基于Simulink的双闭环调速系统仿真研究
浙江科技学院学报 ，第 2l卷第 l期 ，2009年 3月
Journa1 of Zh~iang University of Science and Technology
Vo1．21 No．1，M ar．2009
基 于 Simulink的双 闭环 调 速 系统 仿真 研 究
王 祖 亮 ，侯 北 平
(浙江科技学院 自动化与电气 工程学 院，杭 州 310023)
摘 要 ：转速 、电 流 双 闭环 调 速 系统 是 当 前应 用 最 广 的 直 流 调 速 系 统 ，利 用 电 流 调 节 器 和 转 速 调 节 器 实 现 了 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 了 系 统 的 动 态 数 学 模 型 ，并 基 于 自动 控 制 系 统 快 、
准、稳的准则完成 了系统设计 。同时，利用 Simulink进行了系统仿 真 ，给 出 了仿真框 图和仿 真结果 。通过对结果 的
分析 进 一 步 验证 了 双闭 环 调 速 系 统 的 优越 性 。
关 键 词 ：双 闭 环 ；直 流 调 速 ；Simulink；运 动控 制
中 图分 类 号 ：TP376 文 献 标识 码 ：A 文 章编 号 ：1671-8798(2009)01—0006～04
Com puter sim ulation research of double-loop speed control
system based on Sim ulink
W ANG Zu liang，H OU Bei～ping
(School of Automation and Electrical Engineering，Zh@ang University of Science and Technology，
Hangzhou 310023，China)
Abstract：Double～loop speed control system is widely used at present． The cascade control
using current regulator and speed regulator is realized，which can nearly approach the ideal start—up
process． The system is designed on the principle of quickness，accuracy and stableness，and the
project design procedures are adopted to build a dynamic mathematical mode1．Simulink is used to
simulate the system ，and the result offers a further proofs for the advantages of the system ’S start
process．
Key words：double—loop；DC converter；Sim ulink；motion contro1
转速 、电流双 闭 环调 速 系 统是 应 用最 广 的 直流
调 速系统 ，由于其 静 态性 能 良好 ，动态 响 应 快 ，抗 干
扰 能力强 ，因而 在 工程 设 计 中被 广泛 地采 用 _1]。现
在 直流调速 理论发 展 得 比较 成 熟 ，但 要真 正 设计 好
一 个 双闭环 调速 系统并应 用 于工程设 计却有 一定 的
难度口]。Matlab是一 高性 能 的技术 计算 语 言 ，具有
强 大 的科 学数据 可视化 能力 ，其 中 Simulink具有 模
块组 态简单 l_3]、性能 分析直 观 的优 点 ，方便 了系统 的
动 态模 型分 析 。应 用 Simulink来 研 究 双 闭环 调 速
系统 ，可 以清楚 地观察 每个 时刻 的响应 曲线 ，所 以可
以通过调 整系统 的参 数 来得 出较 为满 意 的波 形 ，即
良好 的性 能指标 ，这 给分 析 双 闭环 调 速 系统 的动 态
收稿 日期 ：2008—10—10
基 金项 目 ：浙 江 科 技 学 院教 学 改 革 项 目(2007～B32)
作者 简 介 ：王 祖 亮 (1986～ )，男 ，浙 江 临海 人 ，2005级 本 科 生 ，自动 化 专 业 ；侯 北 平 (1976一 )，男 ，山 东 莒 县 人 ，副 教授 ，
博士，主要从事运动控制 、智能舱挖研究。
第 1期 王祖亮 ，等 ：基 于 Simulink的双 闭环 调速 系统 仿真研究
模 型带 来很 大 的方便 。
本研 究 采用工 程设 计方 法 ，并 利用 Matlab协 助
分 析 双 闭 环 调 速 系 统 ，依 据 自动 控 制 系 统 快 、准 、
稳 的设计 要求 ，重 点分析 系统 的起 动 过程 。
1 双 闭环 调 速 系统
1．1 双 闭环调 速 系统的组 成
为 了实 现 转速 和 电流 2种 负 反 馈 分别 起 作 用 ，
在 系统 中设 置 了 2个 调 节 器 ，分 别 是 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 。从 闭 环结 构 上看 ，电流 调 节 器 在 里面 ，叫 做 内
环 ；转 速 调节 器在 外边 ，叫做外环 。双 闭环 调 速系
统 的原理 图 如图 1所示 。
电压
给 定
输 出
转速
图 1 双 闭 环 调 速 系 统 原 理 图
Fig．1 Schematic diagram of double-loop speed control system
1．2 动态 数 学模型
直 流 电 动 机 可 视 为 一 个 二 阶 线 性 环 节 [6]，晶
闸管 装置 可 按 照 一 阶惯 性 环节 处 理 ，转速 、电流 调
节 器 均设 为 PI调 节 器 ，以获 得 良好 的动 、静 态 特
性 ，得 到 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 动 态 结 构 如 图 2
所 示 。
图 2 双闭环调速系统的动态结构 图
Fig．2 Dynamic structure of doublmloop speed control system
1．3 双 闭环调 速算 法分析
对 于电流 内环的设 计 ，希望 电流无静差在 突加控
制时 ，电枢电流不能有 太大的超调 ，可 以选 择典 型 I型
系统m ，采用 PI调节 ，令
W AcR(s)一 K
其 中电流调节 比例系数 K 为 ：
K 一 ( )
积分系数 即电流调节器 的超前时间常数 — 。
对 于转 速外 环 的 设 计 ，可 以选 择 典 型 Ⅱ 型 系
统 ，在 实现 转速无 静 差 的 同 时又 能 满 足 动 态 抗扰 性
能 的要 求 ，采用 PI调节 ，令
W ASR(s)一 K
其 中转 速调 节器 的 比例系数 K 为 ：
K ==：
其 中 h为 中频 宽度 ，按 跟 随 和抗 扰 性 能 都 比较好 的
原则 ，取 h一 5，
丁z ：== 十 T
积分 系数 即转 速调 节器 的超前 时 间常数 为 ：
K
“ 矗丁 ∑
2 基 于 Simulink的 双 闭环 调 速 系统
Simulink环境 下 的仿真 框 图如图 3所示 。
2．1 系统 总体构 成
选 用 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 ，直流 电动 机规 格 为 220 V，
136 A，1 460 r／min，C 一0．132 r／min，允 许过 载倍
数 一1；晶闸管 装 置 放大 系 数 K 一40，电 枢 回路 总
电阻 R一0．5 Q，时 间 常数 丁 一0．03 S， 一0．18 S；
另外 ，选 择 电流 反 馈 系 数 一0．083，转 速 反 馈 系数
口一 0．003 4。
2．2 电流 环模 块
整 流滞 后 时间 常数 即三相 桥式 电路 的平均 失控
时间 一0．001 7 S，电流 滤波 时间 常数 即三 相 桥式
电路 每个 波头 时 间 丁 一0．002 S。 电流环 调 节器 采
用 PI调 节 ，根据 电 流环调 速算法 得到 电流调 节 比例
系数 K 一0．61；电 流 调 节 器 的 超 前 时 问 常 数 —
T 一0．03 S。电流环模 块 如 图 4所示 。
8 浙 江科 技 学 院学 报 第 21卷
迎
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图 3 双 闭 环 调 速 系 统 仿真 框 图
Fig．3 Simulation diagram of double—loop speed control system
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Transfcr Fcn2
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0 OOl 7s+ll l 0 03s+1
Transfer Fen 1 Transfer Fcn3
—
0 002s+ — — l 1 J
Trailsfcr Fen4
图 4 电流 环 模 块
Fig．4 M odule of electric current loop
2．3 转 速环模 块
按小时间常数近似处理 T ，一 +L —O．003 7 s
电流环 的等效 时问 常数为 2T3 ：0．007 4 S，转 速 滤
波时 间常数 一0．01 S。转 速环 调节器 采用 PI调
节 ，根据 转速环 调 速算 法 得 到转 速 调节 器 的 比例 系
数 K 一40，转速 调节器 的超前 时 间常数 一0．087。
转速环模 块如 图 5所 示 。
3 48s+40 l J j0 f f 5
I ： ! I !! l I ． ! l
Transfer Fcn 1 Trailsfcr Fcn3
厂而面
— — — — — — — — _{— — }一 l 0 0I
s+1 I
Trailsf-er Fen4
图 5 转 速环 模 块
Fig．5 M odule of speed loop
3 仿 真 结 果 与分 析
系统仿 真结 果如 图 6和 图 7所示 。
给定 电压设 置 为零 ，系统工 作 在 电流 干扰作 用
下 ，其阶跃 扰动 响应 曲线如 图 8所 示 。
设置 双闭环 控制 的一个 重要 目的就是要 获得接
近理想起 动过程 ，因此 在 分析 双 闭环 调 速 系统 的动
态性 能时 ，首先要 探讨 它的 起动过 程 ，双 闭环 直流调
速系统突 加 给定 电压 U 由静止 状态 起 动 时 ，转速
和电流在起 动过 程 中经 历 了三个 阶段 ，根 据仿 真波
形 ，也可 看 出起 动过程 分别 经历 了电流上 升 、恒流 升
速 、转速 调节这 三个 阶段 。
8
6
4
2
O
日
Scope
0 500 1 000 1 500 2 000
t／m s
图 6 输 出 电 流 波 形
Fig．6 W ave{orm of output current
1500
l000
500
{
一|
{
500 1 000 l 500 2 000
r／m s
图 7 输 出转 速 波 形
Fig．7 W aveform of output speed
0．2
0
> 一0 2
一
一 0 4
一 O 6
- 0 8
0 500 l 000 l 500 2 000 2 500
t／ms
图 8 系统 阶 跃 扰 动 响应 曲线
Fig．8 System response curve under step disturbance
如 图 7和 图 8所示 ，在 电流 上升 阶段 ，突加给定
电压 后 ， 升 ，电机 也 开 始 起 动 ，但 由 于机 电
惯 性 作 用 ，转 速 不 会 很 快 增 长 ，因 而 转 速 调 节 器
ASR的输入 偏差 电压的数 值较 大 ，强迫 电流 迅 速
上 升 ； 在恒流升 速 阶段 ，ASR始终 是饱 和 的 ，转 速
环 相 当于开环 ，电流 保 持 恒 定 ，因而 系统 的加 速
第 1期 王 祖 亮 ，等 ：基 于 Simulink的双 闭环 调 速 系统 仿 真 研 究
度 恒定 ，转 速呈 线性 增 长 ；在 转 速 调 节 阶 段 ，当转 速
快 上 升到 给定值 时 ，转 速调 节器 ASR 的输 入偏 差很
小 ，但 其输 出 由于积 分作 用 ，电机仍 在缓 慢加 速 ，与
此 同 时 ，电流 j 迅 速减 小 ，直 到 — I丑 时 ，转速 以
一 恒定 速度 输 出 ，电流 ， 保 持 j也 输 出 。
从 仿真 波 形 中 可 以看 出 ，电 流 J 上 升 得 非 常
快 ，几 乎接近 于 突变状 态 ，恒 流升 速 阶段 转速呈 线性
增 长 ，其 上升 时 间小 ，突 出 了 系 统 的 快 速 性 设 计 要
求 ；而在 转速 在上升 到 给定 值 时 ，电流 I 迅 速 降低 ，
转 速也 没有 明显 的超 调 现 象 ，最 终 稳 定 在 额定 转 速
附 近 ，体 现 了控制 系统 的稳 定 性 与准确 性 原则 ；而在
系 统干扰 作 用 下 ，如 图 8，系 统 能快 速 调整 ，其 抗 干
扰性 能强 ，整个 起动 过程非 常 接近 于理 想状 态 ，设 计
比较 合理 。
4 结 语
对转 速 、电流双 闭环调 速 系统 ，基于 快 、准 、稳 的
系统 设计 原则 ，从数 学建模 到 电流环 的设 计 、转速 环
的设计 ，以及 实现系统 的 串级 控制 ，最 后 利 用 Simu—
link进 行 系统 仿 真 ，得 出 波 形 并 分 析 了起 动 过 程 。
通过 对双 闭环 调速 系 统 的研 究 ，可 概 括 出系 统 起 动
过程 的 2个 鲜 明特点 ：饱 和非 线 性 控 制 和 准 时 间最
优控 制r8]。只要选 择 合 理 的 系统 参数 ，即 可得 到 良
好 的起 动过 程 ，从 而有 效地 提高 生产效 率 。
将 计 算 机 仿 真技 术 应 用 到双 闭环 调 速 系统 中 ，
可 以极 大地 节省 系统 开 发 时 间 ，提 高 系 统设 计 的标
准 化 ，仿 真 的结 果 能对 实 际 的 系统 设 计 起 到前 期 规
划 与指 导 的作用 ，从 而起 到减少 硬件设 计成 本 、提 高
硬 件安装 的准确 性 。
参 考文献 ：
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