基于 Simulink 的直流调速系统仿真研究
董 璇，都洪基
(南京理工大学动力工程学院，南京，210094)
摘
要：以控制系统的传递函数为基础，使用 MATLAB 的 Simulink
工具箱对直流调速系统进行了仿真研究。面向控制 系统电气原理结构图、结合 SimPowerSystems 工具箱，对开环、单闭环电压负反馈、转速电流双闭环（DLM）以及 PWM
调速系统进行了仿真，并作出分析和比较。对双闭环系统模
型进行了改进，采用 GA 工具寻求控制参数最优解。仿真结果表明优化后的参数能够更有效地提高调速控制系统的性能指标。
关键词：直流调速系统；仿真；SimPowerSystems；GA
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引言 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。为了深入地分析控制原理在直流调速系统中的应用，本文对从开环系统到脉宽调制（PWM）系统等四种直流调速系统进行了仿真对比实验，并作出了分析比较。
传统的工程设计方法参数并未优化，控制系统性能指标与参数的关系往往是非线形多峰函数，函数复杂甚至未可知，因此优化参数往往不易用一般的数学分析方法来获得。近年来，遗传算法
(GA)
做为求解优化问题的有效手段而开始被引入控制系统的设计中。GA 采用非数值计算方法和随机进化策略，无需梯度信息，能有效攻克十分困难的优化问题，其处理问题更具有灵活性、适应性、鲁棒性、全局性。将 GA 引入 DLM 参数设计中，也取得了较好的效果。[1]
1 四种调速系统的仿真比较 [2] 1.1 开环系统 开环系统的仿真模型如图 1 所示，由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。
其中，同步脉冲触发器为同步电源与六脉冲触发器封装在一起的子模块，其模型如图 2 所示。仿真算法为可变步长，ode23s，给定信号 50。仿真结果如图 3 所示。励磁电压为 100 伏。从图 3 中可以
图 1 开环系统仿真模型 看出，开环系统的调节速度比较慢，转速在第 5 秒才接近稳态值。转速的稳态值较大。
由电动机的转速和励磁磁通成反比易知，调节励磁磁通可以改变直流电动机的转速特性。图 4 即为将励磁电压增大到 220V 时的转速、电流曲线。观察波形可见，转速的稳态值随着励磁电压的增大而明显降低，且调节速度明显加快，1 秒以内转速就达到了稳态值。
图 3 开环系统转速、电流曲线图 4 励磁电压增大后的曲线
图 2 同步脉冲触发器和封装后的子系统模块 1.2 电压负反馈单闭环系统单闭环调速系统有多种反馈方式，如电压负反
馈、转速负反馈等。电压负反馈在组成和实现上都比较简单实用，本文即采用电压负反馈调速系统。该系统由给定信号、电压调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、电压反馈环节等部分组成。其仿真模型如图 5 所示。电压调节器选用 PI 调节器，取自电力系统模块库下的附
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加离散控制模块组。其参数设置为 Kp=10,Ki=400, 上下限为[130 -130]，电压反馈系数为 0.05。仿真算法采用 ode23s。仿真结果如图 6 所示。
闭环调速系统由于增加了反馈环节，其机械特 性较开环系统硬得多，负载扰动引起的稳态速降减
小为开环系统的 1/（1+K）。图 7 即为电压负反馈调 速系统在 2.7 秒突加负载（给定信号加倍）时的转 速降落曲线，从图上可以看出，相比于图 1 的开环 调速系统，电压负反馈调速系统的稳态速降要小的 多，转速基本保持不变。
图 9 转速、电流双闭环系统的电压、转速、电流曲线
图 5 电压负反馈调速系统的仿真模型
双闭环系统有两个控制器 — — 转速控制器 ASR 和电流控制器 ACR。这两个调节器均采用 PI 控制器，参数设置分别为： ACR: Kcp=2, Kci=100, 上 下 限 幅 值 为 [130,-130]
ASR: Ksp=1.2, Ksi=10, 上下限幅值为[40,-40] 限幅器的上下限设置为：[50,-50]。 仿真结果如图 9 所示。从仿真结果可以看到，
图 6 电压负反馈调速系统
图 7 突加负载时的波形
1.3 双闭环调速系统
转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型如 图 8。主电路的建模和模型参数设置与单闭环直流 调速系统绝大部分相同，只是通过仿真实验将平波 电抗器的电感值修改为 9e-3。
启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电 压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电 流上升也很快，接近其峰值。第二阶段，ASR 饱和， 转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定 作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖 动系统恒加速，，转速线性增长。第三阶段，当转 速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平 恒，输入偏差为 0，但是由于积分的作用，其输出 还是很大，所以出现超调。 转速超调之后，ASR 输入端出现负偏差电压， 使它推出了饱和状态，进入线性调节阶段，使速度 保持恒定，仿真结果基本上反映了这一点。 1.4 PWM 调速系统 直流脉宽调速系统的仿真模型如图 10。主电路 由三相对称交流电压源、不可控二极管整流桥、滤 波电热器、可控开关、直流电动机等部分组成。控制电路包括：给定环节、速度调节器 ASR、限幅器、速度反馈环节、PWM 信号发生器等。
图 8 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型 控制电路包括：给定环节、速度调节器 ASR、电流调节器 ACR、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节等。给定环节的参数设置为 130rad/s，电流反馈系数设为 0.1，速度反馈系 数设为 1。 图 10 直流脉宽调速系统仿真模型
PWM 信号发生器要求的输入范围为－1 至 1 之间的数（包括－1 和 1），输出脉冲受输入信号的 控制，脉冲最大输出频率设置为 100Hz。当输入为 2
1 时，输出脉冲宽度最大，相当于完全导通；当输入为－1 时，脉冲宽度最小，相当于完全关断。在从－1 到 1 的增长过程中，脉冲宽度是呈线性增长的。
控制电路的参数设置如下：转速给定为150rad/s，速度反馈系数设为 1。ASR 调节的参数设置为：Kp=1.2,Ki=40,上下限为[200,-200]。限幅器参数为[200,0],其它参数用系统默认值。因为 PWM 直流脉宽调速系统加到直流电动机上的电压为脉冲信号，为了使输出转速波形平滑，直流电动机参数对话框中的粘度摩擦系数设为 1。仿真输出波形如图
11 所示。 因为这种脉宽控制是在直流回路中的谐波较多，仿真结果电流波形比较粗糙。开始时给定转速与实际转速之间相差较大，这时的 PWM 的输入是 1 或者接近 1，所以可控开关可能完全工作在导通状态，因此开始时电流的波形比较平滑。转速的波形还是比较理想的。 图 11 直流脉宽调速系统的转速、电流曲线
2 双闭环调速系统的改进 2.1
基于遗传算法的参数优化模型 双闭环调速系统(DLM)是直流调速系统应用最广泛的一种，对其作进一步优化有很强的实用价值。前面的仿真模型中，参数的选取或依据仿真经验调试，或采用工程设计方法计算得到。本文尝试采用MATLAB7.0自带的GA图形界面工具对参数进行优化设计，以求得ACR和ASR的四个参数Kcp、 Kci 、Ksp、,Ksi。
由于篇幅关系，步骤简述如下： 1. 输入优化函数 min f
0 t
2e2
(t)dt 的m文
件 句柄函数；变量数为4
个。 2. 约束条件
(1 )K cp* Kcp (2 )K cp* (1 )K ci* Kci (2 )K
ci*
(1 )Ksp* Ksp
(2 )Ksp* (1 )Ksi* Ksi (2 )Ksi*
其中，Ksi* 等是依据工程计算法得来的参数。α为[0,1]
内的选定参数。
3.初始染色体在各自的取值范围内随机产生，但必须满足约束条件。群体数目取20，最大迭代次数设为
100。 4.交叉概率取0.75，变异概率取0.05。 2.2
优化结果输出 优化参数后的仿真输出结果如图12所示。从仿真波形可以看出，电流和转速的阶跃的相应有了明显的改善，大大提高了控制系统的性能。 图9 优化参数前
图12 优化参数后
3 结论 本文对几种常用直流调速系统进行了仿真对比实验，验证了不同控制系统对于直流电机调速的控制作用。反馈控制系统较开环系统具有明显的硬度，机械特性不易受干扰。对双闭环系统的控制参数进行了优化，优化后的控制器使系统的响应速度有了明显的改善，这在工业生产和电力系统自动控制中具有很高的实用价值。
参考文献
[1] 周凯汀，郑力新．基于 Matlab 的双闭环直流调速系统仿真及参数进化设计.计算技术与自动化，2001，20（2）：10-14
[2] 周渊深．交直流调速系统与 MATLAB 仿真．北京：中国电力 出版社，2003
[3]
雷英杰等．MATLAB 遗传算法工具箱及应用．西安：西安电子 科技大学出版社，2005
作者简介： 董璇(1983-)，女，硕士研究生，研究方向为自动控制系统和继电保护。
Email:*******************都洪基(1960-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护和高电压技术。
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