雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器設計及matlab仿真驗證(

1、武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書目錄1課程設計任務及要求分析12雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)22.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹22.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成32.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性42.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型52.4.1起動過程分析52.4.2動態(tài)抗擾性能分析62.4.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器作用63雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)的設計83.1電流調節(jié)器的設計83.1.1電流調節(jié)器的工作原理及作用83.1.2電流環(huán)結構圖的簡化83.1.3確定時間常數103.1.4選擇電流調節(jié)器結構103.1.5計算電流調節(jié)器參數113.1.6檢驗近似條件113.1.7計算調節(jié)器電阻和電容

2、113.2轉速調節(jié)器的設計123.2.1轉速調節(jié)器的工作原理及作用123.2.2電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數133.2.3轉速調節(jié)器簡化143.2.4確定時間常數153.2.5選擇轉速調節(jié)器結構153.2.6計算轉速調節(jié)器參數163.2.7檢驗近似條件163.2.8計算調節(jié)器電阻和電容173.3超調量的計算174雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)matlab仿真194.1調速系統(tǒng)穩(wěn)定運行在滿磁通時系統(tǒng)仿真波形圖194.2 穩(wěn)定運行時磁場突然減半仿真框圖21235總結與體會246參考文獻25本科生課程設計成績評定表26雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器設計與matlab仿真驗證2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹

3、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，是在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的.轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)使用PI調節(jié)器，可以實現(xiàn)轉速的無靜差調速，采用電流截止負載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動時的最大電流。這對一般的要求不太高的調速系統(tǒng)，基本上已能滿足基本要求，但電流環(huán)只是在超過臨界電流值以后，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態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖 2-1-（1）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，起動（調整時間）的時間就比較長。在實際工作中為了盡快縮短過渡時間，希望能夠充分利用晶閘管元件和電動機所允許的過載能力，使起動的電流保護在最大

4、允許值上，并且始終允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖 2-1-（2）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統(tǒng)所能獲得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(1)(2) (1)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程 (2)時間最優(yōu)的理想過渡過程圖3-1 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形 實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為

5、最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是應該在啟動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋發(fā)揮作用。 2.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 為了達到2.1節(jié)分析后的目的，系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實行嵌套連接，如圖2-2所示。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)

6、器。圖2-2 轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)原理圖 圖中、轉速給定電壓和轉速反饋電壓；、電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR轉速調節(jié)器； ACR電流調節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA電流互感器；UPE電力電子變換器本設計采用三相全控橋整流電路，該電路能為電動機負載提供穩(wěn)定可靠的電源，改變控制角的大小可有效的調節(jié)轉速，由于使用了閉環(huán)控制，并且內外環(huán)均采用PI調節(jié)器，使得整個調速系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。2.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構如圖2-3所示，兩個調節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調節(jié)器。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節(jié)器AC

7、R的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調節(jié)器的作用。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和。換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入與輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(jié)狀態(tài)，其作用是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器有飽和和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要作用。當負載電流達到時對應于轉速調節(jié)器為飽和

8、輸出，這時，電流調節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動保護作用。圖2-3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉速反饋系數 電流反饋系數2.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型圖2-4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 其中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在動態(tài)結構圖中引出相應的電樞電流，而表示轉速反饋系數，表示電流反饋系數。2.4.1起動過程分析 圖2-5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形從電流與轉速變化過程所反映出的特點可以將起動過程分為電流上升、恒流升速和轉速調節(jié)三個階段：電流上升階段：突加給定電壓后，經過兩個調節(jié)器的跟隨作用，、均上升，但

9、是在沒有達到負載電流以前，電動機還不能轉動。當后，電動機開始起動，由于幾點慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓（）的數值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升直到，電流調節(jié)很快就壓制了的增長。該階段結束，此階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。恒流升速階段：此階段中，ASR始終是飽和的，轉速換相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調速系統(tǒng)，基本上保持電流很定，因而系統(tǒng)加速度恒定，轉速呈線性增長（見圖2-5）。轉速調節(jié)階段：當轉速上升到給定值是，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速

10、，使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差為負，使它開始推出飽和狀態(tài)，電動機開始在負載的阻力下調速，直到穩(wěn)態(tài)。此階段中，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節(jié)作用，而ACR則力圖使很快地跟隨其給定值。起動過程歸納的特點有：（1）飽和非線性控制 （2）轉速超調（3）準時間最優(yōu)控制2.4.2動態(tài)抗擾性能分析一般來說，對于調速系統(tǒng)，一個重要的動態(tài)性能就是抗擾性能，主要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動?？关撦d擾動：負載擾動作用在電流環(huán)后，因而只能靠轉速調節(jié)器ASR來產生抗負載擾動作用?？闺娋W電壓擾動：在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由電網電壓波動引起的轉速變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。2.4.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器

11、作用 （1）轉速調節(jié)器轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快的跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可以減小轉速誤差，若采用PI調節(jié)器，則可以實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。（2）電流調節(jié)器的作用作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。263雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)的設計3.1電流調節(jié)器的設計 3

12、.1.1電流調節(jié)器的工作原理及作用電流調節(jié)器有兩個輸入信號。一個是轉速調節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號*，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號，當突加一個很大的給定速度輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為最大值，從而電動機在加速過程中始終保持在最大轉距和最大加速度，使起、制動過程時間最短。如果電網電壓發(fā)生突變（如降低）時，整流器輸出電壓也會隨之變化（降低），引起主回路電流變化（減小），由于快速性好，立即使調節(jié)器的輸出變化（增大），則也變化（變?。?，最后使整流器輸出電壓又恢復（增加）至原來的數值，這就抑制了主回路電流的變化。也就是說，在電網電壓變化時，在電動機轉速變化之

13、前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機械負載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應較好的快速電流負反饋，當整流器電流側發(fā)生類似短路的嚴重故障時，電流負反饋也及時的把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護晶閘管和電流電動機不致因電流過大而損壞。綜上所述，電流調節(jié)器ACR的主要作用如下：(1) 對電網電壓波動起抗干擾作用 ；(2) 啟動時保證獲得容許的最大電流 Idm ；(3) 在轉速調節(jié)過程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化 ；(4) 當電機過載甚至堵轉時，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速的過流安全保護，如故障消失，系統(tǒng)能自動恢復工作。3.1.2電流環(huán)結構圖

14、的簡化電流環(huán)結構圖如圖3-1所示。圖3-1 電流環(huán)的動態(tài)結構圖由于突加給定階躍后，速度調節(jié)器輸出馬上達到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機電樞電流很快上升，相對電流來說，速度變化很緩慢。因此，可以認為反電勢產生的影響很小，令，則圖3-1通過結構圖變換，簡化為圖3-2圖3-2 電流環(huán)動態(tài)結構圖的化簡一 查表得三相橋式全控平均失控時間，電流濾波時間常數 ，電磁時間常數，和都比小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成一個慣性環(huán)節(jié)，取 則電流環(huán)結構圖最終簡化成圖3-3. 圖3-3 電流環(huán)動態(tài)結構圖的化簡二3.1.3確定時間常數1)查表可得，三相橋式電路的平均失控時間。2)三相橋式電路每個波頭的時間是，為了基

15、本濾平波頭，應有 ，因此取。3)電流環(huán)小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取3.1.4選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電路調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數為： （3-1） 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數為： （3-2） 因為，所以選擇，用調節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數點，以便矯正成典型I型系統(tǒng)，因此 （3-3） 檢查對電源電壓的抗擾性能：，查看對應表格的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。3.1.5計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求，查表可取。但由此算出的數據無法滿足轉速要求，

16、所以取。ACR的比例系數 3.1.6檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率 1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： 滿足近似條件2)檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件3)檢驗電流環(huán)小時間常數近似處理條件： 滿足近似條件3.1.7計算調節(jié)器電阻和電容電流調節(jié)器原理圖如圖4所示，所用運放?。?取 取 取 圖3-4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節(jié)器其中，為電流調節(jié)器的給定電壓，為電流負反饋電壓，調節(jié)器的輸出就是觸發(fā)裝置的控制電壓。3.2轉速調節(jié)器的設計3.2.1轉速調節(jié)器的工作原理及作用在主電機上安裝一電流測速發(fā)電機，發(fā)出正比于主電機轉速的電壓，此電壓與給定電壓相比較，其偏差送

17、到轉速調節(jié)器ASR中去，如欲調整，可以改變給定電壓。例如提高，則有較大加到ASR輸入端，ASR自動調節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移（減?。?，整流電壓提高，電動機轉速上升，與此同時，也相應增加。當等于或接近給定值時，系統(tǒng)達到平衡，電動機在給定數值下以較高的轉速穩(wěn)定轉動。如果電動機負載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動，則經過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動調節(jié)和穩(wěn)定作用。比如，當電機負載增加時，轉速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移（變?。岣?，電動機轉速上升。當其恢復到原來數值時，又等于給定電壓，系統(tǒng)又達到平衡狀態(tài)。如果擾動不是來自負載而是來自交流電網，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會按上述過程

18、進行調節(jié)，使電動機轉速維持在給定值上運行。同樣道理，當電動機負載下降，或交流電壓提高時，系統(tǒng)將按與上述相反過程進行調節(jié)，最后仍能維持電動機轉速近似不變。綜上所述，轉速調節(jié)器ASR的主要作用如下： (1) 使轉速n跟隨給定電壓 變化，保證轉速穩(wěn)態(tài)無靜差 ；(2) 對負載變化起抗干擾的作用 ；(3) 輸出限幅值決定電樞主回路的最大容許電流值 。 3.2.2電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的電流環(huán)看作是轉速調節(jié)器的一個環(huán)節(jié)，為此必須求出它的等效傳遞函數。圖3-5給出了校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)的結構圖及開環(huán)對數幅頻特性，其閉環(huán)傳遞函數為 （a) (b) 圖3-5 校正成典型 型

19、系統(tǒng)的電流環(huán) a)動態(tài)結構圖 b)開環(huán)對數幅頻特性 （3-4）采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項，可降階近似為 （3-5）由直流電動機動態(tài)結構圖知電流閉環(huán)傳遞函數為 （3-6） 因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應相應地改成 （3-7 ） 原來電流環(huán)的控制對象可以近似看成是個雙慣性環(huán)節(jié)，其時間常數是和，采用閉環(huán)控制后，整個電流環(huán)等效近似為只有較小時間常數的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流閉環(huán)后，改造了控制對象，加快了電流跟隨作用。3.2.3轉速調節(jié)器簡化圖3-6 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉速環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖6所示。由于需要實現(xiàn)轉速無靜差，而且在后面已經有一個積分

20、環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為： （3-8） 圖3-7校正為典型型系統(tǒng)3.2.4確定時間常數1)電流環(huán)等效時間常數為，設計電流調節(jié)器時已取 所以 2)轉速濾波時間常數。取。3)轉速環(huán)小時間常數。按小時間常數近似處理，取。3.2.5選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為： （3-9） 則校正后的典型型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數為： （3-10） 令轉速環(huán)開環(huán)增益為 （3-11）則 （3-12） 不考慮負載擾動時，校正后的調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖示于圖3-

21、7 3.2.6計算轉速調節(jié)器參數 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數為。轉速開環(huán)增益為 ASR的比例系數為 3.2.7檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率1)電流環(huán)傳遞函數簡化條件為 滿足簡化條件2)轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為 滿足簡化條件3.2.8計算調節(jié)器電阻和電容取，則 取 取 取含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器如圖3-8所示 圖3-8 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器3.3超調量的計算如果轉速調節(jié)器沒有飽和限幅的約束，調速系統(tǒng)可以在很大范圍內線性工作，則雙閉環(huán)系統(tǒng)起動的轉速過渡過程就會產生較大的超調量。實際上，突加給定電壓后，轉速調節(jié)器很快就進入了飽和狀態(tài)，

22、輸出恒定的限幅電壓，使電動機在恒流條件下起動，起動電流，而轉速則按線性規(guī)律增長。雖然這時起動過程要比調節(jié)器沒有限幅時慢得多，但是為了保證起動電流不超過允許值，這是必須的。 當電動機空載起動時z=0，作為轉速超調量，其基準值應該是，查表可以得出當h=5時，則可以求出轉速調節(jié)器退飽和時轉速超調量為 滿足設計要求。4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)matlab仿真利用matlab軟件的simulink模塊搭建的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖如下圖4-1所示圖4-1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型4.1調速系統(tǒng)穩(wěn)定運行在滿磁通時系統(tǒng)仿真波形圖設置與乘法器相連的階躍信號一直保持為0，如下圖4-2所示，那么相當于調速系統(tǒng)在滿磁通下正常運

23、行。此時調速系統(tǒng)的各項參數的波形如下圖4-3、4所示。圖4-2 正常運行時時階躍信號的設置圖4-3 正常情況下啟動電流、啟動轉速波形圖圖4-4 正常情況下ASR、ACR、直流電壓Ud波形圖4.2 穩(wěn)定運行時磁場突然減半仿真框圖 根據任務書的要求，我們需要仿真驗證該直流調速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時磁場突然減半仿真框圖，仿真得出啟動轉速，啟動電流，直流電壓Ud，ASR、ACR輸出電壓的波形。由課本基礎知識知道，當磁通減半時，相應的電動勢常數也隨之減半。因此，在matlab仿真結構框圖中的相應的比例放大器增大兩倍。我采用的方法是，利用一個乘法器和一個階躍信號，與直流調速系統(tǒng)正常時的比例放大器通過加合使得比例

24、放大器在調速系統(tǒng)正常運行到某一時刻加倍，也就是此時磁場突然減半的效果。我設置的時間為4s后磁場減半，如下圖4-5所示。此時系統(tǒng)中各個參數的波形如圖4-6、4-7所示。圖4-5 正常運行突然磁場減半相應階躍信號設置 圖4-6 正常運行突然磁場減半啟動電流、啟動轉速波形圖 圖4-6 正常運行突然磁場減半直流電壓Ud、ASR、ACR輸出電壓波形圖 由仿真結果波形圖進行比較，我們可以看出，當直流調速系統(tǒng)帶變負載運行時，突然磁場減半，啟動電流迅速減少后立即維持在穩(wěn)定值，轉速會有一個上升的階段，之后立即恢復原來的速度。變負載正常運行時，電路調節(jié)器和電壓調節(jié)器都輸出限幅值，但是磁場減半后，二者均退出飽和，起到各自的作用。5總結與體會 通過本次雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器及matlab仿真驗