《simulink双闭环直流调速系统设计与仿真》英文翻译(00001).docVIP

基于Simulink的双闭环直流电机调速系统的参数优化与仿真 摘要 在控制系统中当动态性能的要求很高，并且单回路控制系统不能满足的要求时，我们实施了多环控制和在线对内环和外环进行参数优化。本文以双回路直流电动机调速控制系统为例，采用仿真优化方法设计两个PI调节器的参数，使系统的动态和稳态指标达到设计要求。 关键字：参数优化 直流电动机 双闭环系统 仿真 正文： I 简介 在经典控制理论中，通常对控制电路中的每个物理量设立一个调节器，当有多个物理参数要被控制时，就需要设置多个调节器来控制这些参数，这样的系统被称为多回路控制系统。双闭环直流电动机调速系统是一个典型的多环控制系统。根据文献[1]我们很清楚的了解到速负反馈控制的单闭环直流调速系统用PI调节器可以保证系统的稳定性。然而当控制系统对动态性能要求很高，例如快速制动、突加负载时转速降落小等要求，单闭环调速系统将难以满足需求。经典控制理论解决这个问题的唯一的方法实现电流负反馈控制在电流控制环设置一个调节器用于调节电流量II 系统模型 为了充分发挥转速和电流负反馈在系统中的控制作用，以及它们不会相互抑制影响系统的性能，我们在系统中设置了两个调节器调节速度和电流，实现它们之间的联接。也就是说，我们把速度调节器的输出作为电流调节器输入电流调节器的输出控制的触发装置。速系统的动态结构图如图1所示。 图1 双闭环直流调速系统的动态结构图 为了保证电动机启动时电枢电流不超过允许值，速度调节器必须要限制其输出的电压幅值。这样，当器饱和状态，，对应于最大允许起动电流，电流不饱和的，DC实现最大电流允许值恒流加速。，，，，，，，，，，。 稳态指标：无静差。 动态指标：电流超调量不超过3%；转速超调量不超过5%。 多环控制系统的工程设计一般原理是从内环开始，一环一环的向外设计。对于双闭环直流电机调速系统，我们应该从内环路（），按照的控制要求，确定什么样的典型系统用同样的方法的外环的设计（速度环）电流超调量不超过3%速度超调量不超过5%。III 仿真和运行 根据图1得到的仿真模型如图2所示闭环控制直流电机系统的Simulink模型Simulink仿真模型两个PI调节器同一时间的参数优化P1 = 1, I1 = 4, P2=1, I2=4；IAE的目标函数为： （1） 通过目标函数优化参数的结果为：P1*=110.4486, I1*=1.4125, P2*=8.7689, I2*=72.511。相应速度曲线和电流曲线图3所示的图3 转速曲线和电流曲线 IV 结果分析 通常我们先从电流环开始分析。在图2 Simulink的仿真模型中，电流环设置一个幅度为10V的给定信号。电流环的Simulink仿真模型如图4所示。 图4 电流环的Simulink仿真模型 如图4所示，在Simulink仿真模型两个PI调节器同一时间的参数图5电流环阶跃响应曲线（基于目标函数1）优化P = 1, I = 1；目标函数为IAE。电流环的响应快，所以应该短获取参数优化结果：P*=3.5531, I*=79.1748阶跃响应曲线如图5所示超调量达到25.19%，所以它不能满足设计要求。为了抑制，修改目标函数，目标函数： （2） 然后可以进行参数优化P*=0.86428, I*=23.0913。参数优化后的电流环阶跃响应曲线如图6所示。这里电流的超调量为0.54％，所以它可以很好地满足设计要求。 图6 电流环阶跃响应曲线（基于目标函数2） 电流环的PI调节器的参数确定后，就需要确定转速环PI调节器的参数P和I。优化后转速环参数将取代图2中PI调节器的参数。在转速环中将设置一个给定信号，给定电压的幅度为10V，且转速环的I和P参数的初始值如下：P=1；I = 1。然后，我们设定目标函数是IAE，仿真的时间为0.5s。我们可以得到参数优化的结果是：P*=11.8417, I*=1.317。电流环和转速环参数优化后将取代图2中的转速和电流PI调节器。通过仿真我们可以得到的电流和速度阶跃响应曲线电流和速度阶跃响应曲线如图7所示所以我们实现调节器的稳态无差V 结论 直流电动机双闭环调速系统是一个典型的多回路控制系统。对于这种类型的控制系统的设计方法是：从内环到外环，一环一环的逐步向外设计控制器。在本次设计中使用的参数优化技术，在没有任何经验的情况下我们可以快速获得满足设计要求的调节器参数。这种对外环调节器参数进行仿真优化的过程，同样也适用于其他类型的多环控制系统。 参考文献 [1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统 [M]. 北京：机械工业出版社，2002 [2] 蒋敏. 控制系统的计算机仿真 [M]. 北京：机械工业出版社，2002 [3] 罗晓丽，范桂林.直流电动机调速系统. 上海海事