形图并分析仿真实验的结果，计算或调试出使系统性能更优的PI参数，本例按照上述计算的结果设置图4.3 单闭环调速系统的仿真模型运行结果及分析：运行仿真模型，双击Scope示波器观察，可以看得到仿真结果的波形图：下 部分为转速波形图，上部分为电流波形图，如图4.4所示：Time offset: 图4.4 转速、电流波形图Kp = 0.56 Ki = 0Time offset: 0100

48、 J500a-5oa150UwoasoainTime offset: 0图4.5 转速、电流波形图Kp = 0、Ki = 11.3411111111.B.n 1 tl u 1 Ml II II-1 11 H gll 1 1 II | n 1 1 !1 * !l 1 II*1-F1i|111ii11 1II1|iT1L i卩 ，：；-1:;-1-.1-.J 1 111141 x iiI i i !i图4.6 转速、电流波形图Kp = 0.56、Ki = 11.34对这个通过比例积分控制器进行控制的转速单闭环负反馈直流调速系统进行调试分析，从仿真结果可以得出一些结论，在本次的基于比例积分控制的PI

49、调节器的转速单闭环调速系统仿真实验中，比例积分调节器中只用到PID调节器杭州电子科技大学本科毕业设计中的PI环节进行调节，并没有用到其中的微分环节。针对不同Kp和Ki参数时， 系统仿真结果的波形图进行比较分析，分别可以得出比例系数和积分系数对仿真 结果的影响，通过改变比例积分调节器的Kp和Ki参数值，能够得到转速响应的 波形图，从输出结果的调节时间、超调量进行分析比较，对电流波形图及转速波 形图进行观察比较，并进行相应的数据运算。分别改变Kp和Ki的值，运行系统并观察转速电流波形图可得： 当Kp = 0.56 时,Ki = 11.34 ，效果比较好，并且稳定时间也比较短，经过一次振荡之后就基

50、本上稳定了，在3s时负载的扰动后起到的影响也小。通过转速的波形图，可预 估：空载转速为950n/min。这比我们额定的转速1000n/min小得多。满载转速 为980n/min。所以转差率s=0.05.转差率比Kp和Ki设置其他值时还大，并且比 我们所希望转速也比较远，因此不选择其他Kp和Ki值，虽然其超调等比较好。通过对仿真结果的波形图进行分析，结合系统的动、静态性能指标，通过相 互对比仿真结果和数据，可以得出结论：PI调节环的比例系数越小超调量以及上升时间也越小，也就是 Kp的值越大时，系统的超调量就越大，同时上升速度 也就越大。随着Kp值的减小系统的静差率会增大，静差率越大系统的调速性能

51、 也就越不好，输出与给定之间的差值较大。得出结论：当比例系数Kp的值越小时，其转差率也会随比例系数的值增大，但是我们一般都是期望得到尽量小的转 差率的调速系统，提高电机的工作效率，这时就需要积分环节来进行调节，积分系数Ki的值越大，系统达到稳态误差的时间就越快，但如果过大的话就会出现 积分饱和现象，影响上升时间。所以在综合超调量、上升时间、稳态误差等因素 之后，我们选择当 Kp = 0.56，Ki = 11.34。此时系统的性能指标还是会有一点不完美，却已经是比较好仿真的结果。本次单闭环调速系统用比例积分环调节 器作为控制器，通过计算或调试设计出恰当的比例系数和积分系数，改变比例积分环节的参数

52、，分别调试出仿真结果的波形图，分析比较系统的超调量和静差率， 观察系统的响应时间和抗干扰性得出比较理想的系统模型。从上面的分析中可以得出结论：比例积分调节器参数的选择是通过一定计算和仿真调试后，对系统性能进行分析，对比不同PI参数值时系统运行结果的超调量、稳定性和上升时间等动静 态特性，可以得出PI调节器中比例系数Kp和积分系数Ki对系统运行结果的影 响：如果比例系数Kp增大，能够改善系统反应的响应速度、调节精度。随着Kp系数的增大调速系统的上升时间也就越短，即响应速度越快，Kp数值越大调速系统的调节精度越高。随着比例系数 Kp的过大也会使调速系统的超调量变大， 这样会减弱调速系统的稳定性，有

53、可能会让调速系统变得不稳定。但是Kp系数 杭州电子科技大学本科毕业设计取值如果太小的话，调速系统整体的调节精度也会随之降低，系统的上升时间变 长即响应速度变小，调速系统达到稳定的时间也会越长，系统的动静态性能及稳 定性都会受到不良的影响。如果积分系数Ki增大的话，调速系统达到稳定是的稳态误差也会随之减小。 随着Ki系数的增大调速系统的稳态误差也就越小，出现扰动时误差消除的速度 也就越快。但是如果积分系数 Ki的过大，可能会在系统启动开始时产生电流的 积分饱和现象。如果Ki系数越小，系统的稳态误差很难被消除，系统整体的调 节精度也会随之减小。得出结论：PI调节器参数的设置必须考虑两个参数对系统的

54、相互影响，比例系数与积分系数要配合使用，调试计算出比较合适的PI参数。4.2 基于电气原理图的转速单闭环直流调速系统仿真该系统的基于电气原理图的仿真是建立在上一章的开环调速系统的电气仿 真上的，在开环系统的基础上增加转速调节环节，实现转速单闭环直流调速系统的电气仿真，其实现过程也是是依据系统原理图建立电气模型图，将整个系统中的子模块分别进行参数设计和电气连接， 直流电机的电气仿真模型在3.2中已经 建立，本次转速单闭环调速系统只需要从输出的转速中引出一反馈环节，只需要对转速反馈环节进行设置即可，在本章上一节中有转速反馈环节的设计，可拿来 稍做改动即可进行仿真。本章节的调速系统的电气仿真模型如图4.7所示：Au.0鼻图4.7基于电气原理图的转速单闭环直流调速系统仿真模型图L1 r乜r1Jpld)/ pisg-cm STnJatio Are3bi1oc-b H p在转速反馈环节可以把本章中4.1节的调速环节直接拿来进行添加， 直流电 机的主电路是相同的，与开环系统相异的是控制电路的设计，开环系统中是没有 控制电路的，而转速单闭环直流调速系统是在开环系统主电