张程 张卓
摘 要：文章针对传统PID直流电机调速系统转速超调量过高、调节时间不理想的问题，设计了一种双闭环直流电机调速控制系统。建立了双闭环直流电机调速系统的数学模型，并对控制器参数进行了整定。建立了系统Simulink模型并进行仿真，分析了系统在启动过程中的动态特性。实验结果表明，相较于传统PID直流电机调速控制系统，本双闭环直流调速控制系统可以消除超调量、有效缩短系统调节时间，具有更好的静态和动态性能。
关键词：双闭环；直流调速；Simulink建模；仿真分析
随着电机控制技术的不断发展，工业上对于电机的使用频率及动态性能的要求不断提高，直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一[1]。传统PID直流调速控制系统存在超调量过高、调节时间缓慢等问题，导致系统的动态性能不理想，在一些对于工艺要求精准的情况下无法满足系统动态指标的要求。如何解决控制系统中稳、快、准等各方面性能制约，以达到对于转速、电流控制指标的要求，始终是一个重要的讨论课题[2]。文章针对上述问题，设计了一种双闭环直流调速控制系统，在传统PID直流调速系统的基础上，引入了电流调节器，以改善系统输出转速的动态性能，相对于传统PID调速系统，本系统有效降低了直流电机输出转速的超调量，明显提高了系统的静态和动态指标，具有更好的系统性能。
1 双闭环直流调速系统结构设计
直流电机的速度控制问题是常见且重要的工程研究问题之一，随着工业控制技术的不断发展，工程上对于直流电机调速系统的稳、准、快性能指标有了越来越苛刻的要求[3]。双闭环控制系统是一种常用的复杂控制系统，是改善过程控制系统品质的一种有效方式，并在实际工程中得到了广泛应用[4]。
文章所设计双闭环调速系统结构如图1所示，从闭环结构上看，双闭环控制系统由两个负反馈闭环结构组成，电流调节器在里面（电流环）；转速调节器在外边，（速度环）。为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，电流调节器ACR（Current Regulator）和转速调节器ASR（Speed Regulator），两者之间实行串级连接，其中转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器ACR的输出去控制晶闸管装置。
4 MATLAB/Simulink仿真与结果分析
根据上文所建立的系统数学模型及参数计算结果，建立双闭环直流调速系统的Simulink仿真结构图[7，8]，如图4所示。
基于对系统非线性饱和因素的考虑，依据控制器参数的工程经验法对ASR和ACR的理论计算参数进行合理调整，并由仿真得到双闭环直流调速系统的单位阶跃响应曲线及启动动态特性曲线。通过对比如图5所示的双闭环直流调速系统的单位阶跃响应曲线和传统PID直流调速系统的阶跃响应曲线，可得传统PID系统阶跃响应的超调量较大，动态性能缓慢，而双闭环系统单位阶跃响应超调量极小，动态性能明显改善。图6和图7分别为系统的ASR启动输出特性和ACR输出特性，可得在启动到稳态运行的过程中ASR和ACR动态特性良好，电动机启动特性十分接近理想特性。
5 结束语
文章针对传统PID调速控制系统存在转速超调量过大、动态性能不理想等问题，介绍了双闭环直流调速控制系统的结构设计及参数整定，以ASR为外环，ACR作为内环，设计了双闭环PI控制器及控制器参数，在MATLAB环境下建立了系统的Simulink仿真模型，得到仿真曲线。对比传统PID直流调速控制系统的仿真曲线可得结论：双闭环调速控制系统可以较好的抑制干扰的作用，大大降低了转速的超调量，动态指标理想，提高了直流电机调速控制系统的性能。
参考文献
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作者简介：张程（1986-），女，辽宁省沈阳市人，硕士，助教，研究方向：控制科学与工程。
