直流調(diào)速系統(tǒng)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真【作者】：門順治【作者機構(gòu)】：江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動化0704【摘要】：基于工程設(shè)計方法對直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的起動過程及參數(shù)設(shè)計，運用Simulink 進行直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真。最后顯示控制系統(tǒng)模型以及仿真結(jié)果并加以分析。【關(guān)鍵詞】：轉(zhuǎn)速環(huán)；電流環(huán)；調(diào)節(jié)器；Simulink【引言】：轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng) ,由于其靜態(tài)性能良好 ,動態(tài)響應(yīng)快 ,抗干擾能力強 ,因而在工程設(shè)計中被廣泛地采用?，F(xiàn)在直流調(diào)速理論開展得比擬成熟 ,但要真正設(shè)計好一個雙閉環(huán)調(diào)速系

2、統(tǒng)并應(yīng)用于工程設(shè)計卻有一定的難度。Matlab 是一高性能的技術(shù)計算語言 ,具有強大的科學(xué)數(shù)據(jù)可視化能力 ,其中 Simulink 具有模塊組態(tài)簡單、 性能分析直觀的優(yōu)點 ,方便了系統(tǒng)的動態(tài)模型分析。應(yīng)用Simulink 來研究雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ,可以清楚地觀察每個時刻的響應(yīng)曲線 ,所以可以通過調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)來得出較為滿意的波形 ,即良好的性能指標(biāo) ,這給分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)模型帶來很大的方便。一 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理0nnt一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩

3、與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖1所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一 個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反 圖1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)理想起動過程 饋控制規(guī)律，要控制某個量，就要引入這個量的負(fù)反應(yīng)。因此很自然地想到要采用電流負(fù)反應(yīng)控制過程。這里實際提到了兩個控制階段。起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反應(yīng)；穩(wěn)定運行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)為主。如何才能做到使電流、轉(zhuǎn)速兩種負(fù)反應(yīng)在不同的控制階段發(fā)揮作用呢？答案是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2所示。圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和

4、一些電力電子的知識，采用機理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的反應(yīng)通道和輸入端增加了轉(zhuǎn)速濾波、電流濾波和給定濾波環(huán)節(jié)。因為電流檢測信號中常含有交流成分，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)按需要而定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制檢測信號中的交流分量，但同時也個反應(yīng)檢測信號帶來延遲。所以在給定信號通道中參加一個給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號與反應(yīng)信號同步，并可使設(shè)計簡化。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，其時間常數(shù)用表示2。二 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)起動過程分析前面已經(jīng)指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過

5、程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖4所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以、和。第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使、都上升，當(dāng)后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大并使其輸出到達飽和值，強迫電流迅速上升。當(dāng)時，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使不再迅速增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快到達飽和，而ACR一般應(yīng)該

6、不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根本上保持電流恒定電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又，n，這樣才能保持=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流也須留有余地，即晶閘

7、管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計中必須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時，但由于積分作用，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)時，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)時，n到達最大值t3時刻。電動機在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小與的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用那么是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量 三 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型4,

8、5如圖7所示。、仿真波形如圖8所示。圖5 直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電氣原理仿真模型圖6 直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形四 小結(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)根本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，到達“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓波動。參考文獻：1 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，20002 周淵深主編.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.北京：中國電力出版社，20073 薛定宇主編.控制