轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)專業(yè)課程設計

1、 專業(yè)課程設計論文題 目 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真 專 業(yè) 電氣工程與自動化 姓 名 班 級 學 號 2011年 月 日轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真 摘 要：本文分析了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器進行速度控制是存在的輸出限幅和轉(zhuǎn)速超調(diào)的問題，并給了解決超調(diào)問題的各種控制方案。本文針對內(nèi)模控制在閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應用，給出了實驗結(jié)果，并和常規(guī)PI調(diào)節(jié)器進行速度控制時的系統(tǒng)進行比較，使學生認識到采用合適的控制方案不僅可以成功消除電機在起動過程中的轉(zhuǎn)速超調(diào)，而且使系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng);限幅；調(diào)節(jié)器；Matlab仿真1引言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，

2、許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(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，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起制動和反轉(zhuǎn)等良好的動態(tài)性能，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求。在高性能的拖動技術(shù)領域中，相當長時期內(nèi)基本幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。開環(huán)直流調(diào)速由于自身的缺點幾乎不能滿足生產(chǎn)過程的要求，在應用廣泛的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)得到比較成熟的應用，但是受電動機負載等非線性因素的影響，傳統(tǒng)的控制策略在實際應用中難以保持設計是的性能。由于模擬控制技術(shù)的日漸成熟，又由于模糊控制不依賴于被控對

3、象的精確數(shù)字模型，能夠克服非線性因素的影響，對調(diào)節(jié)對象參數(shù)變化具有較強的魯棒性，所以將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合可以起到滿意的控制效果，在此基礎上提出自調(diào)整因子模糊控制器，根據(jù)控制的誤差值，通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)則來調(diào)整一些控制參數(shù)值，從而用于高精度直流調(diào)速系統(tǒng)中，具有響應快、超速小，對系統(tǒng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)變化適應性強的優(yōu)點。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，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，電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希

4、望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不要電流負反饋發(fā)揮主作用，因此需采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)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轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理原理為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引進轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當做電流調(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UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，它們的輸出都是帶限幅作

5、用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。各參數(shù)的理論計算a、電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，傳遞函數(shù)可以寫成：由上式可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和，其中已經(jīng)選定，可根據(jù)動態(tài)性能指標選取。在一般情況下，希望電流超調(diào)量，查表知，可選擇，則，再由公式推導得b、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和 tn。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有，因此。至于中頻寬 h 應選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定.無特殊要求時，一般可選擇h=5為好。3仿真過程仿真原理圖圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)實驗原理圖

6、在Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。1、 具體步驟a、點擊圖標，打開Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點擊，再點擊matlab help，打開一個對話框，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個文件頭為的新文件。b、點擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。2、 所用元器件及其參數(shù)設置a、 GOUND(output) 點擊 找到圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖b、 三相交流電源V1、V2、V3設置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、

7、-120、-240。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖c、 Voltage Measurement（電壓測量表）m1、m2、m3圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖d、 Constent（信號發(fā)生器）輸入一個信號，參數(shù)值各不一樣，以一種情況為例。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖e、 Synchronized 6-pulse generator同步6脈沖觸發(fā)器，由Fcn將ACR輸出轉(zhuǎn)換成脈沖控制角。而輸入端Block 用于控制觸發(fā)脈沖的輸出，在該端置“0”，則有脈沖輸出；如果設置為“1”，則沒有脈沖輸出，整流器也不會工作。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖f、 Universal

8、 Bridge普通的橋電路起著過載保護作用，防止電流過大燒壞電機。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖g、DC Machine（直流電動機）F+和F-是直流電機勵磁繞組的連接端，A+和A-是電機電樞繞組的聯(lián)結(jié)端，TL是電機負載轉(zhuǎn)矩的輸入端。m端用于輸出電機的內(nèi)部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩四項參數(shù)。修改參數(shù)電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為0.210.0021，勵磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵磁和電樞互感（Field-armature m

9、utual inductance）為0.84，轉(zhuǎn)動慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫侖摩擦轉(zhuǎn)矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖h、直流電源修改Amplitude即改變了電壓源的幅值。這里此模塊用作直流電動機的勵磁電源，幅值為220V。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖i、PI調(diào)節(jié)器分別作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR，ASR的輸出作為ACR的輸入，起到限幅的作用。 圖1

10、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖j、Gain（雙擊Gain可修改增益）圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖k、Saturation（反饋深度）圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖l、Sum（加法器）在List of Signs欄目描述加法器三路輸入的符號，其中|表示該路沒有信號，所以用|+-取代原來的符號，得到動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中所需的減法器模塊了。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖m、Demux（分接器）圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖n、scope（示波器）圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖o、仿真環(huán)境參數(shù)設置點擊選中第三個，設置環(huán)境參數(shù)。圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

11、仿真結(jié)果根據(jù)上面的步驟查找器件，連線，即可畫出原理圖，運行之后，得到如下波形。以下波形分別為轉(zhuǎn)速n，電樞電流Ia，勵磁電流If，轉(zhuǎn)矩T圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4仿真分析從上圖仿真的波形可以看出，它非常接近于理論分析的波形。從波形中也可以看出，在啟動中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和，飽和，退飽和三種情況，整個動態(tài)過程分為三個階段：電流上升階段、恒流升速階段、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。第一階段突加電壓，電樞電流迅速上升，速度調(diào)節(jié)器的輸入很快達到限幅值。第二階段，ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，保持電流恒定，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增加。第三階段，當轉(zhuǎn)速達到給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的給定電壓與

12、反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線形調(diào)節(jié)階段，使速度恒定不變，實際仿真結(jié)果基本上符合理論分析。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；它對負載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化；它對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。實驗中存在一定的誤差，由于參數(shù)的設定，線路的連接，還有仿真參數(shù)的選擇。5總結(jié)這次抽到的是直流系統(tǒng)的調(diào)速實驗，在前兩周的電力拖動的實訓課上，這個實驗已經(jīng)在實驗課臺上實際接線調(diào)試過了。那時的感覺是接線比較復雜，調(diào)節(jié)比較困難，一共有九個電位器，需調(diào)節(jié)它們使達到要求。這次用Matlab軟件進行仿真，相對來說實驗現(xiàn)象觀看的沒有那么形象，但是調(diào)節(jié)起來比較方便，沒有很大麻煩。但是對于參數(shù)計算，我不是很了解，抽象的沒有具體的好把握一點，但是工作效率提高了。這次仿真結(jié)束，我又學習了一種課題的實驗方法，用兩種不同的形式解決了同一個問題，讓我了解了學習的多元性，增加了學習的樂趣，引起了我