2009届国际智能人机系统与控制论

2009届国际智能人机系统与控制论

在仿真基础上关于直流电机双闭环控制系统的仿真和参数优化
中国河南省郑州市河南机械电子学校 机械电子系 王晓侃，孙忠良，王雷 wxkbbg@163.com
中国河南省郑州市金阳电灯有限公司研发中心 黄守平 huangshouping@163.com

摘要：当瞬态性能要求较高控制系统和单回路控制系统不能满足要求，实行多环控制参数优化
与内环到外环该命令。本文以直流电机双闭环调速控制系统为例，运用仿真优化方法设计的调
节器参数，其中使系统的动态和稳态指标达到设计要求。

关键词：参数优化，直流电机，双闭环系统，仿真

一、导言

经典控制理论通常设立一个调节每个这样的控制电路，当多物理场参数需要被控制的多元

调节器控制循环是必要的时候，这样的系统称为多回路控制系统。双直流电机速度控制系统是
一个典型的多回路控制系统。根据参考[ 1]很显然的，系统的稳定性是由负反馈和速度调节单
组织的闭环直流调速系统。当瞬态性能要求较高的控制系统，如要求快速制动，突然动态负载
下坡，和其他小规模调整，单闭环系统将难以满足需求。解决这个问题的唯一办法是在经典控
制理论实现电流负反馈控制的物理参数；同时在电流控制循环建立一个调节器，特别是用于调
节目前的数量。两个调节器设立的调整电流和速度。这种系统称为电流和直流电机调速系统的
􀃻统。我们称为双回路的直流调速系统电机[ 1 , 2]

二、系统建模

为发挥速度和电流负反馈在系统中的接受能力，他们将不会相互约束和影响系统的正常性

能，并设置了两个调节器控制该系统，并分别调整速度和电流，实现级联连接这两个系统。就
是说，我们把输出速度调节器做为输入电流调节器，然后输出的电流调节器控制启动装置的硅
控整流器。从封闭回路反馈的外部结构看，该电流调节回路内循环，被称为内部回路；调速回
路的外面，称为外环。这就形成了一个双闭环调速系统直流电机。为了获得良好的动态和静态
性能，两个调节器的双闭环调速系统直流电机一般采用比例积分调节器[ 3]。再将滤波因素考
虑进去，动态结构图的实际速度双闭环系统直流系统如图1所示。为保证启动电枢电流值不超过
允许的值，电压幅值是需要不超过的速度调节器的上限。这样，当调速器变成饱和状态，输出
电压饱和振幅限制，相应的最大允许起动电流和电流环不饱和，实现加快当前的恒定直流最大
电流值。为确保安全，在调试时候，限制器还增加了后电流调节器。 Ton = 0.01,Toi =
0.02,Ts=0.0017,Tl=0.03,Tm=1/5.456,R=0.5,Kp=40,Ce=1/7.5
76，α=0.007,β=0.05.
（1）稳态指示器：非稳态误差。
（2）动态的指示器：电流的过冲不超过3%；速度过冲不超过5%。一般原则的多回路控制系统的
工程设计是从内回路和一个一个环表面的设计开始的。对速度双闭环直流电机控制系统，我们
应该从内循环（目前）首先，根据目前的控制要求，确定相应的典型系统。电流回路校正应根
据对象选择调节器及其参数。然后，把电流环看成相当于在速度控制回路一个小惯性环节的一
部分。用同样的方法完成设计外环（回路）。在具体的设计过程中需要控制系统是静态的，目
前的超调量不超过3%，速度超调量不超过5%，然后，将这一部分看做是一个小部分的惯性环节，
并将转速作为一个整体循环的一部分，进而完成循环同一路（环）设计。根据上述原理设计，
设计师要求有一定的设计经验，基本能控制的了经典的“测试”和“更新”的设计。这是运用仿真
优化方法来设计的双参数的比例积分调节器。

图1 双闭环直流电机调速系统的动态结构图

三、仿真运行

根据图1可获得仿真模型正如图2所示。一个比例积分调节器是一个积分调节器并同时含有

有限比例调节器的调节器；实际仿真是广泛使用的内在限制的比例积分调节器。

如果参数2的比例积分调节器同时优化，作为对控制系统参数使用优化软件的结果，其只能
在一个可变输出设置目标函数可能低于已设置值，如果调整参数，系统会更加复杂和更容易一
些模块无限输出，和优化的更低的速度；假定只有循环的速度能设置输出目标函数，同时优化
的结果可能更好的使速度回路输出，但电流输出回路可能无法满足设计要求；反之反之亦然[ 5]。

图2 双闭环直流调速系统仿真模型

如图2所示，根据仿真模型优化调节器对两个比例积分环节在同一时间参数的优化。以初始值
P1=1，I1=4，P2=1，I2=4；根据汽车工程师协会的目标函数，然后

（1）
获取参数的优化结果：P* =110.4486，I1* =1.4125，P2*=8.7689，I2*=72.511.相应的速度曲
线和当前的曲线显示如图3。电流曲线显示的现状和需求显然是与实际不符的。

因此根据传统的多回路控制器的设计方法，我们可以首先优化内部循环的比例积分调节器
的参数，然后优化外环比例积分调节的参数。

四、结果分析

我们也许在五月一日开始分析电流回路。本电流环是由仿真模型图2中提取来的，我们设定

一个给定的信号幅度是10v的标准。优化模型的电流回路如图4示。

如图4所示，根据仿真模型优化调节器的双比例积分在同一时间对参数的优化。以初始值P=1，
I=1；汽车工程师协会的目标函数。电流环反应很快速，所以模拟的时间要短，这里是0.5秒。
获得的参数优化结果：P*=3.5531，I* =79.1748。阶跃响应曲线电流回路如图5所示,显然，超
25.19%，所以它不能满足设计要求。

为了抑制超调，我们修改的目标函数，在这里，K=0.1及目标函数是：

（2）

图 3 速度曲线和电流曲线

图4 电流回路优化仿真模型

然后我们可以进行参数优化，选择的目标函数的公式（2），其余参数与前相同。重新优化
比例环节的参数，我们可以得到的参数优化结果是：P*=0.86428，I* =23.0913。电流回路阶跃
响应曲线如图6所示,这里是超调是0.54%，所以它可以满足设计要求。

在确定了电流环的比例积分环节的参数后，我们确定了比例积分调节器的参数和积分环节
的速度环。在图2中所有速度循环参数的优化将替代比例积分调节器的参数。我们设置一个给定
的标准电压幅度是10v，并以初始值积分和比例速度环参数为：P=1，I=1。然后我们设置目标函
数是国际教育学会及仿真研究时间是0.5秒。我们可以得到的参数优化结果是：P*=11.8417，I*
=1.317，参数满足设计要求。

图5 电流环阶跃响应曲线（根据目标函数图1）

图6 电流环阶跃响应曲线（根据客观图2）
这两个电流环和速度环调节器的参数优化将替代图，我们可以得到的阶跃响应曲线的电流和速
度模拟显示在图7。速度超调0.61%，目前超调0.54%，显然，他们都可以满足设计要求。当优化
调节操作稳定时，速度是1428.6r/min与预期的10 /0.007 =1428.6转/分钟是一致的，所以我们
达到调节无稳态误差状态。

从上面的分析我们知道，仿真曲线特征设计的调节器与实际现状的直流电机双闭环调速系
统相符合。

图7 速度曲线和电流曲线（优化）

五、结论
直流电机双闭环调速系统是一个典型的多回路控制系统。这种控制系统的设计方法采用的
是：从内环到外环，设计一个循环回路控制器。在这里，我们使用参数优化技术；我们通过仿
真优化可以快速的获取满足设计要求控制器参数，不需要有任何经验。在外环控制器的参数进
行的过程逐渐仿真优化，同样也是适用于其他类型的多回路控制系统
。

六、参考文献
[1] 陈博世，电力拖动控制系统（二版），北京：机械工业出版社，2002。
[ 2]江民，控制系统计算机仿真，北京：出版电子工业出版社，2002。
[ 3]罗晓莉，范贵林，直流电机调速系统设计，船舶电气与电子工程，2006（16）6:16-18
[ 4]吴素萍，刘飞，模拟直流调速系统电机的模糊逻辑。长沙大学学报电功率（自然科学），
2006（21）4:34-37。

[ 5]曾文火，周万里，朱鹏程，参数优化伪微分反馈的方法对直流电机的位置算法控制。电机
与控制学报，2006（10）：6562-566。