雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)性能改善的根本原因

1、南 通 大 學 電機控制技術論文題目：試論雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)性能改善的根本原因 姓 名： 于培培 班 級： 電102 學 號： 1012021037 指導教師： 吳 曉 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 南通大學電氣工程學院 2013年04月目 錄摘要.3關鍵字.3引言.3一 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)基本原理1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成. .32雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性. .43雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性. .54雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的啟動特性.6二 基于MATLAB/SIMULINK的調速系統(tǒng)的仿真1 轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的simulink仿真.62 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的simulink仿真.8

2、小結.11參考文獻.11摘 要 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是最典型的直流調速系統(tǒng),利用電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器控制,可以無限逼近理想啟動過程。本文分析了系統(tǒng)的控制原理，建立了系統(tǒng)的動態(tài)數學模型，并利用MATLAB中的Simulink進行了系統(tǒng)建模仿真,給出了仿真結果。通過對結果的分析進一步驗證了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的優(yōu)越性。關鍵字 雙閉環(huán)調速，MATLAB/Simulink仿真引 言 直流電動機具有良好的運行和控制特性，仍有廣闊的應用市場。建立在反饋控制理論基礎上的直流調速原理，也是交流調速控制的基礎。為了提高生產效率和加工質量，充分利用晶閘管元件及電動機的過載能力，要求實現理想的啟動。轉速、電流雙閉環(huán)直

3、流調速系統(tǒng)是國內外使用最廣泛的直流調速系統(tǒng)，具有啟制動快速、突加負載時動態(tài)速降小、靜態(tài)性能良好等優(yōu)點。MATLAB中的Simulink提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink已被廣泛應用于控制理論，具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，給分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)模型帶來很大的方便。本文首先闡述了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和啟動特性。然后，利用MATLAB/Simulink搭建雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型，通過仿真結果說明雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)有良好的動態(tài)特性。一 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)基本原理1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成轉速一

4、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構如圖1所示。圖中，M為直流電動機，TG為測發(fā)電機，ASR為轉速調節(jié)器，ACR為電流調節(jié)器，GT為觸發(fā)器，TA為電流互感器，VT整流裝置。Un*為轉速給定電壓，Un為轉速反饋電壓，Ui*為電流給定電壓，Ui為電流反饋電壓，Uc為控制電壓，Ud0為電樞端電壓。兩個調節(jié)器之間實行串級聯接，轉速調節(jié)器ASR的輸出是電流調節(jié)器ACR的輸入，其輸出Uc控制電力電子變換器。從閉環(huán)結構上看，轉速環(huán)在外環(huán)，電流環(huán)在內環(huán)，這就構成了轉速一電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。電動機的轉速和電流分別由兩個獨立的調節(jié)器控制，系統(tǒng)中設置了電流調節(jié)器ACR和轉速調節(jié)器ASR?？梢?，電流調節(jié)器ACR和電流檢測

5、反饋回路構成了電流環(huán)（內3環(huán)）；轉速調節(jié)器ASR和轉速檢測反饋環(huán)節(jié)構成了轉速環(huán)（外環(huán)）。ASR和ACR均為PI調節(jié)器，輸入輸出均設有限幅電路。圖1 轉速一電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性如圖2所示。在正常負載時，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的速度調節(jié)器ASR不飽和，依靠ASR的調節(jié)作用，表現為轉速無靜差，保證系統(tǒng)具有較硬的機械特性（穩(wěn)態(tài)運行無靜差）。如圖2中的n0A段。電動機負載加重時，轉速下降，ASR迅速進入飽和狀態(tài)，同時輸出限幅值。ASR失去了調節(jié)作用，轉速外環(huán)呈現開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)在固定的最大給定電流作用下，依靠電流環(huán)對電流繼續(xù)進行調節(jié)，系統(tǒng)由恒轉速變?yōu)楹汶娏髡{

6、節(jié)，如圖2中的AB段所示。實際特性如虛線所示。從靜特性上看，轉速環(huán)要求電流迅速地跟隨轉速變化，而電流環(huán)則力圖保持電流不變，這種性能有使靜特性變軟的趨勢，但它對包在外面的速度反饋環(huán)來說相當于一種擾動作用。當速度調節(jié)器ASR不飽和時，電流負反饋使靜特性可能產生的速降完全被ASR的積分作用消除。一旦ASR飽和，轉速環(huán)失去作用，僅電流環(huán)在起作用，這時系統(tǒng)表現為恒流調節(jié)系統(tǒng)。結論：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到 Idm 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。圖2 雙閉環(huán)調速系

7、統(tǒng)的靜特性3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。如果采用PI調節(jié)器，則有圖3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構ns+1WASR(s)=Knns is+1WACR(s)=Kiis 4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的啟動特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的啟動過渡過程分為啟動開始、加速、和啟動結束三個階段。轉速調節(jié)器在第一階段由不飽和到飽和、第二階段處于飽和狀態(tài)、第三階段從退飽和到線性調節(jié)狀態(tài)；而電流調節(jié)器始終處于不飽和的線性調節(jié)狀態(tài)。突加給定電壓時，轉速負反饋還來不及反映出來，轉速調節(jié)器便很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓，經過電流調節(jié)器使電機很快啟動。之后，雖然轉速

8、反饋電壓增大，但由于ASR的積分作用，只要轉速反饋電壓小于速度給定電壓，ASR輸出就維持在限幅值之上，直到轉速產生超調。因此，在啟動過程中，相當于速度環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只在電流環(huán)的恒值調節(jié)作用下，保證電機恒最大電流下啟動，直到轉速超調后速度環(huán)才開始真正發(fā)揮作用。帶電流內環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)最大限度地利用了，電機的過載能力使系統(tǒng)過渡過程最短。二 基于MATLAB/SIMULINK的調速系統(tǒng)的仿真1 轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的Simulink仿真首先，本文對轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)進行了Simulink仿真建模，如圖4所示。 各環(huán)節(jié)參數如下：直流電動機：220V,55A,1000r/min, Ce=0.192

9、 。假定晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大系數Ks=44，滯后時間常數Ts=0.00167s。電樞回路總電阻R=1.0，電樞回路電磁時間常數Tm=0.075s。轉速反饋系數為0.01。對應額定轉速時的給定電壓Un*=10V。圖4 轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)Simulink仿真圖圖5 轉速單閉環(huán)閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真結果圖2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的simulink仿真圖6 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構Simulink仿真圖根據轉速電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖，提取各元件的仿真模塊，連接模塊得到按傳遞函數仿真的雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。其中，電流環(huán)PI參數為：1.013+33.767/s，轉

10、速環(huán)PI參數為：11.7+134.48/s。雙擊階躍輸入模塊把階躍值設置為10，得到起動時的轉速與電流響應曲線，如圖7所示，最終穩(wěn)定運行于給定轉速。如把負載電流的設置為136，滿載起動，其起動轉速與電流響應曲線如圖8所示，起動時間延長，退飽和超調量減少。利用轉速環(huán)仿真模型同樣可以對轉速環(huán)抗擾過程進行仿真，它是在負載電流的輸入端加上負載電流，圖9是在空載運行是突加額定負載的轉速與電流響應曲線。圖7 轉速環(huán)空載高速起動波形圖圖8 轉速環(huán)滿載高速起動波形圖圖9 轉速環(huán)的抗擾波形圖從圖7仿真結果可以看到，電動機的啟動經歷了電流、上升、恒流升速和轉速超調后的調節(jié)三個階段。與電動機的開環(huán)系統(tǒng)相比，電動機起動電流大幅度下降，電流環(huán)發(fā)揮了調節(jié)作用，使最大電流限制在設定的范圍內。小結由圖5和圖7的對比可知，轉速、電流雙環(huán)調速系統(tǒng)具有理想的快速啟動過程。參考文獻1阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).機械工