任昕阳1、2 董哲1、2 徐智超1、2
楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心，安徽 合肥 230022；
2.大连科技学院电气工程学院，辽宁 大连 116052；
摘 要：本文以实际电机模型为被控对象，设计并验证双闭环调速系统，对系统的参数设计进行了详细的计算，用Simulink软件搭建调速系统进行仿真验证，仿真部分电源采用频率为8KHz的PWM变换器，转速环、电流环都采用PI控制器，控制效果良好。
关键词：双闭环调速系统；Simulink；仿真
1 引言
直流电动机拥有良好的起动、制动特性，其单闭环调控也可以满足大部分应用，但在经常起动、制动系统中其效果还是有些乏力。为了实现在允许条件下的最快起动，就需要引进双闭环直流调速系统。该系统具有良好的稳态和动态性能，其转速、电流双闭环调速系统在直流调速系统中得到广泛应用。
Simulink是MATLAB的可视化仿真工具，它能够提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink在控制领域设计与分析中被广泛使用。本文利用Simulink仿真软件对双闭环调速系统进行设计，并且通过仿真对其进行验证。
2 双闭环调速系统的设计
本文所述设计的双闭环是指转速环和电流环。转速环设置了转速检测环节、转速调节器（ASR）；电流环设置了电流检测环节、电流调节器（ACR）。转速环通过转速检测元件的反馈作用稳定转速，电流环通过电流元件的反馈作用稳定电流，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节转速的目的。该系统起动时，转速外环由于转速很低而饱和不起作用，只有电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；当系统稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。这两个调节器一个在内一个在外，共同组成了双闭环调速的系统。
本文采用直流电动机参数如下：型号为Z4-132-1，额定电压400V，额定电流52.2A，额定转速为2610r/min，反电动势系数为0.1459 V?min/r，允许过载倍数是1.5。以此为基础设计分别设计电流环和转速环。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的。要校正成典型Ⅰ型系统，显然应该采用PI调节器，其传递函数可以写成
式2.1
式中 Ki——电流调节器的比例系数；τ——电流调节器的超前时间常数。
转速环应该校正成典型Ⅱ型系统是比较明确的，这是基于稳态无静差的要求和负载扰动作用后的积分环节。要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为
式2.2
式中 Kn——转速调节器的比例系数；τn——转速调节器的超前时间常数。
通过计算得电流环ACR传递函数为:0.771+53.54/s;转速环ASR传递函数为：134.37+2530.5/s。
3 系统仿真
完成仿真模型的设计及其参数设置之后就可以进行仿真了，对输出波形进行打印查看，根据以上原理，搭建双闭环调速系统具体仿真模型如图1所示，其仿真结果如图2所示，由图2可以看出ASR调节器经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，最终稳定运行于给定转速。因此可以证明所设计的双闭环直流调速系统正确有效。
4 结论
通过最终结果可知，当系统处于稳定状态时，Simulink示波器所现实的波形也可以准确的追踪给定速度波形，当其处于过渡阶段时，Simulink示波器所呈现的实际速度波形在给定阶跃信号时也会存在较大偏差。通过进一步优化PI调节器参数可以提高控制性能。
利用Simulink搭建的双闭环调速系统经过仿真试验后被证明是可行的，通过这个调速系统对直流电机进行调速能够增强系统的抗扰能力，提高电动机的起动性能。
在工程设计中，首先要根据典型系统的设计方法计算调节器参数，然后通过MATLAB下的Simulink软件的强大功能进行仿真，灵活的修正调节器参数，最终获得满意的结果。
参考文献
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基金项目：楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心开放课题基金资助项目(BCES2019KF16)