三环控制系统的MATLAB设计与仿真.doc

发布时间：2022-06-12 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.86M 资料格式：doc 举报版权申诉

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引言

第一章概述

1.1 自动化技术的发展与前景

1.2 反馈控制

1.3 三环系统及其在纺织生产中的应用

第二章转速、电流双闭环直流调速系统

2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性

2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成

2.1.2 稳态结构图和静特性

(2-

图2-5 双闭环直流调速系统的静特性

(2-2)

2.1.3 稳态工作点和稳态参数计算

2.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能

2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型

2.2.2 起动过程分析

2.2.3 动态抗扰性能分析

2.2.4 转速和电流两个调节器的作用

第三章数字PID控制

3.1 PID调节器

3.1.1 比例调节器

3.1.2 比例积分调节器

3.1.3 比例积分微分调节器

(3-3)

式（3-3）中，—微分时间。

3.2 数字PID控制算法

3.3 凑试法确定PID调节参数

第四章调节器的工程设计方法

4.1 工程设计方法的基本思路

4.2 典型系统

4.3 控制系统的动态性能指标

4.4 典型Ⅰ型系统抗扰性能指标和参数的关系

4.5 典型Ⅱ型系统抗扰性能指标与参数的关系

4.6 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

4.6.1 电流调节器的设计

1. 电流环结构框图的化简

双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图4-5，它与前述的图2-6不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤

2. 电流调节器的选择

4.6.2 转速调节器的设计

1. 电流环的等效闭环传递函数

2. 转速调节器的选择

3．转速调节器的参数计算

4．转速调节器的实现

第五章三环控制系统的计算与仿真

5.1 电流环的设计和调节器的参数整定

3）电流环小时间常数之和。按小时间常数处理：

2）电流环开环增益：因设计要求 ≤5% ，取

5.2 转速环的设计与调节器的参数整定

已知条件在电流环计算中已经给出，转速调节器设计中要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量

1．确定时间常数

2．选择转速调节器结构

按照设计要求，选择比例调节器。

5. 计算调节器电阻和电容

=11.74

，取；

6. 校核转速超调量

5.3 张力环调节器的相关计算

5.4 电流环的MATLAB仿真

5.4.1 电流环的Simulink动态结构图及阶跃响应曲线

图5-2中给出了电流环的实际参数。图中在电流调节器输出端已设置了限幅装置。

5.4.2 电流环抗扰动响应过程的MATLAB仿真

5.5 转速环的MATLAB仿真

5.5.1 转速环的Simulink动态结构图及阶跃响应曲线

与电流环添加低通滤波措施一样，在转速环反馈通道与给定信号通道都添加了滤波惯性环节。图5-9为转速环的

5.5.2 双闭环系统起动过程的Simulink动态结构图及阶跃响应曲线

5.5.3转速环抗扰动过程的MATLAB仿真

5.6 张力三环控制系统的MATLAB计算及仿真

结论

参考文献

谢辞

引言轧钢、造纸、纺织、印染和化纤生产中，其加工物都是带状的，并且全都卷绕成圆筒形，为使加工物不断传送，既不堆叠又不拉断，卷绕紧密、整齐，并且保证产品加工质量，在卷绕过程中，要求在加工物内建立适宜的张力并保持恒定，这就需要张力控制系统，这种张力控制系统通常都是在转速、电流双闭环系统外再加一个张力环成为张力三环控制系统。张力控制是指能够持久地控制料带在设备上输送时张力的能力。这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速，即使在紧急停车情况下，它也有能力保证料带不产生丝毫破损。张力控制基本上分手动张力控制、开环式半自动张力控制和闭环式全自动张力控制三大类。闭环式全自动张力控制是由张力传感器直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据转换成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信号给自动控制执行单元，使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定的目的，它是目前较为先进的张力控制方法。工程自动控制中，有三种张力控制系统：直接法张力控制系统，间接法张力控制系统和复合张力控制系统。按张力偏差调节的闭环控制张力系统是直接法调节系统，这种张力闭环控制需要张力检测环节，其控制最为简便有效。为保证此控制系统运行平稳，超调量小而准确，可以使用数字 PID 控制器。PID 调节器结构简单，参数易于调整，在长期应用中积累了丰富的经验。其实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果的增量用以控制输出。目前绝大多数国产的诸如造纸、纺织、印染以及化纤等设备，都是不带张力调节的控制系统，不但车速上不去，而且生产效率也很低，并且还会影响产品质量。如果采用张力调节系统，所添元件和设备的成本低廉，可大大提高产品质量和生产效率。这种张力闭环控制系统，不仅可以提高自身理论和实际相结合的能力，还可以应用到生产实际中，为企业创造利润，使之在竞争激烈的环境中能够有充足的发展，因此对有关工业设备的更新与改造有着广泛的应用前景。 1

第一章概述自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平。在今天的社会生活中，自动化装置无所不在，为人类文明进步做出了重要贡献： 20 世纪 90 年代，实现了万米深海探测；通信和金融业已接近全面自动化；哈勃太空望远镜为研究宇宙提供了前所未有的机会；美国研制的探路者小车胜利地完成了火星表面的实地探测。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或者装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或者参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用，使系统在变化或不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。在控制技术需求推动下，控制理论本身也取得了显著进步。从线性近似到非线性系统的研究取得了新的成就，借助微分几何的固有非线性框架来研究非线性系统的控制，已成为目前重要研究方向之一；离散事件动态系统理论的形成，扩展了对离散系统的描述和分析能力；分布参数系统的研究又有了新的突破。实践证明，系统或参数识别技术对加工随机信息具有不可替代的应用价值。具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于 1868 年发表的论文当属最早的理论文献。从 20 世纪 20 年代到 40 年代形成了以时域法、频率法和根轨迹法为主要内容的“古典”控制理论。60 年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。 1.1 自动化技术的发展与前景随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。虽然现代控制理论的内容很丰富，与古典控制理论相比较，它能解决更多更复杂的控制问题，但对于单输入单输出线性定常系统而言，用古典控制 2

理论来分析和设计，仍是最实用最方便的。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，这是当前的重要前沿课题之一。另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟(仿真)和计算机辅助设计(CAD)。前面谈到的主要是针对线性系统的线性理论。近年来、在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制在实用方面也得到了很快的发展，它主要包括模糊控制和人工神经元网络等内容。总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据。 1.2 反馈控制为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一个恒定值，例如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定规律运行，例如飞机航迹、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。通常，我们把输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式，它们都有各自的特点和不同的适用场合。近十几年来，以现代数学为基础引入电子计算机的新的控制方式也有了很大发展，例如最优控制、自适应控制、模糊控制等。反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，被控量与期 3

望值趋于一致。可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，结构较为复杂，特别是系统的性能分析和设计也较为麻烦。尽管如此，它仍然是一种重要的被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种控制方式组成的系统。 1.3 三环系统及其在纺织生产中的应用实际生产中，为了满足工艺上的要求，经常在双闭环系统的基础上把调速系统设计成三环系统。例如带电流环的三环调速系统，是为了限制起动过程中最大电流上升率，以保证起动过程既快又安全；又如带电压环的三环系统也是为了获得系统的快速响应。这些系统主要用于冶金、机床等快速响应要求较高的场合。而纺织、印染生产中，由于加工对象的特殊性，大部分机台要求起制动过程尽可能平稳，即要求以稳定性为主，而对快速性一般没有特殊要求。三环系统的工作特点： 1．三环系统的整个机台是一个联合机，机台运行前织物呈松弛状态，只有当机台起动，织物拉紧后，建立起张力，张力检测环节才有反馈信号输出。对于两个传动点之间跨距较大的情况，由于织物的弹性作用，使张力的建立有一个较大的滞后。所以在系统起动后的一段时间内，张力调节器处在开环状态，容易造成张力冲击或系统不稳定。因此联合机起动时，一般暂先不投入张力环，而是先加入转速给定，使各单元进入同步运行。在保证织物拉紧，建立起一定张力后，再投入张力闭环。因此这里要单独设立一个转速给定。转速控制环使系统有较宽的调速范围，并起到抗负载扰动、稳定转速的作用。 2. 电流内环的作用与双闭环系统中的一样，可以保证系统在最大恒定电流下加速，加快起动过程，并限制最大起动电流。另外可减少电网电压波动对张力的影响。这里电流负反馈信号，具有如下作用：若被控单元是卷绕系统，则通常工艺要求卷筒内紧外松，即要求从空轴到满轴织物张力由大到小变化。如棉纶帘子布浸胶机，要求帘子布张力有 15%的变化斜率，即终了张力等于 1%～15%的起始张力。反馈信号起到了控制张力变化斜率的作用。随着卷绕进行，实际张力给定呈线性下降，调节电流反馈强度，从而达到控制张力按 15%斜率变化的要求。调节电流反馈强度，即可改变张力下降的斜率。 3. 整个系统的调整步骤与双闭环调速系统相同，也是先内环后外环依次调整。对张力环，通常先静态调整，人为对张力传感器加压到要求值，逐渐加大反馈量，一 4

则判别张力反馈极性，保证为负反馈，二则整定反馈量，使之与张力给定相匹配，使最大张力时的反馈量与最大给定张力相等。并注意在取最大张力反馈值时，张力反馈环节仍应不饱和，此后才可进行动态调整。 5

第二章转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环控制直流调速系统是一种性能很好、当前应用最广泛、最经济的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。直流双闭环调速系统广泛应用于工程实际中。 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰动性能，它对于反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但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，单闭环系统就难以满足要求。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。在单闭环系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流 dcrI 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图 2-1a 所示，起动电流突破 dcrI 以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值 dmI 后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 a) b) 图 2-1 直流调速系统起动电流和转速波形 a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 b) 理想的快速起动过程对于经常正、反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，尽量缩短起、制动过程时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电 6

流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图 2-1b，这时，起动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，图 2-1b 所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确的实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 dmI 的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。这就要求系统应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。而转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程正符合这样的条件，正因为其起动过程具有上述优点，因此是目前应用最广泛的直流调速系统。 2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别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）联接，如图 2-2 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，称为内环；转速环在外边，称为外环。这就形成了转速、电流双闭环直流调速系统。图 2-2 转速、电流双闭环直流调速系统 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 T—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器 iU —电流给定电压 nU —转速反馈电压   nU —转速给定电压 iU —电流反馈电压为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理如图 2-3 所示。 7

图 2-3 双闭环直流调速系统的电路原理图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 cU 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  imU 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 cmU 限制了电力电子变换器的最大输出电压 dmU 。 2.1.2 稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图 2-4 所示。它可以很方便地根据原理图（见图 2-3）画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征，一般存在两种情况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压 U 在稳态时总为零。图 2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 —转速反馈系数 —电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 1. 转速调节器不饱和 8

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