摘 要：本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，并利用Matlab/Simulink进行建模与仿真研究，最后显示控制系统仿真结果。
关键词：调节器，SimuLink,转速环
Abstract:this paper introduce a design method of DC based on engineering , studying modle and simulation of controlled plant by simulink.At last show simulation output of the control system .
Keywords:regulator, SimuLink,loop of revolution rate
1 引言
直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用[2]，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试[4]。Matlab中的动态建模、仿真工具 SimuLink具有模块组态方便，性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教学提供了虚拟的实验平台。
2双闭环直流调速系统原理图：
在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，可绘出电流、转速双闭直流调速系统的动态结构图，如图1所示。
图 1 电流、转速双闭环直流调速控制系统
3调节器的工程设计方法
校正环节的设计方法很多，而且是很灵活的，用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互矛盾的静动态性能要求，需要设计者具有扎实的理论基础，丰富的实际经验和熟练的设计技巧。这样初学者往往不易掌握，在工程应用中也不很方便。于是便产生建立更简便实用的工程设计方法。
（1）电流调节器的设计：
实际系统中往往有一些小时间常数的惯性环节，它们的倒数都处于对数频率特性的高频段，对它们作近似处理不会显著地影响系统的动态性能。故当系统有多个小惯性环节时，在一定条件下，可以将它们近似看成一个小惯性环节，其时间常数等于原系统各小时间常数的和[6]。经过小惯性环节的处理，并且忽略反电动势对电流环的影响，再假定为理想空载即，得电流环简化结构图2所示，
图 2 电流环（内环）简化结构
为限制超动电流过大在电流环中采用抗饱合电流调节器，由于电流检测信号中常含有交流分量，故需要加低通滤波，其滤波时间常数 按需要选定，滤波环节可抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞，为了平衡这一延迟作用在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节，其意义是让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使两者得到恰当的配合，图中，
。
由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而希望超调量越小越好，同时要求抗扰动性能较好，因此一般都按典型I型系统来设计电流环，取抗饱合电流调节器（PID）中的D为零，建立如下一个双闭环调速系统的电流环，其SIMULINK系统结构图如图3所示2 电力拖动控制系统的设计。由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，应采用PI调节器，其传递函数为：
（3.1）
式中： 
——电流调节器的比例系数
——电流调节器的超前时间常数
电流调节器的待定参数包括和，为了让调节器的零点对消掉控制对象的时间常数极点，令=则电流环的闭环传递函数为
（3.2）
式中
： 降阶处理后近似为：
（3.3）
在一般情况下，希望超调量
，由表1可取阻尼比 
，
，
表1 典型I型系统动态跟随性能指标与参数的关系
因此 
（3.4）
（2）转速调节器的设计：
为了简化系统，在此内电流环建成后，必须进行模块封装，可将其取名为“被控制对象”，继而再建立它的转速外环。为了限制转速，以免产生负转现象，在转速环中亦采用抗饱合调节器（PID）。则测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换相纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数为 表示，跟电流环一样道理，在转速给定通道中也配上时间常为 的给定滤波环节。并经过将滤波环节等效地移到环内，
再把时间常数为 和 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为 的惯性环节，
，则转速环简化成如图所示。
转速环一般选用典型II型系统这首先是基于稳态无静差的要求，其次从动态性能上看，有较好的抗扰性能。转速调节器也应采用PI调节器，其传递函数为：
（3.5）
式中， Kn——转速调节器的比例系数
τn——转速调节器的超前时间常数
这样，转速系统的开环传递函数为
（3.6）
式中，转速环开环增益
转速调节器的参数包括Kn和τn，按照典型II型系统的参数选择方法得
， 所以转速调节器的比例系数
h的选择要以系统对动态性能的要求来决定，一般选择h=5。
4 双闭环直流调速系统仿真举例：
某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：
直流电动机：220V、136A、1460r/min、Cε=0.132V/r/min，允许过载倍数为 λ=1.5
晶闸管装置放大系数：Ks=40，电枢回路总电阻R=0.5Ω,电枢回路电感：L=0.015H
设计要求：稳态指标：无静差;动态指标：电流超调量
，空载起动到额定转速时的转速超调量
输出的转速波形
图 3 双闭环直流调速系统转速输出仿真曲线
5 结论：
通过Simulink对电流、转速双闭环直流调速系统的建模，并得该控制系统的仿真曲线。表明基于工程设计法是可行的，并具有简便性。
参考文献：
1、韩璐 直流电动机双闭环调速系统及其SIMULINK的仿真 航海工程 2/2003
2、舒怀林 直流电动机PID神经网络双闭环控制系统 电机控制 11/2005
3、焦洪伟 可控硅在直流电动机无级调速中的应用 科技资讯•工业技术 1/2006
4、徐月华 汪仁煌 Matlab在直流调速设计中的应用 微计算机信息 8/2003
5、陈伯时 自动控制系统 机械工业出版社 1981.7
6、李先允 自动控制系统 高等教育出版社 2003.2
7、黄坚 自动控制原理及其应用 高等教育出版社 2000.4