雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)用

1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理及組成對(duì)于正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起，制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在起動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，是調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值/如的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器。圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.雙閉環(huán)控制系統(tǒng)起動(dòng)過程分析前面已經(jīng)指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖4所示。由于在起動(dòng)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(gè)階段，整個(gè)過渡過程也就分為三個(gè)階段，在圖中表以I、II和III。第I階段：0?t是電流上升階段。突加給定電壓U*后，I上升，當(dāng)I小于1 nd d負(fù)載電流IdL時(shí)電機(jī)還不能動(dòng)；當(dāng)Id>IdL后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓叫=U;-Un數(shù)值仍很大其輸出電壓保持限幅值Um，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。直到Id-I^,U牝U?時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR很快壓制了I的增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。iim d在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和。圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第II階段：匕?匕是恒流加速階段。這一階段是起動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒流U*m給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流I恒定，因此系統(tǒng)是加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線d性增長，同時(shí)電機(jī)的電動(dòng)勢也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，正是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud和Uc也必須基本上按線性增長才能保持Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，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，即I」應(yīng)略低于/血。第III階段：匕以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值n*時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用，還維持在限幅值U*m，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，U*和I很快下降，但是，只要I仍大于I轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升，TOC\o"1-5"\h\zid d dL直到I=I轉(zhuǎn)矩T=T，貝Qdn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值，此時(shí)r=t，此后電ddL eL 3機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在t~t時(shí)間段為I＜I，直到運(yùn)行3 4 ddL穩(wěn)定。第III階段ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，ACR則力圖使I盡快跟隨U*，即電流環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)系統(tǒng)。di總上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有三個(gè)特點(diǎn)：1） 飽和非線性控制：在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)：按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓AUn為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：其動(dòng)態(tài)過程的主要階段是第二階段的恒流升速，其主要特征是電流保持恒定，一般選擇為電機(jī)允許的最大電流，以使充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，使起動(dòng)最快，這個(gè)階段是有限制條件的最短時(shí)間控制。1直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)組成及要求本文研究的對(duì)象為電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)：Un=220V；IN=136A；nN=1460rpm；C=0.132v/rpm；允許過載倍數(shù)：人=1.5；三相橋式整流裝置放大倍數(shù)：K=40；電樞回路總電阻：R^=0.5。；時(shí)間常數(shù)：T[=0.03s；T=0.18ss，電流反饋系數(shù)：6=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=0.07V/rpm設(shè)計(jì)要求：（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量。＜5%，啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)i速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。＜10%n1.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)1：確定時(shí)間常數(shù)。整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)T三相橋式電路的平均失控時(shí)間二二0.0017s；(2)電流濾波時(shí)間常數(shù)T^三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)該有(1?2)T.=3.33ms，因此取T.=0.002s；(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)J按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取J=T+T.=0.0037s。圖1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2：確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：。<5%，而且T"T&=0.03/0.0037=8.11<10，因此設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)。3：電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)，其傳遞函數(shù)為吧方(S)=K(T.s+1)/T.S。4：選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：t.=T=0.03s；電流開環(huán)增益：因要求a尸5%，故取KT&=0.5，因此K=0.5/T支=0.5/0.0037=135.1s-1，于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為K=K=R/PK=1.0135：校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率七廣K=135.1s-1校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足:七尸1/3Ts，因?yàn)?/3T，=196s-1>七，所以滿足近似條件；校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足：七>3J1/T^，由于3偵1/TT[=40.38s-1<3.，滿足近似條件；校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理是否滿足條件：3&<(1/3)J1/TT,由于（1/3）J1/TT=180.8s-i"，滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和近似條件。1.3速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)1：確定時(shí)間常數(shù)。（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2T&=0.0074s；（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)氣根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取L=0.01s；（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T^按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T奇=2T.+T=0.0174s。2：確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。3：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（PI），其傳遞函數(shù)為W^r（s）=七（T^s+1）/T^s。4：選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為T&=KT^=0.087s，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為h+1K=———=396.4s-2N2h2T2Zn所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為K=（h+D叩）11.7n 2haRTZn5：校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率①誠=Kntn=34.5s-11）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足七〃<1/5T以，由于1/5T支=54.1s-1>七〃，滿足簡化條件；2） 校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理是否滿足條件：七〃<（1/3\/1/2TnT.,由于（1/3）JET]]=38.75s-1>3皿，滿足近似條件。3）核算轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，AC/Cb=81.2%，而'=!R/C=515.2rpm，因此b%=（AC/C）x20-Z）（AnT）/n*T=8.31%<10%能滿足設(shè)計(jì)要求。n maxb NZn m2系統(tǒng)仿真1.1理論計(jì)算參數(shù)仿真分析根據(jù)理論設(shè)計(jì)結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。在額定轉(zhuǎn)速和空載下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的仿真輸出波形，如圖3。圖2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖3額定轉(zhuǎn)速空載時(shí)轉(zhuǎn)速仿真波形 圖4調(diào)整后的轉(zhuǎn)速仿真波形從圖3中可知：1：轉(zhuǎn)速超調(diào)量為25%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量過大，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性弱；2：整個(gè)起動(dòng)過程只需0.6秒，系統(tǒng)的快速性較好。1.2仿真調(diào)試分析通過以上仿真分析，與理想的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性相比，仿真的結(jié)果與理論設(shè)計(jì)具有差距。為什么會(huì)出現(xiàn)上述情況，從理論的設(shè)計(jì)過程中不難看出，因?yàn)樵凇暗湫拖到y(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)法”時(shí)，將一些非線性環(huán)節(jié)簡化為線性環(huán)節(jié)來處理，如滯后環(huán)節(jié)近似為一階慣性，調(diào)節(jié)器的限幅輸出特性近似為線性環(huán)節(jié)等。經(jīng)過大量仿真調(diào)試，改變電流和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，兼顧電流、轉(zhuǎn)速超調(diào)量和起動(dòng)時(shí)間性能指標(biāo)，找出最佳參數(shù)為：K=0.83，t.=0.022；K=8.17，t=0.3。其轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。從圖4中可知：1：轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量為6%，超調(diào)量符合要求。2：整個(gè)起動(dòng)過程約為0.8秒，系統(tǒng)的快速性仍較好。3結(jié)論以上分析表明，利用matlab仿真平臺(tái)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)與調(diào)試使得系統(tǒng)的性能分析過程簡單。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確地了解到理論設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)之間的偏差，逐步改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)的調(diào)試得到簡化，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)周期。該仿真方法必將在直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試中得到廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：