雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)壓控制

1、目錄目錄1第一章 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成2第一節(jié) 系統(tǒng)電路原理圖2第二節(jié) 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖3第三節(jié) 系統(tǒng)的動態(tài)結構圖5第二章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的設計8第一節(jié) 電流調節(jié)器的設計9第二節(jié) 轉速調節(jié)器的設計13第三章系統(tǒng)的仿真18參考文獻22總結22第一章 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成第一節(jié) 系統(tǒng)電路原理圖轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖如圖1-1所示，圖中兩個調節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器，二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內，稱之為內環(huán)；轉速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)特性，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個

2、調節(jié)器都采用PI調節(jié)器，其原理圖如圖所示。在圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們都是按照觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uct為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。兩個調節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什決定了電流調節(jié)器ACR的給定電壓最大值，對就電機的最大電流；電流調節(jié)器ACR輸出限幅電壓限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。圖1-1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理第二節(jié) 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖1-2所示，PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除

3、非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入與輸出的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)器開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)定時總是零。在實際運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的，因此對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況。1、 轉速調節(jié)器不飽和 穩(wěn)態(tài)時，兩個調節(jié)器的輸入偏差電壓都是零，因此式中a，b 轉速和電流反饋系數由第一個關系式可得從而得到圖1-3靜特性的CA段。 與此同時，由于ASR不飽和，從上述第二個關系式可知: 。這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于額定電流Idm 的

4、。這就是靜特性的運行段，圖1-3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性它是水平的特性。 2、轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值 ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時式中，最大電流 Idm 是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于的情況，因為如果 ，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U

5、*i是由負載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。這些關系反映了PI調節(jié)器不同于P調節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據各調節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數：轉速反饋系數 電流反饋系數 兩個給定電壓的最大值和由設計者選定，設計原則如下：受運算放大器允許輸入

6、電壓和穩(wěn)壓電源的限制 為ASR的輸出限幅值第三節(jié) 系統(tǒng)的動態(tài)結構圖在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)數學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如圖1-4所示：圖1-4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)啟動時，轉速和電流的動態(tài)過程如圖1-5所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、三個階段。圖1-5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)啟動時轉速和電流的波形第I階段 電流上升的階段（0t1）：突加給定電壓 后，Id上升，當 Id 小于負載電流 IdL 時，電機還不能轉動。當 Id

7、IdL 后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流Id 迅速上升。直到，Id = Idm ， = 電流調節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第 II 階段恒流升速階段（t1t2）： 在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 給定下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。與此同時，電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量

8、，為了克服它的擾動， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。當ACR采用PI調節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id 應略低于 Idm。第 階段轉速調節(jié)階段（ t2 以后）： 當轉速上升到給定值時，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機仍在加速，使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， 和 Id 很快下降。但是，只要Id仍大于負載電流IdL ，轉速就繼續(xù)上升。直到Id = IdL時，轉矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉速n才到達峰值（t = t3時

9、）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在一小段時間內（ t t4 ）， Id IdL ，直到穩(wěn)定，如果調節(jié)器參數整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。在這最后的轉速調節(jié)階段內，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id盡快地跟隨其給定值 ，或者說，電流內環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 第二章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構圖如圖2-1所示，在它與圖1-3的不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節(jié)器的輸入，虛假低通濾波，然而在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)

10、也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，根據電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數的給定濾波環(huán)節(jié)。這樣做的意義是，讓給定信號與反饋信號經過相同的延時，是二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。其中 為電流反饋濾波時間常數為轉速反饋濾波時間常數 圖2-1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構圖系統(tǒng)設計的一般原則：“先內環(huán)后外環(huán)” ，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。

11、第一節(jié) 電流調節(jié)器的設計 在經過忽略反電動勢的動態(tài)影響，等效成單位負反饋系統(tǒng)，小慣性環(huán)節(jié)近似處理的簡化后的電流結構框圖如圖2-2所示。圖2-2 簡化后的電流環(huán)動態(tài)結構框圖圖中：為電流環(huán)小時間常數之和，。一、時間參數的確定1、電動機的電動勢系數：2、電機額定勵磁下的轉矩系數：3、電樞回路電磁時間常數：4、電力拖動系統(tǒng)機電時間常數：5、整流濾波時間常數：三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s6、電流濾波時間常數：三相橋式電路每個波頭的時間是0.0033s，為了基本慮平波頭，應有（12）Toi=0.0033s，因此取Toi=2ms=0.002s7、電流環(huán)小時間常數之和：按小時間常數近似處理，

12、取Ti=Ts+Toi=0.0037s。二、典型系統(tǒng)的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。圖2-2表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數可以寫成 式中：Ki 電流調節(jié)器的比例系數 ti 電流調節(jié)器的超前時間常數為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇，則電流環(huán)的動態(tài)結構圖便成為

13、圖2-3a所示的典型形式，其中 圖2-3b給出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數幅頻特性。a）b）圖2-3 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a） 動態(tài)結構框圖 b）開環(huán)對數幅頻特性三、計算電流調節(jié)器的參數1、ACR超前時間常數: 2、電流環(huán)開環(huán)增益：在本設計中，要求i5%時，應取，因此：于是，ACR的比例系數為：四、校驗近似條件電流環(huán)截止頻率1、晶閘管裝置傳遞函數近似條件為： =196.1滿足近似條件。2、忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件為： =59.75滿足近似條件。3、小時間常數近似條件處理條件為： =180.8滿足近似條件。五、電流調節(jié)器的實現含給定濾波和反饋濾波的模擬式電流調節(jié)器原理圖如圖2-4所示。圖

14、中：為電流給定電壓 Id 為電流負反饋電壓Uc 電力電子變換器的控制電壓圖2-4含給定濾波與反饋濾 波的PI型電流調節(jié)器則由運算放大器的電路原理可以得出，當調節(jié)器輸入電阻時，電流調節(jié)器的具體電路參數如下： ，取17，取1，取0.2第二節(jié) 轉速調節(jié)器的設計根據設計要求，轉速負反饋采用轉速微分負反饋，即在轉速反饋電路上加一個帶濾波的轉速微分環(huán)節(jié)，在轉速變化過程中，轉速負反饋和轉速微分負反饋兩個信號一起與未定信號相抵，將在比普通雙閉環(huán)系統(tǒng)更早一些的時刻達到平衡，開始退飽和，提前進入了線性閉環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而使轉速超調量減小。在將電流環(huán)簡化后，可將電流環(huán)視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，在經過忽略高次項降階

15、處理，并等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后的帶轉速微分負反饋的轉速環(huán)結構框圖如圖2-5所示。圖2-5 帶轉速微分負反饋的轉速環(huán)動態(tài)結構框圖圖中：為轉速環(huán)小時間常數之和，為轉速微分時間常數一、轉速負反饋的設計（1）時間常數的確定：1、電流環(huán)等效時間常數：2、轉速濾波時間常數 ：Ton=0.01s；3、轉速環(huán)小時間常數：按小時間常數近似處理，?。?）典型系統(tǒng)的選擇： 為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中，現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿

16、足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為式中：Kn 轉速調節(jié)器的比例系數 tn 轉速調節(jié)器的超前時間常數這樣轉速調節(jié)器的動態(tài)結構圖便成為圖2-6所示的典型形式，其中 圖2-6 校正后成為典型型系統(tǒng)的轉速環(huán)動態(tài)結構圖（3）調節(jié)器參數設計：按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取h=5，則1、 ASR的超前時間常數為：2、轉速環(huán)開環(huán)增益： 于是，ASR的比例系數: （4）檢驗近似條件：由轉速截止頻率：;1、電流環(huán)傳遞函數簡化條件： 滿足簡化條件2、 轉速環(huán)小時間常數近似條件為：滿足近似條件。（5）轉速調節(jié)器的實現： 含給定濾波和反饋濾波的PI轉速調節(jié)器原理圖如圖2-7所示

17、，圖中：為轉速給定電壓 n 為轉速負反饋電壓 為調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定電壓圖2-7 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器則由運算放大器的電路原理可以得出，當調節(jié)器輸入電阻時，電流調節(jié)器的具體電路參數如下：，取480，取，取1(6)校核轉速超調量當h=5時, ，因此滿足設計要求。第三章 系統(tǒng)的仿真 MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全

18、面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控