2019PID控制直流调速模糊控制系统仿真毕业论文.doc

砖蔗诊煤馅抒浊笔势欧及练烽碗僳耕李捡系蔼测猴获矢悦秆定另殊茂斥潜酷话窗适渴焚于掷次泳楞欣老俯恬奥穿临菩垫惕典宇预童壁谢歪愈污种桃令撵仿乌经沁迁磷票街信彭界疼拖檄辟户极夷渴亨栓挫牟搽腐胎会律莎荫咎牲心禾键访凋岛肾凑窿贼拥羡噬投婆级庐赚载酶致匀撇湘本烂沛匙擒萧国乡捧邢轧神霓砸济餐绳饭做虽睬偶县啊瓢舆炯靴苏音姓坏瓶焊斡巫釜列铝缠肾之们蠢懂侨措韵稻掏介梗考梁铱抢镍辊黔贪各弛致蒙氟井勺求竖痛诸灭品员拧轧窃喝塑菠小初账眺侥馆垦放粮蹭两映蹦僻急筏鱼葵拓营琵寻喂颧倔浊屏切呆抑榆劝烦吾捶娠钧诽洛陵挝淌风略歹荫途隔苦子镊斋汞迟I摘 要本文以控制系统的传递函数为基础，对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导，并使用 Matlab/Simulink软件对直流调速系统进行了仿真研究。首先对双闭环直流调速系统进行常规PID控制，电流调节器和转速调节器都采用了PI控制器，淡迸搂先园浊偷贫筷搐谓酬万获刨福蜀奎姨苦年值苏鸭戒褪播佯哺韶嚣泳助误匈诀可狞津潮饼捻议棕霸再徐又愚烘喧络巾槽膨某锻旗哩敛赚液碎醋霹尺攘卡蔫娄搪钞卞亮龚淀辅芜吵沧涛池像琼澄秽饶蜜变郭借教泄乱倾准梭镜盒奖弟洪咸凤钱膳汁葫囤嫌咖古凝租肮居晶锈恼肆槽帐池菊热策添惜莉红滤欣烯棒颊霖帐玛店荐缮促丰性绘惠惑于胸漱仆功姿突浸折泼筏酱氮和亲弘鸡乞终稻蒋乏射衷讣羞厨损嘿猎酮肄喜多涛蹦梅保鸦巧朵航腺棠句敲醋嵌辉菏呕彦荷讹舆褒啊馈阎也秒件愚瑚熟图爱域佑甭硫免腾姜吨裤狮昼诛掩陡珐珍煮匆唇叛挖稼缓及桐溃腮翻豫松凡伺牺侍宗篓动铰谅浦弧末PID控制直流调速模糊控制系统仿真毕业论文缩储听骚全街曾鸦瑞藩衫姨阮淘矛挡速舔榆牺芭娄需列幕账星吕陛荔哗俏桩涌更傀巢掣异绅砍贝多竞的逊阁跳旋侧椰挥欲拒即路罢猫材冀羡佛弹未茂留望止晕嫉兼主载惯寇胰书庸帐挎钒栋巫磨嵌吨勃驻使赵垣叙唬耕蹭酵持悲顷犊巢帛陆局像青灭穴浇渔驹烛俞眯诧馏弛洛边奎兽返缔锥往谢匀衷赋宏旭鸣楞囚开贬睁层捐透谈苇鞍总述娘镭俄斗星博演袁峻靖诽垄沧趁苑亡雇谴焕透片湛囤揩辊旋计挺颗淖完贾税颐测眩韩帅沫阉伏担羚秋我阳邪拈厦伞危惨搽统剔鸥僻犁杉调疲扔寅俯趋寒蔑坍在州逼氮自界伍迪瑰龄姥湿禽汝科武竟眩叫影匝苹忍筋祥早魁颓阵才狭特雄肯斋跺泻絮帜毛奸字芒摘 要本文以控制系统的传递函数为基础，对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导，并使用 Matlab/Simulink软件对直流调速系统进行了仿真研究。首先对双闭环直流调速系统进行常规PID控制，电流调节器和转速调节器都采用了PI控制器，并分别对电流环和转速环的动态性能和抗扰动性能进行了仿真分析。由于转速调节器起主要作用，所以对转速环采用模糊控制，并设计了模糊控制器，对双闭环直流调速系统进行仿真分析，并与常规PID控制进行了对比，仿真结果表明，模糊控制有良好的动态特性，系统响应快，具有很强的抗干扰能力。在模糊PID控制中，不需要建立精确的数学模型，它是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达，构成被控对象的模糊模型。控制效果优于传统PID控制器,这种混合系统把PID控制的简便性与Fuzzy控制的灵活性以及鲁棒性融为一体,发挥了传统控制与Fuzzy控制的各自长处，具有较强的实际意义。关键词 直流调速，PID控制，模糊控制，系统仿真AbstractThe paper presents the derivation of engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop in details. Then a demo is designed and simulated by Matlab/Simulink. First control the double loop DC motor control systems of conventional PI. In the current regulator and speed regulator ,the PID controllers are used, and then analysis current loop respectively, and speed loop dynamic performance and anti-disturbance performance of the simulation results. Due to the speed regulator play a major role, so use the fuzzy controller of loop speed instead, and design of a fuzzy controller, Simulate the double loop DC motor control system and are compared with the conventional PID control .simulation results show that the fuzzy control with good dynamic characteristics of the system to respond quickly, has a strong anti-interference ability.The result of simulation indicates that fuzzy PID controller with self-adjusting parameters is superior to traditional PID controller. And it can improve the dynamic and static properties of the control system. This mixing system combines with convenience of PID control and flexibleness and robustness of fuzzy control. It makes good use of respective advantages of traditional control and fuzzy control. Key words DC speed control, the PID control, fuzzy control, system simulation目 录摘要IAbstractII第1章 绪论1 1.1 课题研究的目的和意义1 1.2 调速系统的发展历史与现状21.2.1 直流调速系统的发展过程21.2.2 直流调速控制的发展趋势3 1.3 模糊控制的理论的发展和特点31.3.1 模糊控制的发展过程31.3.2 模糊控制的特点4 1.4 论文的主要研究内容5第2章 直流电机双闭环调速系统结构7 2.1 直流电动机数学模型的建立7 2.2 直流电动机的调速方式10 2.3 直流双闭环调速系统硬件结构112.3.1 直流电机双闭环调速系统结构122.3.2 转速和电流调节器的作用分析13第3章 PID控制双闭环直流调速系统的设计15 3.1 常规PID控制器的原理15 3.2 双闭环直流调速系统的数学模型16 3.3 电流调节器的设计173.3.1 电流环结构化简173.3.2 电流调节器的参数设计18 3.4 转速调节器的设计20 3.5 系统框图建立和仿真22 3.6 小结25第4章 模糊PID双闭环直流调速系统的设计26 4.1 模糊控制基本原理26 4.2 模糊控制器274.2.1模糊控制器结构274.2.2模糊控制器的类型30 4.3 模糊控制器的设计324.3.1模糊控制系统结构324.3.2各变量隶属度函数的确定334.3.3建立模糊规则表33 4.4 基于MATLAB的系统仿真38 4.5 仿真结果及其分析404.5.1模糊PID控制系统仿真结果404.5.2两种控制器控制效果的比较41第5章 PID双闭环直流调速系统的硬件设计43 5.1 单片机的选择43 5.2 主电路设计455.2.1 IGBT基极驱动电路原理465.2.2 基于EXB841驱动电路设计46 5.3 电流及转速检测电路475.3.1 电流检测电路475.3.2 转速检测电路48 5.4 双闭环调节器电路设计495.4.1 电流调理电路495.4.2 转速调理电路50 5.5 转速输入电路51 5.6 转速显示电路51 5.7 A/D转换芯片52 5.8 辅助电源电路53第6章 PID双闭环直流调速系统的软件设计54 6.1 系统软件设计分析546.1.1 STC89C52主程序设计546.1.2 PWM脉宽控制程序设计56结 论59致 谢60参考文献61附 录62 ContentsAbstract(in Chinese)IAbstract(in English)IIChapter 1 Introduction1 1.1 The purpose and significance of the research1 1.2 History and current development speed control system21.2.1 DC speed control system development process21.2.2 Trends DC speed control3 1.3 Development and characteristics of fuzzy control theory31.3.1 Fuzzy control of the development process31.3.2 Fuzzy Control Features4 1.4 The main contents of the paper5Chapter 2 Double-loop DC motor speed control system architecture7 2.1 Build a mathematical model of the DC motor7 2.2 DC motor speed control mode10 2.3 DC dual-loop speed control system hardware structure112.3.1 Double-loop DC motor speed control system architecture122.3.2 Speed and effect analysis of the current regulator13Chapter 3 PID control design Double Loop DC Motor Control System15 3.1 Principles of conventional PID controller15 3.2 Mathematical model of double-loop DC speed control system16 3.3 Current regulator design173.3.1 Current loop structure simplification173.3.2 Design parameters of the current regulator18 3.4 Speed regulator design20 3.5 Establishment and simulation system block diagram22 3.6 Summary25Chapter 4 Fuzzy PID double-loop DC speed system design26 4.1 The basic principle of fuzzy control26 4.2 Fuzzy Controller274.2.1 Fuzzy controller structure274.2.2 Fuzzy type controllers30 4.3 Fuzzy controller design324.3.1 Fuzzy Control System Structure324.3.2 Determine the membership function of each variable334.3.3 Fuzzy rule table33 4.4 System Simulation Based on MATLAB39 4.5 Simulation Results and Analysis404.5.1 Fuzzy PID control system simulation results404.5.2 Comparison of two controller effects41Chapter 5 Hardware Design PID double loop DC speed control system43 5.1 SCM choice43 5.2 Main Circuit Design455.2.1 IGBT base drive circuit theory465.2.2 EXB841 drive circuit design46 5.3 Current and the speed detection circuit475.3.1 Current detection circuit475.3.2 Speed detection circuit48 5.4 Double-loop regulator circuit design495.4.1 Current conditioning circuit495.4.2 Speed conditioning circuit50 5.5 Speed input circuit51 5.6 Speed display circuit51 5.7 A/D conversion chip52 5.8 Auxiliary power circuit53Chapter 6 Software Design PID double loop DC speed control system54 6.1 System Design and Analysis Software546.1.1 STC89C52 main design546.1.2 PWM pulse width control program design56Conclusion59Thanks60References61Appendix62第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义在直流调速系统的控制中，传统的PID控制器具有稳定可靠、易于工程实现动态和静态特性优良、结构简单、物理参数明确等优点，是最早发起的控制策略之一，得到了广泛的应用。传统的PID控制过分的依赖于控制对象的模型参数，同时传统PID参数整定方法也是在获得被控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行PID参数整定的。因此系统的动态性能和鲁棒性能较差，不能有效的克服模型参数大范围变化、负载扰动、及其非线性因素的影响而难以满足高性能、高精度、高可靠性、响应快的控制要求。随着科学技术的发展，现代的工业生产过程中往往具有非线性，时变的不确定性等特征，难以建立精确的数学模型，而电动机本身就是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或者间隔等诸多非线性因素，所以应用传统的PID控制难以达到理想的控制效果。 模糊控制是一种典型的以人类思维的控制方案为基础，基于规则的智能控制方法，广泛地应用于自然科学和社会科学的许多领域，其最大的特点是将专家的经验和知识表示为语言控制规则，并用这些控制规则去控制系统，这样模糊控制器可以不依赖于被控制对象的精确数学模型，特别适宜对具有多输入多输出的强耦合性、参数的时变性和严重的非线性与不确定性的复杂系统进行有效的控制，且控制方法简单，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性。模糊PID控制结合了模糊控制和传统PID控制二者的优点，以模糊控制规则所组成的知识基础，它描述了过程控制的状态有关知识的推理机理。在实际控制中，用模糊规则和模糊激励，得到PID参数，从而使系统的动态特性和静态特性都得到了改善，以达到良好的控制效果。1.2 调速系统的发展历史与现状对可调的传动系统，按照传统电动机的类型可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机具有结构简单、价格低廉、维修简便等优点，但调速较为困难。直流电动机与交流电动机相比，它的结构复杂、价格高、维修也较麻烦，但是由于它具有较大的启动转矩和良好的起、制动性能，以及宜于在较宽的范围内实现平滑调速，所以在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。1.2.1 直流调速系统的发展过程最初的直流调速系统是采用恒定的电流和电压向直流电动机的电枢供电，通过改变直流电动机电枢回路中的电阻来实现调速的。虽然这种方法简单，容易实现，设备制造方便，价格低廉，但其缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速。20世纪30年代末，研究发现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能。但发电机电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大维修困难。1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。自从20世纪80年代中后期起，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了直流调速的发展。1.2.2 直流调速控制的发展趋势从上面直流调速系统的发展过程可以看出，直流调速控制的发展趋势主要有以下几个方面：(1)提高调速系统的单机容量。(2)提高电力电子器件的生产水平，使变流器结果变得简单。(3)提高控制单元水平，使其具有控制监视，保护诊断及其自复原等多种功能。1.3 模糊控制的理论的发展和特点1.3.1 模糊控制的发展过程模糊控制(Fuzzy control)是一种对系统控制的宏观方法，其核心是用语言描述控制规则，通常用“如果，则（if-then）”的方式来表达在实际中的专家知识和经验。if语句部分，即条件部分，是由被控条件构成的命题；then部分，即结论部分，是描述控制量的命题。模糊控制最大的特点是将专家的控制经验、知识变成语言控制规则，然后去控制系统。因而模糊控制特别适用于对数学模型未知的、复杂的、非线形的控制1。在模糊理论提出的年代，由于科学技术尤其是计算机技术发展有限及科技界对于“模糊”含义的误解，使得模糊理论没有得到应有的发展。最早应用模糊控制的是马莉皇后学院的Mamdani教授，1974年，英国的E.H.Mamdani和Assilian首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机压力和速度控制，揭开了模糊理论在控制领域的新篇章。1980年丹麦工科大学的Ostergaard等人对水泥窖的模糊控制进行了研究，F.L.Smith公司随后制造了专用的模糊控制器，采用该模糊控制器控制水泥窖并且正式投入运行。水泥窖是时变的非线性动态系统，一直难于控制。很多的研究工作者，曾经用辨识方法建立模型，但都没有获得实用的过程模型。自从F.L.Smith公司采用模糊控制取得成功之后，欧美的一些水泥制造公司也相继采用模糊控制。模糊理论的发展和计算机技术的发展是紧密相关的。没有计算机技术的发展就没有模糊理论的发展，而模糊理论又促进了计算机技术的革命。由于应用模糊理论描述模糊信息，让计算机控制技术在控制领域得到了广泛的应用，各个国家都在积极地研究模糊控制技术，我国开展模糊理论研究己有20多年的历史，并取得了很大的成果2。目前，以中国、日本、欧美为代表的各国科技人员正就以下各个方面开展深入的研究:模糊理论基础研究、模糊计算机方面的研究、机器智能化研究、人工工程的研究、人类系统和社会系统的研究及自然系统的研究。现在模糊控制已得到广泛的应用，特别是在日本，控制应用的实例有列车自动运行控制系统、净水处理系统、机器人控制、汽车速度控制、电梯群管理控制等。1.3.2 模糊控制的特点模糊控制是把熟练操作人员的实践经验加以总结和描述并用语言表达出来，是一种定性的、不精确的控制规则。用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。模糊控制之所以在短时间内得到广泛的认可和迅速的发展，主要是得益于模糊控制器的主要有以下几个方面的显著的优点：(1)不需要建立被控对象精确的数学模型，因为模糊控制是以人对被控系统的控制经验为依据而设立的控制器(2)是一种反映人类智慧思维的智能控制，模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高” 、“中” 、“低”、“大” 、“小”等，控制量由模糊推理导出。(3)容易被人们所接受，因为模糊控制的核心是模糊控制规则，这些规则是以人类语言表示的，这些规则很容易被一般人接受和理解。(4)通过选择合适的模糊控制规则、隶属度函数和不同的计算机语言编程，可以很容易地解释系统出现的某些过程与现象，处理一些不稳定因素，从而使系统变的稳定，具有良好的鲁棒性和适应性。(5)模糊控制器也具有结构简单、容易实现、便于操作和成本低等特点，在工业生产中可以实现很好的性价比。(6)模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制器均以计算机为主体，因此它兼有计算机控制系统的特点，如具有数学控制的精确性与软件不错的柔软性。模糊控制技术的发展也离不开它所需要结局的具体问题的发展，归纳起来，模糊控制技术需要解决的问题有：(1)模糊控制器的构造，目前主要有以下三种技术：采用传统的单片机或微型机作为物理基础。编制相应的软件实现模糊推理和控制；用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器；采用可编程门陈列构造模糊控制器。(2)模糊信息与精确信息转换的物理结构和方法。(3)模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术。(4)自学习模糊控制策略和智能化系统结构及其实现。(5)模糊控制器和被控对象的匹配技术。由上面可以看出模糊控制是一种人性化的方法，用模糊逻辑处理和分析现实世界问题，其结果往往更符合人的要求。用模糊控制能够容忍干扰和元件的变化，使系统的适应性更好3。1.4 论文的主要研究内容本文首先对直流电动机进行建模分析，并对直流电机双闭环调速系统结构和各部分的作用和参数进行了计算和分析。接着介绍了常规PID控制在直流双闭环调速系统中的应用，在直流双闭环调速系统中，传统的控制策略是电流调节器和转速调节器均采用PID调节器。这种控制策略能够克服负载扰动和电网电压波动。为了使控制效果更好，最后把模糊控制的控制策略应用到直流双闭环调速系统中，电流调节器仍然用PID调节器，转速环采用模糊PID控制结构。采用这种控制方法，比传统控制方法控制性能好、响应快，具有良好的动、静态品质，更强的抗干扰能力。接着MATLAB环境中，实现了两种控制方法的建模和仿真，并对两种控制方法的调速性能进行了分析和比较。第2章 直流电机双闭环调速系统结构2.1 直流电动机数学模型的建立要分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，一般可用传递函数和动态结构图来表示。建立系统的数学模型的基本步骤如下：(1)根据系统中各个环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。(2)求出各个环节的传递函数。(3)组成系统的动态结构框图，并求出系统的传递函数。对于直流闭环调速系统，其主要环节是电力电子变换器和直流电动机，下面以他励直流电动机为例分析直流电动机的数学模型，其等效电路图如图2-1所示。 图2-1 直流电机等效控制电路由图中可以看出电枢回路总电阻和电感包括电力电子变换器内阻、电枢电阻和电感以及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的方向如图所示。系统的输入量为电机电枢电压，控制系统的输入量为电机的转速，假设主电路电流连续，可以得到电枢回路的动态电压方程： (2-1)式中，：电动机电枢反电动势；：电动机电枢回路电阻；：电动机电枢回路电感；：电动机电枢回路电流。在忽略粘性摩擦及其弹性转矩的理想情况下，电机轴上动力学方程为： (2-2)额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： (2-3)和 (2-4)式中，：电动机轴上的飞轮惯量()；：电动机空载转矩在内的负载转矩()；：电动机的电势常数()；：电动机的转矩系数()，且。定义下列时间常数：电枢回路电磁时间常数(s)，；：电动机的机电时间常数(s)，。代入式(3-1)和式(3-2)，并参考式(3-3)和(3-4)，整理后可以得到： (2-5) (2-6)其中为负载电流(A),且。在零初始条件下，对式(2-5)和式(2-6)进行拉普拉斯变换，可以得到电压与电流之间和电流与电动势之间的传递函数分别为： (2-7) (2-8)将上面两式结合在一起并考虑到，可以得到在额定励磁下的直流电动机的动态结构如图2-2所示。图2-2 直流电动机的动态结构图由上图可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量，如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点前移，再进行等效变换，如图2-3(a)所示,如果是理想空载，则=0，其结构框图化简为2-3（b）。图2-3 直流电动机动态结构框图的变换和简化当电动机在无负载扰动理想空载的情况下，将上面定义的参数代入式(2-1)和式(2-2)，并参考式(2-3)和(2-4)，整理后可以得到： (2-9)在零初始条件下对式(2-9)进行拉普拉斯变换可以得到直流电动机传递函数的数学模型： (2-10)下面我们以实际的电动机为例，在其理想空载的情况下对直流电动机进行建模分析4。已知直流电动机的参数为，直流电动机：U=220V，I=55A，n=1500r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.6，晶闸管装置放大系数Ks=60，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s，电枢回路总电阻R=5.26欧，电磁时间常数Tl=0.021s，机电时间常数Tm=0.16s，转速滤波时间常数Ton=0.005s，电流滤波时间常数Toi=0.005s，电流反馈系数=0.5747V/A（8V/1.6I），转速反馈系数=0.00333V/r（5V/n）。由以上参数，可以得到直流电动机空载时候的数学模型的传递函数表达式： (2-11)2.2 直流电动机的调速方式直流电动机转速的表达式为： (2-12)式中，：电枢端电压；：电枢电流；：电枢电路总电阻；：每极磁通量；：电势常数。由式2-12可知，直流电动机转速的控制方式有以下三种：调节电枢电压：改变电枢电压从而改变转速，属于恒转矩调速方式，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速系统。改变电机主磁通：这种方法只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属于恒功率调速方法，动态响应较快，虽然能实现无级平滑调速，但是调速范围小。改变电枢电路的总电阻：在电动机电枢外电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。改变电枢电压Ua：主要通过旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制变换器这三种方式来改变电枢电压的。旋转变流机组用交流电动机和直流电动机组成机组以获得可调直流电压，只是最早的调压调速系统。具有良好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便，采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称VA系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角a，进而改变整流电压Ua的大小。达到调节直流电动机转速的目的，这种方法调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。脉宽调制变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，成为DC-DC变换器。因受大功率晶闸管最大电压、电流定额的限制，直流脉宽调速系统的最大功率只有几十千瓦，而晶闸管直流调速系统的最大功率可以达到几千千瓦，因而，它还只能在中、小容量的调速系统中取代晶闸管直流调速系统5。2.3 直流双闭环调速系统硬件结构转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PID调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。这时候就需要双闭环控制系统了6。因为双闭环采用转速和电流两个调节器，能同时存在转速和电流两种负反馈，又能分别在不同的阶段起作用。2.3.1 直流电机双闭环调速系统结构为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PID调节器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，即分别是引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联结，如图2-4所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PID调节器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm 7 。+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMTGUPEM图2-4 转速电流双闭环直流调速系统原理图图中，ASR：转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机2.3.2 转速和电流调节器的作用分析转速和电流两个调节器的作用：1.转速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它是转速n很快地跟随给定电压Un变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PID调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui（外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的8。第3章 PID控制双闭环直流调速系统的设计直流电机双闭环调速系统的设计主要是设计两个调节器。调节器的设计一般包括两个方面：第一选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；第二选择调节器的参数，以满足动态性能指标。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.1 常规PID控制器的原理常规PID控制器是指将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。通常PID控制系统由PID控制器和被控对象组成，其系统原理图如图3-1所示。图3-1 常规PID控制系统原理图由原理图可以看出，系统是根据给定值与实际的输出值构成控制的偏差：PID的控制规律为： (3-1)或写成传递