转速调节器AS采用不同调节器时直流调速系统的性能仿真分析案例 摘要：传统教材仅对有静差调速系统、无静差调速系统和带电流截止负反馈的转速闭环调速系统给出 了原理介绍，对于学习者来说很难深入理解与掌握。本文在分析闭环调速系统的结构与工作原理的基础上， 利用Simulink建立了系统的仿真模型，给出了详细的参数设置，利用仿真结果综合分析、比较了闭环调速 系统在不同的转速给定值、不同的放大系数和有、无电流截止负反馈情况下起动与加载的动态调节过程， 并对其调速性能讲行了分析与出较，仿直结果验证了调速系统仿直模型的可行性。将这种虚拟实验教学搬 进课堂，提高了教学效果与教学质量。 关键词：直流电机：转速控制：闭环控制：仿真模型：Simulink DC Speed Control System Virtual Experiment Teaching Based on MATLAB/Simulink Abstract:The principle of speed control system with steady error,non-static error speed control system. current cutoff negative feedback speed control system are introduced merely in traditional materials.It is difficult for the new learner to understand and grasp them thoroughly.Based on the analysis of these speed control system's structure and basic working principle,the MATLAB/Simulink simulation model of the speed closed-loop control system is established.The on parame control system is simulated respectively.The dynamic adjustment process is analyzed and compared comprehensively with the simulation results.The practicality of the simulation model is verified by the simulation waveforms.The teaching effectiveness and teaching quality has been improved by this kind of virtual experiment n class Key words:DCmotor,speed control:closed-loop control simulation model:Simulink 0案例研究思维导图 1案例说明 2转速闭环控制的直流调速系统 3ASR采用P调节器时系统的调速性 3.]转速给定值对系统调速性能的影响 能比较 32放大倍数对系统调速性能的影响 PI调节器的仿直模型 (a)不同调节器时的转速响应 统的性能仿真分析案例 4ASR采用P1调节器时的性能比较 (b)不同调节器时的电枢电流响应 (a)有无截流反馈时的电流响应仿真波形比较 5电流截止负反馈对调速系统的影 (b)有无截流反馈时的转速响应仿真波形比较 6结论 参考文献
转速调节器 ASR 采用不同调节器时直流调速系统的性能仿真分析案例 摘要：传统教材仅对有静差调速系统、无静差调速系统和带电流截止负反馈的转速闭环调速系统给出 了原理介绍，对于学习者来说很难深入理解与掌握。本文在分析闭环调速系统的结构与工作原理的基础上， 利用 Simulink 建立了系统的仿真模型，给出了详细的参数设置，利用仿真结果综合分析、比较了闭环调速 系统在不同的转速给定值、不同的放大系数和有、无电流截止负反馈情况下起动与加载的动态调节过程， 并对其调速性能进行了分析与比较，仿真结果验证了调速系统仿真模型的可行性。将这种虚拟实验教学搬 进课堂，提高了教学效果与教学质量。 关键词：直流电机；转速控制；闭环控制；仿真模型；Simulink DC Speed Control System Virtual Experiment Teaching Based on MATLAB/Simulink Abstract: The principle of speed control system with steady error, non-static error speed control system, current cut-off negative feedback speed control system are introduced merely in traditional materials. It is difficult for the new learner to understand and grasp them thoroughly. Based on the analysis of these speed control system’s structure and basic working principle, the MATLAB/Simulink simulation model of the speed closed-loop control system is established. The simulation parameters are given in detail. On the condition of different speed setpoint, different amplification factor, different regulator, with or no current cut-off negative feedback, DC speed control system is simulated respectively. The dynamic adjustment process is analyzed and compared comprehensively with the simulation results. The practicality of the simulation model is verified by the simulation waveforms. The teaching effectiveness and teaching quality has been improved by this kind of virtual experiment in class. Key words: DC motor; speed control; closed-loop control; simulation model ; Simulink 0 案例研究思维导图 转速调节器ASR采用不 同调节器时直流调速系 统的性能仿真分析案例 1 案例说明 2 转速闭环控制的直流调速系统 4 ASR采用PI调节器时的性能比较 3 ASR采用P调节器时系统的调速性 能比较 6 结论 参考文献 3.1转速给定值对系统调速性能的影响 3.2 放大倍数对系统调速性能的影响 PI调节器的仿真模型 （a）不同调节器时的转速响应 （b）不同调节器时的电枢电流响应 5 电流截止负反馈对调速系统的影响 （a）有无截流反馈时的电流响应仿真波形比较 （b）有无截流反馈时的转速响应仿真波形比较
生产工艺要求比较高的场合保持稳定的转速。为了 1案例说明 抑制负载变化对转速的影响，依据自动控制理论可 以采用转谏负反馈构成的闭环直流调谏系统，依常 ,具有良好的起制动性能，调速范围宽， 对转谏偏差的调节实现对申力申子变换装置的控 其转速和电流的闭环控制方法是交流调速系统的 制，从而可以保持电机转速的平稳山。转速闭环控 重要基础。直流电机的控制是集电力电子技术、电 制的直流调速系统原理图川如图1所示。 机、挖制理论和微外理翠控生制等干一体的复杂系 电压 统门，电力电子拓扑结构和电机种类较多， 控制要 触发 求各异，为研究者学习、研究、设计和应用都增加 了难度。目前国内大部分高校都采用某些教仪设餐 公司的“电力电子与电机控制试验台”进行交、直 流调速系统、电力申子技术等课程的实验。这些装 置分立元件较多，虽有助于学生理解工作原理，但 是调试起来比较费时费 ,而且元器件间存在 二扰 时间较长的装置还存在接触不良等因素，难以得到 理想的实验结果或波形。有些实：哈还只能常实验老 图1转速闭环控制的直流调速系统原理框图 师的演示才能进行，在这种情况下，实验教学有可 整个闭环控制系统由转速给定单元U,转速调 能成为简单的验证性实验，很难发挥学生的创新能 (ASR LM输 限幅 晶管触发装置， 力和自主实验能力 电力电子变换装置（品闸管整流器），直流电机M 对于课程设计、毕业设计等实践教学环节和研 及励磁装置，测速发电机等几个模块构成。 究人员来说。设计完成一个直流调速系统之后，需 和开环调谏系统相出，转速闭环调速系统主要 要进行实体装置的实验验证，通过参数的调节来验 增设了转速检测与反馈、偏差调节(ASR)等控制 证系统的性能，对大功率系统的实验验证， 工期 环节，单闭环直流调速系统的工作原理 较长，投资比较大。MAT AB/Simulink为系统设 可以描 提供了良好的仿真环境 述为：测速发电机将实时检测的电机转速转化为反 用Simulink构建的系 馈由压信号，移信号与给定申压信号讲行求 统仿真模型与实体装置能够达到非常接近的程度 差，得出转速偏差信号4,即4U,=U-U 在仿真模型上设计和调试非常方便、快捷，省时省 ASR 力，可以大大缩短研制周期。 依据△U.的大小产生消除或者减小偏差△U,的控制 信号U,U,经晶闸管触发与整流装置实时调节电 本文旨在拓现行数材的不足将担实哈 进课堂。 机两端的申报电压刀，从而可以实现对申机转速的 本文选取有静差 速系统 无静差调速系 统和带电流截止负反馈的闭环调速系统为研究 控制。 ASR在整个调节过程中起着举足轻重的作用 利用他可以减小甚至消除偏差。ASR常用的调节器 象，针对课程教学中的重点、难点，在不同的转速 包括比例(P)调节器和比例积分(PI)调节器。 由压给定情、不同的放大系数下，控制器分别平用 采用P调节器的转速闭环控制系统是无静差调速 印、调节器与由流截止负反馈，搭建系统的 Simulink仿真模型。 综合比较 研究他们对调速系 系统，采用P调节器的系统是有静差调速系统 统的性能影响。让学者透彻理解有静差调速系统 3ASR采用P调节器时系统的调速性能比较 无静差调速系统、带电流截止负反馈的转速闭环调 速系统在不同控制器、不同控制参数时的起动、加 利用MATLAB/Simulink构建的有静差调速系 载等动态调节过程，使学者将理论和实践紧密结合 统的仿真模型如图2所示，ASR采用P控制器，转 起来。 速给定环节用山*表示，带输出限幅的比例调节器 由比例放大器Gain1和饱和限制模块Saturation组 2转速闭环控制的直流调速系统 成，其输出uct经函数运算后连接移相控制环节Fcm 负载变化时开环调速系统的转速降落比较大 转速的反馈信号直接取自电机输出测量端的转 直流电机的稳态范围和静差率都比较差网，很难在 速信号，转速反馈系数由一个增益放大环节设定， 由干由机的领定转速为1460rmin,最大转速给定估
1 案例说明 直流调速系统是应用于直流电机的转速控制 系统 [1-6]，具有良好的起制动性能，调速范围宽， 其转速和电流的闭环控制方法是交流调速系统的 重要基础。直流电机的控制是集电力电子技术、电 机、控制理论和微处理器控制等于一体的复杂系 统 [7]，电力电子拓扑结构和电机种类较多，控制要 求各异，为研究者学习、研究、设计和应用都增加 了难度。目前国内大部分高校都采用某些教仪设备 公司的“电力电子与电机控制试验台”进行交、直 流调速系统、电力电子技术等课程的实验。这些装 置分立元件较多，虽有助于学生理解工作原理，但 是调试起来比较费时费力，而且元器件间存在干扰， 时间较长的装置还存在接触不良等因素，难以得到 理想的实验结果或波形。有些实验还只能靠实验老 师的演示才能进行，在这种情况下，实验教学有可 能成为简单的验证性实验，很难发挥学生的创新能 力和自主实验能力 [7]。 对于课程设计、毕业设计等实践教学环节和研 究人员来说，设计完成一个直流调速系统之后，需 要进行实体装置的实验验证，通过参数的调节来验 证系统的性能，对大功率系统的实验验证，工期比 较长，投资比较大。MATLAB/Simulink 为系统设计 提供了良好的仿真环境 [8-15]，用 Simulink 构建的系 统仿真模型与实体装置能够达到非常接近的程度， 在仿真模型上设计和调试非常方便、快捷，省时省 力，可以大大缩短研制周期。 本文旨在拓展现行教材的不足，将虚拟实验搬 进课堂。本文选取有静差调速系统、无静差调速系 统和带电流截止负反馈的闭环调速系统为研究对 象，针对课程教学中的重点、难点，在不同的转速 电压给定值、不同的放大系数下，控制器分别采用 P、PI 调节器与电流截止负反馈，搭建系统的 Simulink 仿真模型，综合比较、研究他们对调速系 统的性能影响。让学者透彻理解有静差调速系统、 无静差调速系统、带电流截止负反馈的转速闭环调 速系统在不同控制器、不同控制参数时的起动、加 载等动态调节过程，使学者将理论和实践紧密结合 起来。 2 转速闭环控制的直流调速系统 负载变化时开环调速系统的转速降落比较大， 直流电机的稳态范围和静差率都比较差 [9]，很难在 生产工艺要求比较高的场合保持稳定的转速。为了 抑制负载变化对转速的影响，依据自动控制理论可 以采用转速负反馈构成的闭环直流调速系统，依靠 对转速偏差的调节实现对电力电子变换装置的控 制，从而可以保持电机转速的平稳 [11] 。转速闭环控 制的直流调速系统原理图 [1]如图 1 所示。 - 触发器 M + - TG + - L Id n Ud 晶闸管 整流器 电压源 ASR LM * Uc Un Un + - ∆Un 转速检 测与反馈 图 1 转速闭环控制的直流调速系统原理框图 整个闭环控制系统由转速给定单元 * Un ，转速调 节器（ASR），LM 输出限幅，晶闸管触发装置， 电力电子变换装置（晶闸管整流器），直流电机 M 及励磁装置，测速发电机等几个模块构成。 和开环调速系统相比，转速闭环调速系统主要 增设了转速检测与反馈、偏差调节（ASR）等控制 环节，单闭环直流调速系统的工作原理 [1-5]可以描 述为：测速发电机将实时检测的电机转速转化为反 馈电压信号Un ，该信号与给定电压信号 * Un 进行求 差，得出转速偏差信号∆Un ，即 * ∆=− U UU n nn ，ASR 依据∆Un 的大小产生消除或者减小偏差∆Un 的控制 信号Uc ，Uc 经晶闸管触发与整流装置实时调节电 机两端的电枢电压Ud ，从而可以实现对电机转速的 控制。ASR 在整个调节过程中起着举足轻重的作用， 利用他可以减小甚至消除偏差。ASR 常用的调节器 包括比例（P）调节器和比例积分（PI）调节器。 采用 PI 调节器的转速闭环控制系统是无静差调速 系统，采用 P 调节器的系统是有静差调速系统。 3 ASR 采用 P 调节器时系统的调速性能比较 利用 MATLAB/Simulink 构建的有静差调速系 统的仿真模型如图 2 所示，ASR 采用 P 控制器，转 速给定环节用 un*表示，带输出限幅的比例调节器 由比例放大器 Gain1 和饱和限制模块 Saturation 组 成，其输出 uct 经函数运算后连接移相控制环节 Fcn， 转速的反馈信号 un 直接取自电机输出测量端的转 速信号，转速反馈系数由一个增益放大环节设定， 由于电机的额定转速为 1460r/min，最大转速给定值
为10，所以转速反馈系数设为a=101460=0.00685。值的取值范围为0-10，比例放大器的放大系数Kp 其余环节、模块的主要参数如表1所示，转速给定 可根据控制要求来设定。 99 图2采用比例控制的转速闭环有静差进速系统仿真模型 表】板型的主要仿真参数表 个转速降落要明显的低于开环调速系统的平均转 描h夕 速降落400rmin。由此也说明：采用转速闭环控制 三相电 的直流调速系统能够减小负载变化引起的转速降 三相变压器 V,R (PU).L1=0 L2=0 V1=380VR1-0.02pu.LI=0 Ut-to 40 同步变压器 V2=150t31R2002DulL20 平波电抗器 .d=20mH Ra=0.210,La=0.00021H,Rf=147.6 直流电机 Lf-0.Laf-0.84H.J-0.57kg-m 雨教描块Fc 90-6*u1 Uw 饱和限幅值 +10 3.1转速给定值对系统调速性能的影响 模型仿真算法取ode23s,仿直时间设为1.5s (a)转速响应仿真波形对比图 电动机空载启动，0.5s时突加额定负载171.4Nm 取比例放大系数K=20,在转谏给定n*分别取佳 为10（对应于转速1460rmin) 、7(对应于转速 La-10 1022rmin)、3(对应于转速438 r/min) 、0.5( 应于转速73min)的情况下进行仿真，图3给出 M 相应的仿真结果。图3(a)是对应于不同转速给定 值时的转速响应仿直被形比较图，由图可知」 转速给定值不同，相应的转速稳态值也不同， 给定 A 值越小，转速稳态值也越小。加载前电机的空载幸 速与转速给定值基本相符，0.55加载之后转速路有 下降，由于采用了转速闭环控制，此时的转速降落 (b)电枢电压响应仿真波形对比图 平均在70rmin左右，与理论计算值基本相当，这
为 10，所以转速反馈系数设为α = = 10 1460 0.00685。 其余环节、模块的主要参数如表 1 所示，转速给定 值的取值范围为 0~10，比例放大器的放大系数 Kp 可根据控制要求来设定。 图 2 采用比例控制的转速闭环有静差调速系统仿真模型 表 1 模型的主要仿真参数表 3.1 转速给定值对系统调速性能的影响 模型仿真算法取 ode23s，仿真时间设为 1.5s， 电动机空载启动，0.5s 时突加额定负载 171.4 N m⋅ 。 取比例放大系数 Kp=20，在转速给定 un*分别取值 为 10（对应于转速 1460r/min）、7（对应于转速 1022r/min）、3（对应于转速 438r/min）、0.5（对 应于转速 73r/min）的情况下进行仿真，图 3 给出了 相应的仿真结果。图 3（a）是对应于不同转速给定 值 un*时的转速响应仿真波形比较图，由图可知， 转速给定值不同，相应的转速稳态值也不同，给定 值越小，转速稳态值也越小。加载前电机的空载转 速与转速给定值基本相符，0.5s 加载之后转速略有 下降，由于采用了转速闭环控制，此时的转速降落 平均在 70r/min 左右，与理论计算值基本相当，这 个转速降落要明显的低于开环调速系统的平均转 速降落 400r/min。由此也说明：采用转速闭环控制 的直流调速系统能够减小负载变化引起的转速降 （a）转速响应仿真波形对比图 （b）电枢电压响应仿真波形对比图 模块名 主要参数 三相电源 Vs=380V，f=50Hz 三相变压器 V1=380V, R1=0.02(pu), L1=0, V2=126*sqrt(3), R2=0.02(pu), L2=0 同步变压器 V1=380V, R1=0.02(pu), L1=0, V2=15*sqrt(3), R2=0.02(pu), L2=0 平波电抗器 Ld=20mH 直流电机 Ra=0.21 Ω , La=0.00021H, Rf=147.6 Ω , Lf=0, Laf=0.84H, J=0.57 2 kg m⋅ 函数模块 Fcn 90-6*u[1] 饱和限幅值 ±10
额定值，电机的转速降落非常明显，从这一点上来 说，放大系数取值大一些对于提高转速闭环调速系 统的性能是非常有利的。虽然过大的Kp有可能 起系统的不稳定，但是由于仿真模型中设置了调 器的输出限幅环节，晶闸管整流器的输出电压受控 制角限制，在±U之间，使得转速闭环控制调速系 统的稳定性对于放大系数的变化不十分敏感。 Kp-100 (©)电枢电流响应仿真波形对比图 图3有静差调速系统不同转速给定值时仿直波形 落，系统的稳速性能得到了有效的提高。从图中的 仿真波形还可以看出，采用P调节器虽然能够实现 稳速，但是稳态时转速存在静差，所以这种采用P 调节罢的转速闭环控制省流调速系统屈干有输差 调速系统， 调速系统的调速范围相对比较宽 D=1460/73=20: 图3(b)和图3(c)分别是不同转速给定un 时转速闭环控制调速系统的电枢电压和电流仿真 (a)不同K即值对转速的影 波形比较图，由图3(b)的电压仿真波形可知，随 若转速给定值的降低，晶闸管整流器的输出电压也 将降低，因而电机转速下降 实现了调压调速的 制要求。由图3（©）的电流仿真波形可知，调速系 统的起动电流随转速给定电压的减小而减小，但是 调速系统的稳态电流却是取决于负载的大小，如果 电机负载不变，尽管输入的转速给定电压发生变化 或者转速发生了变化 但是电流的稳态值却不会发 生改变，始终 于负载电流 从图3(b)和(c 还可看出，转速给定电压减小，转速下降，加载时 的调节过程也有加剧振荡和延长调节时间的趋势 (b)不同Kp值对电枢电压的影响 32放大倍数对系统调速性能的影响 在转速闭环控制的直流调速系统仿真模型中 改变K即的大小，就可以观察比例放大系数对系统 调速性能 设定转速给定电压值保持不变 un*=10,当放大系数Kp分别取值为100、20、5 0.5时，调速系统的转速、电枢电压、控制电压Uc 仿真波形比较图如图4所示。由于调节器设置了限 幅作用，所以，当K>20时放大系数的增加己经对 系统的电压和电流起不到很大的影响作用。 Kp<20时放大系数的变化对系统影响比较明显，较 大的放大系数能减小转速降落△n,能够在一定程度 (c)不阿Kp值对控制电压e的影 图4不同Kp值对调速系统性能的影明 上改善调速系统的稳态性能。但是放大系数Kp过 小时，品闸管整流器输出的电枢电压低于220V的
（c）电枢电流响应仿真波形对比图 图 3 有静差调速系统不同转速给定值时仿真波形 落，系统的稳速性能得到了有效的提高。从图中的 仿真波形还可以看出，采用 P 调节器虽然能够实现 稳速，但是稳态时转速存在静差，所以这种采用 P 调节器的转速闭环控制直流调速系统属于有静差 调速系统，调速系统的调速范围相对比较宽， D=1460/73=20。 图 3（b）和图 3（c）分别是不同转速给定 un* 时转速闭环控制调速系统的电枢电压和电流仿真 波形比较图，由图 3（b）的电压仿真波形可知，随 着转速给定值的降低，晶闸管整流器的输出电压也 将降低，因而电机转速下降，实现了调压调速的控 制要求。由图 3（c）的电流仿真波形可知，调速系 统的起动电流随转速给定电压的减小而减小，但是 调速系统的稳态电流却是取决于负载的大小，如果 电机负载不变，尽管输入的转速给定电压发生变化， 或者转速发生了变化，但是电流的稳态值却不会发 生改变，始终等于负载电流。从图 3（b）和（c） 还可看出，转速给定电压减小，转速下降，加载时 的调节过程也有加剧振荡和延长调节时间的趋势。 3.2 放大倍数对系统调速性能的影响 在转速闭环控制的直流调速系统仿真模型中 改变 Kp 的大小，就可以观察比例放大系数对系统 调速性能的影响。设定转速给定电压值保持不变， un*=10，当放大系数 Kp 分别取值为 100、20、5、 0.5 时，调速系统的转速、电枢电压、控制电压 Uct 仿真波形比较图如图 4 所示。由于调节器设置了限 幅作用，所以，当 Kp>20 时放大系数的增加已经对 系统的电压和电流起不到很大的影响作用。当 Kp<20 时放大系数的变化对系统影响比较明显，较 大的放大系数能减小转速降落∆n ，能够在一定程度 上改善调速系统的稳态性能。但是放大系数 Kp 过 小时，晶闸管整流器输出的电枢电压低于 220V 的 额定值，电机的转速降落非常明显，从这一点上来 说，放大系数取值大一些对于提高转速闭环调速系 统的性能是非常有利的。虽然过大的 Kp 有可能引 起系统的不稳定，但是由于仿真模型中设置了调节 器的输出限幅环节，晶闸管整流器的输出电压受控 制角限制，在 ±Udm 之间，使得转速闭环控制调速系 统的稳定性对于放大系数的变化不十分敏感。 （a）不同 Kp 值对转速的影响 （b）不同 Kp 值对电枢电压的影响 （c）不同 Kp 值对控制电压 Uc 的影响 图 4 不同 Kp 值对调速系统性能的影响
4ASR采用PI调节器时的性能比较 00 在图2所示的仿直模型中，当有静差调速系纪 的P调节器采用P1调节器时，仿真模型如图5所 示。此时调速系统或变成了一个转谏无静若调速系 统了所设计的P叫调节器如图4所示 ,积分调节器 的限幅值设为±15，P调节器的限幅值设为±10 取KD=30,k=7.81,电机工作于额定状态下的仿真 波形如图6所示。 12141 （b)不同调节器时的电枢电流响应 图6分别采用PI和P调节器时的转速、电流响应 图5PI调节器的仿真模型 5电流截止负反馈对调速系统的影响 图6(a)是分别采用PI和P调节器时转速闭 电机在起动时一般都具有很大的冲击电流， 环控制调速系统的转 速响应仿真波形比较图 速闭环控制虽然能有效的减小电机带载时的转 中可以看出，0.5s系统加载之后，采用P调节器的 降落，却不能有效抑制这种冲击电流，如果想要限 调速系统要比采用P调节器的系统具有更高的稳态 制起动时的冲击申流，可以在闭环调速系统的基础 转速，稳态转速基本能够达到给定转速的初始设定 上增设电流截止负反馈，可以简称为截流反馈。此 值1460 r/min(仿真实测结果为1459rmin) 时系统的仿真模型如图7所示 它实际上就是在图 实现稳态时的无静差调节，采用P调节器的调速系 2的 基础 从d引出电 馈 通过 反馈 统明显存在转速差，这种有静差系统实际上就员 益后进入死区dead zone模块，然后与给定电压 靠调整这个转速偏差的大小来应对负载的突增或 差，形成电流截止负反馈支路。电枢电流的反馈信 者突减。 号在dead zone模块死区设定的范围之内时，该模 图6()是在两种情形下的申申流仿点波形 块输出为0，电流截止负反馈这个时候是不起任何 比较图，由图可知 两种调速系统在起动过程斗 作用的 系统实 际上就是 个转速闭环控制的调 电枢电流基本相同，0.5s加载之后的调节过程略有 当电枢电流的反馈信号在dead zone模块列 差异。由于突增的负载大小相等，所以两种系统在 区设定的范围以外时，dead zone模块就有输出了， 突加负载之后，经过控制系统的调节，最终的稳态 这个输出值抵消了部分u*,使得电枢电流减小。 电流是一致的，大小都等于负载电流。由此可以得 与实际系统相比，dead zone模块的死区范围相当于 出：无静差调速系统的性能要明显优于有静差调速 稳压管的稳压值，死区范围可以依据电流限制的 系统。 求进行选取。电流反馈方 大系数取电流互感器的 换系数，在仿真模型中取为0.74，他是最大转速给 定值与额定电流的比值，即B=10/136=0.74,dead 2one模块的死区范围可以设置为0-10.4。 图7带电流截止负反馈的转速环仿真模型 (a)不同调节器时的转速响
4 ASR 采用 PI 调节器时的性能比较 在图 2 所示的仿真模型中，当有静差调速系统 的 P 调节器采用 PI 调节器时，仿真模型如图 5 所 示，此时调速系统就变成了一个转速无静差调速系 统了。所设计的 PI 调节器如图 4 所示，积分调节器 的限幅值设为 ±15，PI 调节器的限幅值设为 ±10， 取 Kp=30，ki=7.81，电机工作于额定状态下的仿真 波形如图 6 所示。 图 5 PI 调节器的仿真模型 图 6（a）是分别采用 PI 和 P 调节器时转速闭 环控制调速系统的转速响应仿真波形比较图，从图 中可以看出，0.5s 系统加载之后，采用 PI 调节器的 调速系统要比采用 P 调节器的系统具有更高的稳态 转速，稳态转速基本能够达到给定转速的初始设定 值 1460r/min（仿真实测结果为 1459 r/min），可以 实现稳态时的无静差调节，采用 P 调节器的调速系 统明显存在转速偏差，这种有静差系统实际上就是 靠调整这个转速偏差的大小来应对负载的突增或 者突减。 图 6（b）是在两种情形下的电枢电流仿真波形 比较图，由图可知，两种调速系统在起动过程中， 电枢电流基本相同，0.5s 加载之后的调节过程略有 差异。由于突增的负载大小相等，所以两种系统在 突加负载之后，经过控制系统的调节，最终的稳态 电流是一致的，大小都等于负载电流。由此可以得 出：无静差调速系统的性能要明显优于有静差调速 系统。 （a）不同调节器时的转速响应 （b）不同调节器时的电枢电流响应 图 6 分别采用 PI 和 P 调节器时的转速、电流响应 5 电流截止负反馈对调速系统的影响 电机在起动时一般都具有很大的冲击电流，转 速闭环控制虽然能有效的减小电机带载时的转速 降落，却不能有效抑制这种冲击电流，如果想要限 制起动时的冲击电流，可以在闭环调速系统的基础 上增设电流截止负反馈，可以简称为截流反馈。此 时系统的仿真模型如图 7 所示，它实际上就是在图 2 的基础上，从 id 引出电流反馈，通过一个反馈增 益后进入死区 dead zone 模块，然后与给定电压求 差，形成电流截止负反馈支路。电枢电流的反馈信 号在 dead zone 模块死区设定的范围之内时，该模 块输出为 0，电流截止负反馈这个时候是不起任何 作用的，系统实际上就是一个转速闭环控制的调速 系统。当电枢电流的反馈信号在 dead zone 模块死 区设定的范围以外时，dead zone 模块就有输出了， 这个输出值抵消了部分 un*，使得电枢电流减小。 与实际系统相比，dead zone 模块的死区范围相当于 稳压管的稳压值，死区范围可以依据电流限制的要 求进行选取。电流反馈放大系数取电流互感器的转 换系数，在仿真模型中取为 0.74，他是最大转速给 定值与额定电流的比值，即 β = = 10 136 0.74 ，dead zone 模块的死区范围可以设置为 0~10.4。 图 7 带电流截止负反馈的转速环仿真模型
如图8给出了带电流截止负反馈的转速闭环调 (1)转速闭环控制减小了负载引起的转速变 速系统的电枢电流、转速仿真波形，同时，也在同 化，系统的稳速性比开环系统得到了明显的提高， 图中对应给出了没有截流反馈时的仿真波形， 采用比例(P)调节器时，转速在稳态时有误差 便比较。由图可以看出，带电流截止负反馈的调 属于有静差调速系统，采用比例积分 (川)调节 系统能使系统的起动电流最大值从原先的500A 时，转速在稳态时保持误差为零，实现了转速的无 右降低到275A左右，调节dead zone模块死区范围 静弟调节，采用调节器的无静苏调谏系统性能明 的大小和电流反馈系数可以调节电板电流的最大 显优于有静差调速系统。 值。但是需要付出的代价就是起动时间相对的证长 (2)转速闭环控制系统稳态时的输出申流取 了. 决于负载电流， 不管采用什么控制器， 只要负载不 变，不管转速给定值、转速如何变化，最终的稳态 电流将不会发生变化，都等于负载电流。 (3)有限幅作用的放大系数取值较大时可以 减小转谏隆落，改善系统动态性能。 无屯流数止负反领 (4)带电流截止负反馈的转速闭环调速系统 有中流爱止伤反 能够有效减小起动（或者堵转）时冲击电流的影响 但是起动的时间会相对延长一些。 参考文献 运动控制系统（第3 t/s [山陈伯时.电力拖动自动挖制系 (a)有无截流反债时的电流响应仿真波形比较图 21潘月斗，李擎，李华德，等。电力拖动自动控制系统M 机械T业出版社，2014 线的CD 新性 [.卢秉娟。运动控制系统课程教学突出工程实际应用性研 究).洛阳理工学院学报（自然科学版），2011,21(388 句邵雪卷，张井网，赵志诚，等，双闭环直流调速系统的 977.7 Matlab/ 0051144343 例洪乃网 电力电子、电机控制系统的建模与仿M,北 直流调速系统与MATLAB仿 6结论 真[M北京：清华大学出版社，201山 电机运动控制系统.北京：机械工业出版 本文利用Simulink建立了转速闭环控制的有静 差调速系统、无静差调速系统和带电流截止负反馈 12尚丽， 准文军.基于Matlab/Simulink和GU的运动 的转速闭环直流调速系统等三种系统的仿真模型 t20026验教学中 给出了仿真参数与仿真结果，并将这种虚拟实验教 的应用U.实验室研究与探索，2006,25( :1077-108 学引入课堂教学之中，通过对不同转速给定值、不 系 学中的仿真技术应用 同放大系数和有无电流截止负反馈等情况下的仿 1方清城罗中良，官峰，等Mb在运动控制系统实 真分析，得出以下结论： 验教学中的应用U1.实验技术与管理，2007,241)：73-75
如图 8 给出了带电流截止负反馈的转速闭环调 速系统的电枢电流、转速仿真波形，同时，也在同 一图中对应给出了没有截流反馈时的仿真波形，以 便比较。由图可以看出，带电流截止负反馈的调速 系统能使系统的起动电流最大值从原先的 500A 左 右降低到 275A 左右，调节 dead zone 模块死区范围 的大小和电流反馈系数可以调节电枢电流的最大 值，但是需要付出的代价就是起动时间相对的延长 了。 （a）有无截流反馈时的电流响应仿真波形比较图 （b）有无截流反馈时的转速响应仿真波形比较图 图 8 有、无截流反馈时的调速系统仿真波形比较图 6 结论 本文利用Simulink建立了转速闭环控制的有静 差调速系统、无静差调速系统和带电流截止负反馈 的转速闭环直流调速系统等三种系统的仿真模型， 给出了仿真参数与仿真结果，并将这种虚拟实验教 学引入课堂教学之中，通过对不同转速给定值、不 同放大系数和有无电流截止负反馈等情况下的仿 真分析，得出以下结论： （1）转速闭环控制减小了负载引起的转速变 化，系统的稳速性比开环系统得到了明显的提高， 采用比例（P）调节器时，转速在稳态时有误差， 属于有静差调速系统，采用比例积分（PI）调节器 时，转速在稳态时保持误差为零，实现了转速的无 静差调节，采用 PI 调节器的无静差调速系统性能明 显优于有静差调速系统。 （2）转速闭环控制系统稳态时的输出电流取 决于负载电流，不管采用什么控制器，只要负载不 变，不管转速给定值、转速如何变化，最终的稳态 电流将不会发生变化，都等于负载电流。 （3）有限幅作用的放大系数取值较大时可以 减小转速降落，改善系统动态性能。 （4）带电流截止负反馈的转速闭环调速系统 能够有效减小起动（或者堵转）时冲击电流的影响， 但是起动的时间会相对延长一些。 参考文献 [1]. 陈伯时. 电力拖动自动控制系——运动控制系统(第 3 版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015. [2]. 潘月斗, 李擎, 李华德, 等. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014. [3]. 安跃军, 孟昭军. 电机系统及其计算机仿真[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014. [4]. 顾学雍. 联结理论与实践的 CDIO—清华大学创新性工 程教育的探索[J]. 高等工程教育研究, 2009 (1): 11-23. [5]. 卢秉娟. 运动控制系统课程教学突出工程实际应用性研 究[J]. 洛阳理工学院学报（自然科学版）, 2011, 21(3): 88- 90. [6]. 邵雪卷, 张井冈, 赵志诚, 等. 双闭环直流调速系统的 饱和限幅问题[J]. 电气电子教学学报, 2009, 31(1); 1-4. [7]. 刘述喜, 李山, 贺娟. “运动控制系统”虚拟实验教学探 索[J].中国电力教育, 2012, (9): 77-78. [8]. 沈艳霞, 赵芝璞, 纪志成. Matlab/Simulink 在运动控制 系统教学中的应用[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2005, 11(4): 435-438. [9]. 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模与仿真[M]. 北 京: 机械工业出版社, 2012. [10]. 顾春雷, 陈中. 电力拖动直流调速系统与 MATLAB 仿 真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011. [11]. 洪乃刚.电机运动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版 社, 2015. [12]. 尚丽, 淮文军. 基于 Matlab/Simulink 和 GUI 的运动 控制系统虚拟实验平台设计[J].2010, 29(6): 66-71. [13]. 张兴华. Simulink/PSB 在“运动控制系统”实验教学中 的应用[J]. 实验室研究与探索, 2006, 25 (9) : 1077-1080. [14]. 寸巧萍. 自动控制系统实验教学中的仿真技术应用[J]. 实验科学与技术, 2007, 5(2) : 51-54. [15]. 方清城, 罗中良, 官峰, 等. Matlab 在运动控制系统实 验教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2007, 24(1) :73-75