基于simulink的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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基于simulink的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：研究了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，依照由內(nèi)到外的順序分別設(shè)計(jì)電流調(diào)理器和轉(zhuǎn)速調(diào)理器。為使系統(tǒng)無靜差，兩個(gè)調(diào)理器均選為PI調(diào)理器。在用simulink仿真的過程中，對(duì)調(diào)理器參數(shù)進(jìn)行了整定，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過仿真曲線，說明白設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速；PI調(diào)理器；參數(shù)整定；simulink

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)?，F(xiàn)在直流調(diào)速理論發(fā)展得比較成熟，但要真正設(shè)計(jì)好一個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)并應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)卻有一定的難度。本文基于simulink對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，合理選擇電流調(diào)理器和轉(zhuǎn)速調(diào)理器的結(jié)構(gòu)，調(diào)整調(diào)理器的參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)電流、轉(zhuǎn)速調(diào)理器的參數(shù)進(jìn)行了整定。本設(shè)計(jì)是在參數(shù)整定的基礎(chǔ)上得到仿真曲線，并列出多組數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

１.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地

逐步向外擴(kuò)展。先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)理器，然后把整個(gè)電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速調(diào)理系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)理器。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求：系統(tǒng)無靜差。動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求：空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σｎ≤１０％，電流超調(diào)量σｉ≤５％。

２.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

帶有電流、轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)屬多閉環(huán)系統(tǒng)，一般采用由內(nèi)到外

一環(huán)包一環(huán)的形式，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，設(shè)有電流調(diào)理器ＡＣＲ，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，設(shè)有轉(zhuǎn)速調(diào)理器ＡＳＲ，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。電流環(huán)接受速度環(huán)的輸出作為控制目標(biāo)，調(diào)理電動(dòng)機(jī)的電流以滿足既能控制電動(dòng)機(jī)以較快的速度跟蹤參考速度，又不至于產(chǎn)生過流現(xiàn)象損壞電動(dòng)機(jī)，這種結(jié)構(gòu)為工程設(shè)計(jì)以及調(diào)試工作帶來相當(dāng)大的便利。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。圖１中，給定電壓Ｕ＊ｎ＝１０Ｖ，晶閘管放大系數(shù)Ｋｓ＝４０，晶閘管失控時(shí)間Ｔｓ＝０．００１

７ｓ，電樞回路總電阻Ｒ＝０．５Ω，電磁時(shí)間常數(shù)Ｔｌ＝０．０３ｓ，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Ｔｍ＝０．１８ｓ，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ｃｅ＝０．１３２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α＝０．００７Ｖ·ｒ／ｍｉｎ，電流反饋系數(shù)β＝０．０８３Ｖ·ｒ／ｍｉｎ。

３.調(diào)理器設(shè)計(jì)

3.1電流調(diào)理器ＡＣＲ的設(shè)計(jì)

（１）電流環(huán)的設(shè)計(jì)原理。由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過

程中不超過允許值，因而在突加給定時(shí)，不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)來說，只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)，在電流調(diào)理器的快速調(diào)理過程中，可以認(rèn)為Ｅ基本不變，可以不考慮反電勢(shì)變化的影響，而將電勢(shì)反饋?zhàn)饔脭嚅_，使電流環(huán)結(jié)構(gòu)得以簡化。

（２）電流調(diào)理器ＡＣＲ的結(jié)構(gòu)選擇。為了使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)上做到無靜差以獲得理想的堵轉(zhuǎn)特性，動(dòng)態(tài)上保持電動(dòng)機(jī)電樞電流不超調(diào)，保證系統(tǒng)的跟隨性，因此選擇ＰＩ調(diào)理器，既滿足了動(dòng)態(tài)要求，又消除了靜態(tài)誤差。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

整理，得

式中，

（３）電流調(diào)理器ＡＣＲ的參數(shù)整定。固定轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)，調(diào)整電流環(huán)內(nèi)部參

數(shù)，通過屢屢試驗(yàn)，得出電流調(diào)理器最適合的參數(shù)，即Ｋｐｉ＝０．８，τｉ＝０．０２７５，σｉ＝４．２％，滿足要求。如表１和表２所示。

3.2轉(zhuǎn)速調(diào)理器ＡＳＲ的設(shè)計(jì)

（１）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)原理。轉(zhuǎn)速調(diào)理器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)理器，轉(zhuǎn)速環(huán)的目的是為了控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，它使轉(zhuǎn)速ｎ很快地跟隨給定電壓變化。（２）轉(zhuǎn)速調(diào)理器ＡＳＲ的結(jié)構(gòu)選擇。為達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)減小轉(zhuǎn)速誤差，采用ＰＩ調(diào)理器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。采用ＰＩ調(diào)理器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。ＡＳＲ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與ＡＣＲ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致，即

整理，得

式中，

（３）轉(zhuǎn)速調(diào)理器ＡＳＲ的參數(shù)整定。固定電流調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｉ＝０．８，τｉ＝０．０２７５，調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｎ，τｎ的值。通過屢屢試驗(yàn)，固定其中一個(gè)參數(shù)調(diào)理另一個(gè)參數(shù)，得到的數(shù)據(jù)如表３和表４所示。通過比較，得Ｋｐｎ＝６．７，τｎ＝０．０８７時(shí)，σｎ＝９．３％為最適合值。

綜上所述以及從各數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：當(dāng)電流調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｉ＝０．８，τｉ＝０．０２７５，轉(zhuǎn)速調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｎ＝６．７，τｎ＝０．０８７時(shí)，σｉ＝４．２％＜５％，σｎ＝９．３％＜１０％。因此，可以找到適合的參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

４.仿真結(jié)果

利用ＭＡＴＬＡＢ下的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，在仿真模型中，調(diào)整ＰＩ調(diào)理器的參數(shù)，得到超調(diào)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都達(dá)到要求的仿真曲線。（１）選擇最適合的參數(shù)，即電流調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｉ＝０．８，τｉ＝０．０２７５，轉(zhuǎn)速調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｎ＝６．７，τｎ＝０．０８７時(shí)，得到最終的系統(tǒng)仿真模型如圖２所示。

（２）仿真曲線。轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖３所示，電流仿真曲線如圖４所示。

圖2

圖3

圖4

（３）仿真結(jié)果分析。對(duì)于帶有電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真，經(jīng)過屢屢試驗(yàn)調(diào)整電流調(diào)理器、轉(zhuǎn)速調(diào)理器的參數(shù)，找到一組適合的數(shù)值，即電流調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｉ＝０．８，τｉ＝０．０２７５，轉(zhuǎn)速調(diào)理器參數(shù)Ｋｐｎ＝６．７，τｎ＝０．０８７時(shí)，使得轉(zhuǎn)速超調(diào)量σｎ≤１０％，電流超調(diào)量σｉ≤５％，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

５.結(jié)語

對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于快、準(zhǔn)、穩(wěn)的系統(tǒng)