- 相關(guān)推薦
雙閉環(huán)直流調速系統的工作原理(一)
目錄
1前言 2
2雙閉環(huán)直流調速系統的工作原理 3
2.1雙閉環(huán)直流調速系統的介紹 3
2.2雙閉環(huán)直流調速系統的組成 4
2.3雙閉環(huán)直流調速系統的穩太結構圖和靜特性 5
2.4雙閉環(huán)直流調速系統的數學(xué)模型 6
2.5雙閉環(huán)直流調速系統的起動(dòng)過(guò)程分析 7
2.6雙閉環(huán)直流調速系統的動(dòng)態(tài)性能分析 8
2.7雙閉環(huán)直流調速系統的動(dòng)態(tài)性能指標 10
2.8雙閉環(huán)直流調速系統的頻域分析 12
2.9雙閉環(huán)直流調速系統兩個(gè)調節器的作用 13
3 MATLAB語(yǔ)言及Simulink 14
3.1仿真技術(shù)的背景 14
3.2 Matlab和Simulink簡(jiǎn)介 14
3.3 Matlab建模與仿真 15
3.4 Simulink仿真工具 15
3.5控制系統計算機仿真的過(guò)程 16
4 Simulink環(huán)境中的系統模型、仿真結果及分析 18
4.1電流環(huán)的MATLAB計算及仿真 19
4.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計算及仿真 19
4.1.2繪制單位階躍擾動(dòng)響應曲線(xiàn)并計算其性能指標 20
4.1.3單位沖激信號擾動(dòng)的響應曲線(xiàn) 22
4.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真 22
4.2轉速環(huán)的MATLAB計算及仿真 24
4.2.1轉速環(huán)校正前后給定階躍響應的MATLAB計算及仿真 24
4.2.2繪制單位階躍信號擾動(dòng)響應曲線(xiàn)并計算其性能指標 26
4.2.3單位沖激信號擾動(dòng)的響應曲線(xiàn) 27
4.2.4轉速環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真 28
5總結 30
附錄 31
參考文獻 36
致謝 37
1前言
許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內進(jìn)行速度的平滑調節，并且要求具有良好的穩態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調速系統調速范圍廣、靜差率小、穩定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當長(cháng)時(shí)期內幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統。雙閉環(huán)直流調速系統是直流調速控制系統中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統。
由于該系統的結構較復雜，控制器可調參數較多，所以整個(gè)系統的設計和校正比較困難，需要有一個(gè)功能全面、分析方便的仿真設計平臺。傳統的仿真設計平臺主要是VC和Delphi等高級語(yǔ)言環(huán)境，需要做大量的底層代碼編寫(xiě)工作，很不方便，效率不高，仿真結果也不直觀(guān)。自從MATLAB的Simulink推出以后，動(dòng)態(tài)系統的仿真就變得非常容易了。因其含有極為豐富的專(zhuān)用于控制工程與系統分析的函數，具有強大的數學(xué)計算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫(huà)出系統的動(dòng)態(tài)結構圖模型，編寫(xiě)極簡(jiǎn)單的程序，即可對該系統進(jìn)行仿真，效率極高，環(huán)境友好，從而給系統的設計和校正帶來(lái)很大的方便。Matlab在學(xué)術(shù)和許多實(shí)際領(lǐng)域都得到廣泛應用，已成為國際控制界應用最廣的語(yǔ)言和工具。
本課題主要是在Simulink環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調速系統進(jìn)行仿真設計，具體內容有：對電流調節器和轉速調節器進(jìn)行校正設計；對電流環(huán)和轉速環(huán)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；對調速系統進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。
2雙閉環(huán)直流調速系統的工作原理
2.1雙閉環(huán)直流調速系統的介紹
雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動(dòng)系統。它具有動(dòng)態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環(huán)調速系統可以在保證系統穩定的條件下實(shí)現轉速無(wú)靜差。但如果對系統的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統就難以滿(mǎn)足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉矩。
在單閉環(huán)系統中，只有電流截止負反饋環(huán)節是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統起動(dòng)時(shí)的電流和轉速波形如圖2-1a所示。當電流從最大值降低下來(lái)以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(cháng)。
在實(shí)際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態(tài)運行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖2-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉速是線(xiàn)性增長(cháng)的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。
(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程
(a)Current deadline with a single negative feedback loop (b)an ideal quick start process
speed control system starting process
圖2-1 調速系統起動(dòng)過(guò)程的電流和轉速波形
Fig2-1 speed system start of the current process and speed waveform
實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規律，采用某個(gè)物理量的負反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時(shí)加到一個(gè)調節器的輸入端，到達穩態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。
2.2雙閉環(huán)直流調速系統的組成
為了實(shí)現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個(gè)調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。
該雙閉環(huán)調速系統的兩個(gè)調節器ASR和ACR一般都采用PI[1]調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態(tài)精度[1]，使系統在穩態(tài)運行時(shí)得到無(wú)靜差調速，又能提高系統的穩定性[1]；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。
圖2-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統
Fig2-2 rotation、current double closed loop
DC rotation regulation system
U*n、Un—轉速給定電壓和轉速反饋電壓
U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓
ASR—轉速調節器 ACR—電流調節器 TG—測速發(fā)電機
TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器
2.3雙閉環(huán)直流調速系統的穩太結構圖和靜特性
首先要畫(huà)出雙閉環(huán)直流系統的穩態(tài)結構圖2-3a，分析雙閉環(huán)調速系統靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調節器的穩太特征。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。當調節器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節環(huán)開(kāi)環(huán)。當調節器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓[1]在穩太時(shí)總是為零。
圖2-3a 雙閉環(huán)調速系統的穩態(tài)結構圖
Fig2-3a Double-loop speed control system of steady-state chart
—轉速反饋系數 —電流反饋系數
—Speed feedback coefficient —Current feedback coefficient
實(shí)際上，在正常運行時(shí)，電流調節器是不會(huì )達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。
（一）轉速調節器不飽和
此時(shí)兩個(gè)調節器都不飽和，穩態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都為零，即
由得：
從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。
由，且ASR不飽和得：，說(shuō)明n0-A段靜特性從(理想空載狀態(tài))一直延續到，而一般都大于額定電流的。
（二）轉速調節器飽和
此時(shí)，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統。穩態(tài)時(shí)有：
從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。
雙閉環(huán)調速系統的靜特性在負載電流小于時(shí)表現為轉速無(wú)靜差[1]，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護。
圖2-3b 雙閉環(huán)調速系統的靜特性
Fig2-3b Double-loop speed control system of static characteristics
【雙閉環(huán)直流調速系統的工作原理(一)】相關(guān)文章：
直流雙閉環(huán)可逆調速系統研究03-29
共用直流母線(xiàn)變頻調速系統在滌綸短絲線(xiàn)上的應用03-26
基于PLC的電機調速系統設計12-07
工作臺直流伺服系統控制部分(一)03-08
禽類(lèi)呼吸系統工作原理探析11-29
變電站直流監控系統的實(shí)現03-18
位能負載條件下的變頻調速系統設計12-06