單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的

1、學(xué) 號(hào) 天津城建大學(xué) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真2 起止日期： 2015 年 1 月 19日 至 2015 年 1 月 23 日學(xué)生姓名魏建麗班級(jí)2011級(jí)電氣3班成績(jī)指導(dǎo)教師(簽字) 控制與機(jī)械工程學(xué)院 2015年 1 月 23 日目 錄一、引言1二、 轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)22.1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性22.2反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性3三、 速度調(diào)節(jié)器的選擇43.1比例積分控制和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理53.2參數(shù)計(jì)算6四、 系統(tǒng)仿真7參考文獻(xiàn)10一、引言 直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代

2、，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。 長(zhǎng)期以來(lái)，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所

3、接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。 由于對(duì)模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對(duì)決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。 MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問(wèn)題。在Simulink中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)單，而且仿真過(guò)程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。 Sim

4、ulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問(wèn)題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對(duì)象的類型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。 傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍

5、、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從 20世紀(jì)30年代起，就開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過(guò)程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。2、 轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器，可以保證統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度無(wú)靜差。比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)

6、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍；積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。PI控制綜合了比例控制和積分控制的優(yōu)點(diǎn)：比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。在設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器時(shí)，如何選擇參數(shù)和，關(guān)鍵在于及要求PI控制調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，又要求系統(tǒng)的快速性好，同時(shí)還要求穩(wěn)態(tài)精度高和抗干擾性能好。2.1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過(guò)放大器,產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這

7、就組成了反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理框圖如圖2-1圖1 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾偏作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)你能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，假定（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入-輸出關(guān)系都是線性的，或者只再現(xiàn)性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié) 放大器 電力電子變換器 調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 測(cè)速反饋環(huán)節(jié) 2.2反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性在圖1中主要環(huán)節(jié)是電

8、力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)，電力電子變換器的兩種傳函，即晶閘管觸發(fā)與整流裝置、IGBT脈寬控制與變換裝置，其傳函完全一致，都是只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)和的數(shù)值不同而已。其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為圖2 電力電子變換器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路其中電樞回路總電阻R和電感L包含電力電子變換器內(nèi)阻，電樞電阻和電感及可能在主電路中接入的其他電阻和電感，規(guī)定的正方向如圖所示。假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 式中 -包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm） -電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（N） 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

9、， 式中 -電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A）,=。再定義下列時(shí)間常數(shù)： -電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)（s），=; -電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s），。整理以上式子，得 ， 式中 -負(fù)載電流（A），在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉普拉斯變換，得到電壓與電流間的傳遞函數(shù)為 （1）電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為 （2）式（1）和式（2）的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分別如圖（a）和（b）。將兩圖結(jié)合在一起，并考慮到，即得額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖（c）所示。圖4 直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3、 速度調(diào)節(jié)器的選擇3.1比例積分控制和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并擁有足夠的穩(wěn)定裕

10、度，同時(shí)還能滿足穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。也就是說(shuō)，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)則是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖5繪出了用運(yùn)算放大器構(gòu)成的積分調(diào)節(jié)器的原理圖，由圖可知式中積分時(shí)間常數(shù)，當(dāng)?shù)某跏贾禐榱銜r(shí)，在階躍輸入作用下，得到積分調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)間特性因而積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 a)原理圖 b）階躍輸入時(shí)的輸出時(shí)間特性圖5積分調(diào)節(jié)器在采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)電力電子變換器的控制電。只要電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行，就必須有控制電壓，因而也必須有轉(zhuǎn)速偏差電壓，這是此類調(diào)速系統(tǒng)有靜差的根本原因。如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓是轉(zhuǎn)速偏差電壓的積分。當(dāng)是階躍函數(shù)時(shí)，按線性規(guī)律增長(zhǎng)，每一

11、時(shí)刻的大小和與橫軸所包圍的面積成正比。對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)中的積分調(diào)節(jié)器，不是階躍函數(shù)，而是隨轉(zhuǎn)速不斷變化的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，隨著轉(zhuǎn)速的升高，不斷減小，但積分作用使仍繼續(xù)增長(zhǎng)，只不過(guò)的增長(zhǎng)不再是線性的了，每一時(shí)刻的大小仍和與橫軸所包圍的面積成正比。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，當(dāng)變化時(shí)，只要其極性不變，即只要仍是，積分調(diào)節(jié)器的輸出便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到，=0，才停止上升，而達(dá)到其終值。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)=0時(shí)，并不是零，而是一個(gè)終值，如果不再變化，這個(gè)終值便保持恒定而不再變化，這是積分控制不同于比例控制的特點(diǎn)。正因?yàn)槿绱?，積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。 上邊從無(wú)靜差的角度突出

12、表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是從另一方面看，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。同樣在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸的變化，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該腫么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)就行了，這便是比例積分（PI）控制。比例積分控制（PI調(diào)節(jié)器）的輸出由比例和積分兩部分疊加而成，其輸入-輸出關(guān)系為 為了使PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式更具有通用性，用表示PI調(diào)節(jié)器的輸入，表示PI調(diào)節(jié)器的輸出。其傳遞函數(shù)為 式中 -PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)； -PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。3.2參數(shù)計(jì)算1） 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定,開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足假

13、設(shè)所以，取圖6單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖其他有關(guān)參數(shù)如下：2）直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) , 電樞回路總電阻 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 3） 放大器系數(shù):電力電子變化器的等效傳函：滯后時(shí)間常數(shù) 裝置的放大系數(shù) ，給定電壓。4、 系統(tǒng)仿真圖7 單閉環(huán)無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置。動(dòng)態(tài)校正的方法很多，而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠符合要求的方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。本題采用較簡(jiǎn)單的串聯(lián)校正。無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，構(gòu)成滯后校正，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性要求差一些，采用PI調(diào)節(jié)。 圖8 擾動(dòng)前后轉(zhuǎn)矩和電流仿真圖 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后突加擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速和電流由于積分作用會(huì)大于擾動(dòng)前的穩(wěn)態(tài)值（其中藍(lán)色線代表轉(zhuǎn)矩的波形，黃色線代表電流波形）。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后，當(dāng)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由于積分作用轉(zhuǎn)速仍會(huì)帶原來(lái)位置。圖9 突加負(fù)載前后電流仿