基于MATLAB的直流电机双闭环控制系统PID参数自寻优

2015-12-27陈龙灿赵

计算机与网络 2015年7期

陈龙灿赵胜胡毅

（1 重庆邮电大学移通学:，重庆合川 401520）（2 国网宁夏电力公司中卫供电分公司，宁夏中卫 755000）（3 贵州赤天化正泰工程有限责任公司，贵州赤水 564707）

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转速、电流反馈控制的直流电机双闭环系统静、动态性能优良，在直流拖动系统中得到广泛的应用。本文提出一种基于MATLAB的针对ASR和ACR快速高效的设计方法。将MATLAB工具箱结合应用，实现基于MATLAB的直流电机双闭环控制器设计。应用Simulink对控制系统进行仿真，应用Simulink Design Optimization工具箱进行ASR和ACR的PID参数自寻优，具有一定的工程和理论设计参考意义。

双闭环；MATLAB；仿真；PID参数

1 前沿

目前,工业直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，随着计算机技术的发展，各类嵌入式控制器大量在工业中的运用，使得直流调速系统的精度和控制要求越来越高。MATLAB软件以其方便、快捷、高效等优点而风靡全球且被广泛应用于各行各业，Simulink仿真平台更是为工程设计提供了便利[1]。本文是基于MATLAB/Simulink的仿真平台，自动寻找直流电机双闭环系统中的ASR和ACR的PID最优参数。

在直流调速系统中，我们希望在启动或者制动过渡过程中，开始始终保持电流为允许的最大值，给调速系统提供最大的启动或制动转矩。但是当到达稳速之后希望电流能立即降到额定电流，使电磁转矩等于负载转矩，从而保证系统稳定运行[2]。在此基础上引入了电流负反馈（ACR）和转速负反馈（ASR）对整个系统进行调节和控制，如图1所示。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

外环ASR和内环ACR均为PI调节器，为了能够实现控制和快速的跟随，ASR和ACR均设计有限幅电路，ASR的输出电压Uim限幅决定了电流的给定值为最大，ACR的输出电压Ucm限幅限制了电力电子变换装置的最大输出电压Ud0。

2 系统参数及要求

本文研究的对象为直流双闭环调速系统，其系统参数为:

直流电动机:220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V.min/r，允许过载倍数λ=1.5，晶闸管装置放大系数Ks=40，电枢回路总电阻R=0.5，时间常数Tl=0.03s，Tm=0.18s，电流反馈系数β= 0.05V/A，转速反馈系数α=0.007V.min/r。

设计要求:稳态无静差，上升时间Tr=2.5s，调节时间Ts= 3.5s（其中±2%的范围为允许误差带），超调量σ≤5%

3 建立系统仿真模型

建立Simulink系统仿真模型图如图2所示。

图2 双闭环直流调速系统的动态仿真图

3 系统PID参数自动优化

打开两个“PID”模块，将其中的P、I、D参数均设置为Kp、Ki、Kd；在MATLAB命令窗口对这三个参数进行任意值的赋值；然后打开“Signal Constraint”模块，由“Optimization→Tuned Parameters”添加Kp、Ki、Kd这三个变量，使模块确定优化的参数对象，由“Goals→Desired Response”设置系统期望参数。点击运行，MATLAB开始运算，根据之前期望的响应自动选择最合适的PID参数，进行PID参数自寻优，其中本文中只使用了PI调节器，如果需要PID调节，设计方法相同。

根据要求，经过自寻优得出ASR和ACR中Kp=1.5748 Ki= 0.035，如图3所示，运行电机转速输出如图4所示。

图3 Signal Constraint自动寻优参数

图4 电机运行仿真图

本文中Simulink Design Optimization工具箱对ASR和ACR的PID参数进行同时自动优化，即最终得到的两个PID参数一致，这也给工程设计带来了极大的方便，不用分别对每个PID参数进行计算和优化。当系统期望的响应指标发生改变后，运用此方法仍然可以寻找适合系统的最佳PI参数。

4 结论

本文介绍了基于MATLAB的直流电机双闭环控制系统PID参数自动寻优，结合运用Simulink仿真和Simulink Design Optimization完成了控制系统的PID快速设计，控制效果能够满足设定要求，证明该方法设计周期短，开发效率高，调整和计算方便，对直流双闭环控制系统中控制器的开发具有一定的参考价值。

[1]刘春艳.闻玉凤.基于MATLAB/Simulink双闭环直流调速系统的仿真研究[N].山西大同大学学报.2014.(3):26-28

[2]阮毅.陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].机械工业出版社.2012.7