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雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理(一)
目錄
1前言 2
2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 3
2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 3
2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 4
2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性 5
2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 6
2.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析 7
2.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析 8
2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 10
2.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析 12
2.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 13
3 MATLAB語言及Simulink 14
3.1仿真技術(shù)的背景 14
3.2 Matlab和Simulink簡介 14
3.3 Matlab建模與仿真 15
3.4 Simulink仿真工具 15
3.5控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程 16
4 Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析 18
4.1電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真 19
4.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計(jì)算及仿真 19
4.1.2繪制單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo) 20
4.1.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線 22
4.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真 22
4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真 24
4.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應(yīng)的MATLAB計(jì)算及仿真 24
4.2.2繪制單位階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo) 26
4.2.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線 27
4.2.4轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真 28
5總結(jié) 30
附錄 31
參考文獻(xiàn) 36
致謝 37
1前言
許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)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(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。
由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制器可調(diào)參數(shù)較多，所以整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)平臺(tái)。傳統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)主要是VC和Delphi等高級(jí)語言環(huán)境，需要做大量的底層代碼編寫工作，很不方便，效率不高，仿真結(jié)果也不直觀。自從MATLAB的Simulink推出以后，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真就變得非常容易了。因其含有極為豐富的專用于控制工程與系統(tǒng)分析的函數(shù)，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，編寫極簡單的程序，即可對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，效率極高，環(huán)境友好，從而給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正帶來很大的方便。Matlab在學(xué)術(shù)和許多實(shí)際領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，已成為國際控制界應(yīng)用最廣的語言和工具。
本課題主要是在Simulink環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容有：對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正設(shè)計(jì)；對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。
2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理
2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹
雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。
在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_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(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。
在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過程波形如圖2-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。
(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程 (b)理想快速起動(dòng)過程
(a)Current deadline with a single negative feedback loop (b)an ideal quick start process
speed control system starting process
圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)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(xiàn)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[1]，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。
2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成
為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2-2所示，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。
該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。
圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
Fig2-2 rotation、current double closed loop
DC rotation regulation system
U*n、Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓
U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓
ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—測速發(fā)電機(jī)
TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器
2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性
首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3a，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓[1]在穩(wěn)太時(shí)總是為零。
圖2-3a 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
Fig2-3a Double-loop speed control system of steady-state chart
—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) —電流反饋系數(shù)
—Speed feedback coefficient —Current feedback coefficient
實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。
（一）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和
此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)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：，說明n0-A段靜特性從(理想空載狀態(tài))一直延續(xù)到，而一般都大于額定電流的。
（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和
此時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)有：
從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。
雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差[1]，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。
圖2-3b 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性
Fig2-3b Double-loop speed control system of static characteristics
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