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1、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
2、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是实现电流负反馈控制，在电流控制环中设置一个调节器，特别是用于调节电流量的调节器。控制系统中就建立了转速、电流两个调节器。这样的系统被称为直流电动机的电流和转速控制系统（这样的系统也被称为双闭环直流电动机调速系统）。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
3、速度调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出控制整流电路的触发装置。从整个闭环反馈控制回路的结构来看，电流调节环在转速调节环之内，称之为内环；转速调节环在外，称之为外环。这就形成了一个双闭环直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环直流调速系统的两个调节器一般设计为PI调节器。考虑到滤波因素，双闭环直流调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，当转速调节器达到饱和状态，输出电压达到限幅值，对应于最大允许起动电流，此时电流调节器是不饱和的，DC实现在最大电流允许值下恒流
4、加速启动。为了确保在电动机调试过程中的安全，在电流调节器的后面还增加了限幅装置。，。（1） 稳态指标：无静差。（2） 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，我们应该首先从内环回路（电流回路）入手，按照电流环的控制要求，确定电流环选用什么样的典型系统。应该根据调节器的结构和参数对电流环进行校正。然后，把电流环等效为一个小惯性系统，并作为转速环的一部分。用同样的方法完成的外环的设计（速度环）。在本设计中要求控制系统要稳定，电流超调量不超过3%，速度超调量不超过5%。然后，电流相当于一个循环的
5、转动惯量，作为转速环组成中不可分割的一部分，然后用相同的方式完成外环（速度环）的设计。根据上述设计原理，要求设计师们在经典控制的“text”和“up”的设计中有一定的设计经验。这里采用的是对转速、电流两个PI调节器的工程设计以及仿真和参数优化。III 仿真和运行根据图1得到的仿真模型如图2所示。其中，带限幅作用的PI调节器中的积分调节器与比例调节器并联；带限幅作用的PI调节器在实际仿真中应用很广泛。图2 转速闭环控制的直流电机调速系统的Simulink仿真模型如果对两个PI调节器的参数同时进行优化，不能依赖控制系统的参数在仅使用优化软件对一个可变输出的目标函数进行参数优，调整参数的可变输出的控
6、制结果是使该系统更复杂而且很容易使一些模块的输出无限大，但可以使另个模块得到优化；假设把转速环输出的设定为目标函数优化的对象，优化的结果可能是能够更好地加速回路输出，但电流环路输出的可能就不能满足设计要求；反之亦然5。如图2所示，在Simulink仿真模型中对两个PI调节器同一时间的参数进行优化。初始值为：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。相应的速度曲线和电流曲线如图3所示的。显然电流曲线是不符合实际情况和实际需要的。因
7、此，根据传统的多回路控制器的设计方法，我们通常会第一个优化内环PI调节器的参数，然后优化外环PI调节器的参数。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仿真模型中对两个PI调节器同一时间的参数进行图5 电流环阶跃响应曲线（基于目标函数1）优化。初始值为：P = 1, I = 1；目标函数为IAE。电流环的响应很快，所以仿真时间应该取得短一点。这里取0.5s。通过仿真获取参数优化的结果为
8、：P*=3.5531, I*=79.1748。电流回路的阶跃响应曲线如图5所示。从图5可以得出电流超调量达到了25.19%，所以它不能满足设计要求。为了抑制电流超调量，需要修改目标函数，修改后的目标函数为（其中k=0.1）： （2）然后就可以进行参数优化。选择的目标函数为式（2）所示的目标函数，目标函数的其余参数与前面是相同的。重新对I和P参数优化后，我们获得的参数优化结果为：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，
9、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。转速超调量为0.61%，电流超调量为0.54%。显然，他们都可以很好地满足设计要求。当参数优化后的调节器的满足动、静态稳定性要求，稳态转速为
10、1428.6r/min，符合预期转速10/0.007=1428.6 r/min。所以我们实现了调节器的稳态无静差。从上面对仿真曲线特性的分析我们知道，所设计的调节器在双闭环直流电动机调速系统中满足设计要求。图7 转速曲线和电流曲线（参数优化）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，20022 蒋敏. 控制系统的计算机仿真 M. 北京：机械工业出版社，20023 罗晓丽，范桂林.直流电动机调速系统. 上海海事大学电子工程学院，2006 (16)6:16-184 吴素品，刘菲. 基于模糊控制的直流电动机调速系统的仿真. 长沙电力大学学报（自然科学版），2006 (21)4:34-375 曾文火，周万利，朱鹏晨. 直流电机的位置控制的微分反馈控制算法及参数优化方法. 电机与控制， 2006 (10) 6: 562-566.
