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1、毕业设计（论文）开题报告学生姓名： 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 06电气2班 设计（论文）题目： 双闭环直流调速系统的仿真研究 指导教师： 二级学院： 机电工程学院 2010年03月24日1. 选题的背景与意义1.1 选题的背景当前全球经济快速发展，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。随着全球能源消耗的增加，地球的矿物能源已面临枯竭、环境问题也日益突出，在世界各地的大、中城市，大气污染物中约40%70%来自内燃机汽车的尾气排放。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。世界
2、银行一个专家组的调查报告中指出：中国大城市的污染状况目前是全世界最为严重的，全世界空气污染最严重的20个城市中，有10个在中国，而中国华北、华东的大城市调查中，大气污染的70%来自于汽车的尾气排放，电动汽车以其依靠电能驱动车辆，电能在驱动汽车行驶过程中基本不排放有害气体，对环境不会造成污染等特点使得电动汽车的研究越来越受到重视。而电机调速系统是电动汽车的重要部分，是电动汽车的心脏。电动汽车的驱动装置有许多种，直流电机使用简便，具有良好的启动性和调速性，是目前使用最广泛的一种。【1】直流调速系统在工矿企业应用广泛，是电力拖动控制系统的一个重要的研究方向。单闭环系统起动电流不是最大，扰动造成的动态
3、偏差大，所有反馈都在一个调节器上，参数整定困难，不能随心所遇地控制电流和转矩的动态过程。【2】由于现在一般对直流电动机的调速和转矩控制性能要求高，其中最典型的是转速-电流双闭环控制的直流调速系统。对抗电网电压扰动和抗负载扰动都有很好的调节作用。1.2 国内外研究现状1.2.1 直流调速可控直流电源G-M系统：由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。特点：对调速性能要求不高，设备多，体积大，费用高，效率低维护不方便。V-M系统：晶闸管整流装置，逐步取代了旋转变流机组和离子拖动变流装
4、置，使变流技术产生了根本性的变革。如图1.2.1a，图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。特点：晶闸管的单向导电性使电流不允许反向，易损坏器件，较G-M系统大大的提高了系统的动态性能。+_ML晶闸管VT触发器GT+_UcUd图1.2.1a 晶闸管电动机调速系统（V-M系统）原理图PWM脉宽调制:为了节能，并实行无触点控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称脉宽调制变换器。如图1.2.1b所示
5、，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。MUs+_VTVDL+_图1.2.1b 直流斩波-电动机系统的原理图PWM系统的优越性：（1） 主电路线路简单，需要的功率器件少（2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小（3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右（4） 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应块，动态抗扰能力强。（5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。（6） 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。1.2.2 转速、电流设计的控制方式a
6、) PI控制器与模糊控制的结合贾东耀，曾志刚【8】在其文章中采用的方案是当误差小于某一阈值e0时，采用PI控制，以提高系统的控制精度；当误差大于某一阈值e0时，采用模糊控制，以提高系统相应速度，加快相应过程，抑制超调。结构如图1.2.2a示。这种控制方案难点在于如何选择切换条件以满足平稳切换和不产生系统振荡现象。 de/dt模糊控制器PI调节器选择开关被控对象eecr(t)y(t)图1.2.2a PI控制器与模糊控制的结合b) 基本型逻辑控制程彪，孙晓明【10】在论文中采用的方案是基于基本型逻辑控制。当设计内环时选用基本型控制器的五态控制方式，使负载电流稳定，具有快速性和灵活的跟踪性；设计外环
7、时则选用基本型控制器的九态控制方式以使负载速度稳定，加大负载转速的硬特性。结构如图1.2.2b所示。较模糊控制的方案有控制算法简单，易于工程应用和具有良好的控制性能的优点。控制方案的前提在于如何选择稳定的控制对象。鉴别器控制器对象设定值r设定值ceu1图1.2.2b 基本型逻辑器的系统组成c) 计算机数字控制与PI控制器相结合王杏进，覃爱娜【16】论文中在采用PI调节器控制的同时还加入数字化的最优给定引导曲线和数字检测环节，来消除输入给定与反馈输出之间的误差，使输出转速精确跟踪输入给定，实现无静差。此文在基本情况满足的情况下考虑到当电源给定受到干扰的情况，根据输入与输出有无偏差来选择处理的形式
8、：当不存在偏差时，选择前馈方案直接将输入送至系统电压给定端；当存在偏差时，系统选择采用PI调节减小偏差后再加至系统的输入端，来消除干扰，获得好的静态精度，结合数字检测环节提高系统响应精度。优点是可以及时消除双闭环系统前项通道之外的扰动，提高系统稳定精度，相应曲线也很理想，在对转速有特殊要求控制系统中，可精确实现控制具有实用的价值。不足在于实际操作设计比较麻烦。d) 现代控制理论与数字控制相结合Bo Liu, Yuanqing Xia, Jie Chen【17】在论文提出一种新型方法，利用现代控制理论和数字控制潮流的结合，替代传统PID能够更高地控制精度，尤其是在很多的干扰下,这便是自抗扰控制器
9、（ADRC）。它在电力系统控制，机床伺服控制，化工过程控制等有所应用。此文中，考虑到双闭环具有时滞性，带有两个过滤器的ADRC估算它们之间的相互作用并对它们进行补偿，最后通过仿真得出较好的控制性能。此种方法的优点在于对系统时变和不确定性干扰具有良好适应能力，但参数不易整定和应用的并不广泛。e) 工程设计方法基于传统的工程设计参数来处理双闭环直流调速系统，在姬宣德，韩英，李广宏【13】及姚建红【12】的论文中都进行了一定的简化处理，近似处理，降阶处理，按照先内环后外环的一般原则，先设计电流环，然后将电流环当成是转速环的一部分，设计转速环。电流环设计成典型 I型系统，转速环设计成典型 II型系统，
10、然后按照设计要求分别得出ACR，ASR调节器的参数。利用matlab/simulink仿真工具对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观地观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态分析。此文仿真结果与理想电动机启动特性有一定差距，通过大量的调试仿真，最后得出最佳波形。王祖亮,侯北平【5】的论文中采取的方法与姬宣德所提出的方法大致是相同的。基于快、准、稳的系统设计原则，电流调节器和转速调节器实现串级控制，从而可以无限逼近理想起动过程。采用工程设计方法，建立数学模型，利用Simulink进行系统仿真。通过对双闭环调速系统的研究，验证了饱和非线性控制和准时间最优控制两个鲜明的特点。马青【4】的论文中基
11、于Powersystem工具箱，以调速系统的传递函数为基础，采用工程设计方法对电流环，转速环进行设计，然后通过仿真得出结果验证设计符合要求。Powersystem工具箱仿真不需要忽略非线性因素，直流电源和电位器的内阻，也不需要关心系统是否处在V-M系统开环机械特性的连续段。对电机调速具有良好的控制作用。Xiao-kan Wang【18】在论文提出的设计方法是采用仿真最优的方法按照电流控制的要求决定调节器属于哪种典型系统先内环后外环的准则进行。通过参数的要求设计计算，设定PI的初始值，使用Matlab仿真图形，然后按照Simulink模型PI调节优化条件去进一步优化调节器的参数，直到曲线与实际要
12、求情况和需要很接近。此种方法可以最终达到设计的要求，不需要任何经验，仅通过多次调试仿真得到最优曲线参数。不足之处也便就是过程虽简单，但需反复调试，过程麻烦，浪费时间。1.3 研究方向就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合都得到了广泛的应用。【3】研究直流电机的可控电源部分，对调速精度、调速范围、静态特性、动态响应及能源节约等方面都有重要的意义。电机调速问题是自动化领域比较重要的问题之一，不同领域对调速性能的要求不同，因此对调速系统方面进一步研究。1.4 进展情况双闭环直流调速系统具有良好的启制动性能，宜于在大范围
13、内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。现在电气公司越来越多，分出来也越来越多，原因是直流调速系统经济效益大，一些大型的公司如西门子、三菱等，设计电路，外购电子，采用大量的双闭环设计电动汽车，适应当代的要求。1.5 存在问题（1）采用SIMULINK/MATLAB仿真对双闭环系统必须进行数学建模，并且双闭环直流调速系统需做如下的假设：忽略各种非线性因素，假定各环节的输入输出关系都是线性的
14、；假定只在V-M系统开环机械特性的连续段；忽略直流电源和电位器的内阻等等。【4】（2）电力电子器件本身的开关存在非线性，给实验的分析带来一定的复杂性和困难。（3）可控直流电源为晶闸管-电动机存在晶闸管单向导电性和对过电压、过电流敏感等问题。2. 研究内容与拟解决的主要问题2.1 研究的主要内容本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理和电力拖动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用MATLAB对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真实现双闭环直流调速。2.2 拟解决的关键问题（1）如何选
15、择直流调速系统电流环和转速环的控制方法（2）如何选择直流调速系统的可控直流电源（3）如何解决系统的非线性，大滞后、强耦合的要求（4）如何使仿真结果与理论更接近3. 技术路线、研究方案与可行性分析3.1 系统框图及电流、转速环设计框图图3.1a 双闭环直流调速系统的动态结构框图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTms待添加的隐藏文字内容2U*iId1/Ce+E电流、转速双闭环系统设计电流环设计电流环结构图的简化电流调节器结构、参数的选择及其实现校验近似条件电流环的等效闭环传递函数校验近似条件校验近似条件转速调节器结
16、构、参数的选择及其实现转速环设计图3.1.1b 电流环、转速环设计框图3.2 研究方案本文首先采用晶闸管可控整流器供电的V-M系统，通过调节控制电压Uc，从而移动触发装置GT输出脉冲的相位，改整流器输出的电压Ud进而调节电动机转速。然后基于传统的工程设计参数来处理双闭环直流调速系统，按照先内环后外环的一般原则，先设计电流环，然后将电流环当成是转速环的一部分，设计转速环。电流环设计成典型 I 型系统，转速环设计成典型 II型系统，然后按照设计要求分别得出ACR，ASR调节器的参数。最后利用matlab/simulink仿真工具对直流调速系统进行参数调试，观察电动机电流和转速响应情况进行静态和动态
17、分析。4. 实施计划实施进度安排：2010年3月4日2010年3月15日，完成相关文献资料的阅读；2010年3月16日2010年3月19日，完成文献综述撰写；2010年3月20日2010年3月25日，完成英文文献资料翻译和开题报告撰写；2010年3月26日2010年4月12日，分析双闭环直流调速系统2010年4月13日2010年5月3日，完成双闭环直流调速系统的设计2010年5月4日2010年5月24日，进行MATLAB仿真，得出仿真结果2010年5月25日2010年5月31日，毕业论文撰写。参考文献1 刘庆华，张为公，李忠国等编.电动汽车直流电机调速的模糊控制仿真研究J.成组技术与生产现代化
18、,2006,23(3):35-37.2 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统-运动控制系统M. 北京.机械工业出版社,2006.76-83.3 王立红，杨汇军等编.基于MATLAB直流调速系统设计与仿真J.辽宁工学院学报.2004,2,24(1):9-10.4 马青主编.基于Powersystem模块的直流调速系统仿真研究J.计算技术与自动化. 2009(2).5 王祖亮，侯北平等编.基于SIMULINK的双闭环调速系统仿真研究J.浙江科技学院.2009,3,21(1):7-9.6 韩璐主编.直流电动机双闭环调速系统及其SIMULINK的仿真J.船海工程. 2003（2）:30-33.7 孙江，齐
19、向东等编.基于PLC模糊控制调速系统的研究J.华电技术.2009，8，31(8）:22-25.8 贾东耀,曾志刚等编.基于模糊控制的直流电机调速系统MATLAB仿真. J电机电器技术.2002(5):2-5.9 李彦红，孔德峰等编.基于模糊控制的直流电动机调速系统仿真研究J.山东电力高等专科学校学报. 2008(1):69-71.10 程彪，孙晓明等编.基于基本型逻辑控制的调速系统仿真研究J.武汉理工大学学报信息与管理工程版.2003,8, 25(4):30-33.11 李发海，王岩等编.电机与拖动基础（第3版）M.清华大学出版社.2005,5.48-49.12 姚建红、戴琳、厉立国等编.基于
20、Matlab/Simulink的双闭环直流调速系统的设计J.佳木斯大学学报(自然科学报).2006,10，24(4):521-523.13 姬宣德，韩英，李广宏等编. 基于matlab的直流双闭环调速系统设计与仿真J.矿工机械.2005,33(9):87-89.14 王海英、袁丽英、吴勃等编著.控制系统的MATLAB仿真与设计M.高等教育出版社.2009,2:122-135.15 孙新柱，陈跃东等编.MATLAB仿真软件在直流调速系统教学中的应用J.淮北煤炭师范学院学报（自然科学版）.2009,6,30(2):86-88.16 王杏进，覃爱娜等编.基于MATLAB的数字化直流调速装置的仿真研究
21、J.韶关学院学报（自然科学版）.2003,9,24(9):46-52.17 Bo Liu, Yuanqing Xia, Jie Chen, Department of Automatic Control, computer society.IEEE.2008.18 Xiao-kan Wang, Zhong-liang Sun,Lei Wang and Shou-ping Huang.Simulation and Optimization of Parameters on DC Motor Double Closed-Loop System Based on Simulink.2009 International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybemetics.2009:153-155.19 Horwimanporn Suppachai, Chaiyaporn Silawatchananai, Manukid Parnichkun and Chairit Wuthishuwong. International Cinference on Robotica and Biomimetica.2009.12:989-994.
