雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

0轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)體系的模擬仿真由于電機-電源的結(jié)構(gòu)復雜，并且具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，因此在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。因而以該系統(tǒng)為例,講述多環(huán)控制系統(tǒng)的控制特點、控制規(guī)律、設(shè)計方法也成“電力拖動自動控制系統(tǒng)”(以下簡稱“電拖”)課程的一個重點,也是一個難點。在這部分教學中筆者引入了MATLAB/SIMULINK仿真工具,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型,并通過實例演示使學生深刻理解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程,以及不同的調(diào)節(jié)器給系統(tǒng)帶來的不同影響。通過這一環(huán)節(jié)的教學使學生不僅深刻了解了“電拖”中的內(nèi)容,也對MATLAB語言及SIMULINK仿真平臺有了較多的認識,增強了他們分析問題和解決問題的能力。1兩個環(huán)形電機管理系統(tǒng)的組成和simulik建模1.1穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的電流負反饋問題對于龍門刨床、可逆軋鋼機等這類需要頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng),要求快速起動與制動以提高生產(chǎn)效率。理想快速起動過程是在電機最大電流受限的條件下,充分利用電機的允許過載能力,即盡可能在過渡過程中保持電流為允許最大值,使電機以最大的加速度起動。到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,電流立即下降,使轉(zhuǎn)矩與負載相平衡,從而進入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形見圖1。實際上,由于電路電感的作用,電流不能突變,所示的理想波形只能近似地逼近。其實,為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動,只需獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。由反饋控制的原理得知,采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變,所以采用電流負反饋就可以得到近似的恒流過程。了獲得接近理想快速起動過程的起動效果,希望在起動過程中只有電流負反饋,而到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,只有轉(zhuǎn)速負反饋?？梢酝ㄟ^在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級連接來解決這一問題。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置,形成電流環(huán)為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.2其他系統(tǒng)動態(tài)仿真SIMULINK是MATLAB的一個用來進行動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng)仿真,可以進行連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、混合系統(tǒng)的動態(tài)仿真。此外,SIMULINK為用戶提供了使用系統(tǒng)模型框圖進行組態(tài)的仿真平臺。用戶只需根據(jù)所建立的數(shù)學模型,從SIMULINK模塊庫中選取合適的模塊組合在一起,并根據(jù)一些具體要求設(shè)置好各模塊參數(shù)即可進行仿真。仿真結(jié)果可以輸出波形到示波器,也可輸出數(shù)據(jù)進行深入分析。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK建模如圖2。2典型系統(tǒng)的仿真實踐許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。自動控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng),典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小,但抗擾性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些,抗擾性能卻比較好。接下來可用一個實例來說明這個問題。設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)如式(4):若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器僅僅是一個比例環(huán)節(jié),若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器必須含有一個積分環(huán)節(jié),并帶有一個比例微分環(huán)節(jié),以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié),故調(diào)節(jié)器采用如式(5)的PI調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。2.2電流環(huán)的設(shè)計原則一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。圖3很好地說明了這一點?；诖?在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題,所以一般電流環(huán)多設(shè)計為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán),穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,整流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流濾波時間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多,可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié),取T∑i=Ts+Toi。這樣,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié),要將其設(shè)計成典型Ⅰ型系統(tǒng),同理,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式(2)。如前所述,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示:3模擬示例3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出波形設(shè)一晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),整流裝置采用三相橋式電路,基本數(shù)據(jù)如下:直流電動機:220V,136A,1460r/min,Ce=0.132Vmin/r,λ=1.5晶閘管裝置放大系數(shù):Ke=40電樞回路總電阻:R=0.5Ω時間常數(shù):Tl=0.03s,Tm=0.18s電流反饋系數(shù):β=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):α=0.007Vmin/r起動過程中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出波形、電流變化波形和轉(zhuǎn)速輸出波形如圖4所示。3.2電機的動因狀態(tài)從圖4中可以清楚地看到起動過程中,電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)這三個階段。概括起來有以下幾點:(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)從起動到穩(wěn)速運行經(jīng)歷了兩個狀態(tài),即飽和限幅輸出和線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。(2)電流調(diào)節(jié)器(ACR)從起動到穩(wěn)速運行只工作在一種狀態(tài),即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。(3)如圖所示,電動機的起動特性已經(jīng)非常接近理想特性,說明該系統(tǒng)的設(shè)計對于起動特性來說已經(jīng)達到預期的要求。圖4所示情況為各控制器參數(shù)選取恰當時(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)在計算基礎(chǔ)上,根據(jù)經(jīng)驗略做修正),雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動特性。當控制器參數(shù)發(fā)生變化,雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動特性也將發(fā)生很大的變化,具體情況如圖5所示。4matlab軟件在“電拖”課中的應(yīng)用本文介紹了采用MATLAB軟件,講授轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中一些問題的方法。通過應(yīng)用SIMULINK建模