雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真課程設(shè)計用_第1頁
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文檔簡介

1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理及組成對于正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng),縮短起,制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此,在起動(或制動)過渡過程中,希望始終保持電流(電磁轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,是調(diào)速系統(tǒng)以最大的加(減)速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時,最好使電流立即降下來,使電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡,從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。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)在允許條件下的最快起動,關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值/如的恒流過程。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,采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行嵌套連接,如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流負反饋直流調(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)器一般采用PI調(diào)節(jié)器。圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.雙閉環(huán)控制系統(tǒng)起動過程分析前面已經(jīng)指出,設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程,因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時,有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*由靜止狀態(tài)起動時,轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖4所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段,整個過渡過程也就分為三個階段,在圖中表以I、II和III。第I階段:0?t是電流上升階段。突加給定電壓U*后,I上升,當I小于1 nd d負載電流IdL時電機還不能動;當Id>IdL后,電動機開始轉(zhuǎn)動,由于機電慣性的作用,轉(zhuǎn)速不會很快增長,因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓叫=U;-Un數(shù)值仍很大其輸出電壓保持限幅值Um,強迫電流Id迅速上升。直到Id-I^,U牝U?時,電流調(diào)節(jié)器ACR很快壓制了I的增加,標志著這一階段的結(jié)束。iim d在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR一般應該不飽和。圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第II階段:匕?匕是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中,ASR始終是飽和的,轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán),系統(tǒng)成為在恒流U*m給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),基本上保持電流I恒定,因此系統(tǒng)是加速度恒定,轉(zhuǎn)速呈線d性增長,同時電機的電動勢也按線性增長,對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說,正是一個線性漸增的擾動量,為了克服它的擾動,Ud和Uc也必須基本上按線性增長才能保持Id恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時,要使其輸出量按線性增長,其輸入偏差電壓必須維持一定的,即I」應略低于/血。第III階段:匕以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當轉(zhuǎn)速上升到給定值n*時,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零,但其輸出卻由于積分作用,還維持在限幅值U*m,所以電機仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后,ASR輸入偏差電壓變負,使它開始退出飽和狀態(tài),U*和I很快下降,但是,只要I仍大于I轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升,TOC\o"1-5"\h\zid d dL直到I=I轉(zhuǎn)矩T=T,貝Qdn/dt=0,轉(zhuǎn)速n才到達峰值,此時r=t,此后電ddL eL 3機開始在負載的阻力下減速,與此相應,在t~t時間段為I<I,直到運行3 4 ddL穩(wěn)定。第III階段ASR和ACR都不飽和,ASR起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用,ACR則力圖使I盡快跟隨U*,即電流環(huán)是一個電流隨動系統(tǒng)。di總上所述,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點:1) 飽和非線性控制:在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2) 轉(zhuǎn)速超調(diào):按照PI調(diào)節(jié)器的特性,只有轉(zhuǎn)速超調(diào),ASR的輸入偏差電壓AUn為負值,才能使ASR退飽和。這就是說,采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。3) 準時間最優(yōu)控制:其動態(tài)過程的主要階段是第二階段的恒流升速,其主要特征是電流保持恒定,一般選擇為電機允許的最大電流,以使充分發(fā)揮電機的過載能力,使起動最快,這個階段是有限制條件的最短時間控制。1直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計1.1系統(tǒng)組成及要求本文研究的對象為電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),其系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)參數(shù)如下:電動機:Un=220V;IN=136A;nN=1460rpm;C=0.132v/rpm;允許過載倍數(shù):人=1.5;三相橋式整流裝置放大倍數(shù):K=40;電樞回路總電阻:R^=0.5。;時間常數(shù):T[=0.03s;T=0.18ss,電流反饋系數(shù):6=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):a=0.07V/rpm設(shè)計要求:(1)穩(wěn)態(tài)指標:無靜差;(2)動態(tài)指標:電流超調(diào)量。<5%,啟動到額定轉(zhuǎn)i速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。<10%n1.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計1:確定時間常數(shù)。整流裝置滯后時間常數(shù)T三相橋式電路的平均失控時間二二0.0017s;(2)電流濾波時間常數(shù)T^三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms,為了基本濾平波頭,應該有(1?2)T.=3.33ms,因此取T.=0.002s;(3)電流環(huán)小時間常數(shù)J按小時間常數(shù)近似處理,取J=T+T.=0.0037s。圖1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2:確定將電流環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求:。<5%,而且T"T&=0.03/0.0037=8.11<10,因此設(shè)計成典型I型系統(tǒng)。3:電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(PI),其傳遞函數(shù)為吧方(S)=K(T.s+1)/T.S。4:選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):t.=T=0.03s;電流開環(huán)增益:因要求a尸5%,故取KT&=0.5,因此K=0.5/T支=0.5/0.0037=135.1s-1,于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為K=K=R/PK=1.0135:校驗近似條件電流環(huán)截止頻率七廣K=135.1s-1校驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足:七尸1/3Ts,因為1/3T,=196s-1>七,所以滿足近似條件;校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足:七>3J1/T^,由于3偵1/TT[=40.38s-1<3.,滿足近似條件;校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件:3&<(1/3)J1/TT,由于(1/3)J1/TT=180.8s-i",滿足近似條件。按照上述參數(shù),電流環(huán)滿足動態(tài)設(shè)計指標要求和近似條件。1.3速度調(diào)節(jié)器設(shè)計1:確定時間常數(shù)。(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)為2T&=0.0074s;(2)電流濾波時間常數(shù)氣根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況,取L=0.01s;(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T^按小時間常數(shù)近似處理,取T奇=2T.+T=0.0174s。2:確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié);又根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求,應按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。3:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(PI),其傳遞函數(shù)為W^r(s)=七(T^s+1)/T^s。4:選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5,則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為T&=KT^=0.087s,轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為h+1K=———=396.4s-2N2h2T2Zn所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為K=(h+D叩)11.7n 2haRTZn5:校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率①誠=Kntn=34.5s-11)校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足七〃<1/5T以,由于1/5T支=54.1s-1>七〃,滿足簡化條件;2) 校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件:七〃<(1/3\/1/2TnT.,由于(1/3)JET]]=38.75s-1>3皿,滿足近似條件。3)核算轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時,AC/Cb=81.2%,而'=!R/C=515.2rpm,因此b%=(AC/C)x20-Z)(AnT)/n*T=8.31%<10%能滿足設(shè)計要求。n maxb NZn m2系統(tǒng)仿真1.1理論計算參數(shù)仿真分析根據(jù)理論設(shè)計結(jié)果,構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型,如圖2所示。在額定轉(zhuǎn)速和空載下,對系統(tǒng)進行仿真得到電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的仿真輸出波形,如圖3。圖2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖3額定轉(zhuǎn)速空載時轉(zhuǎn)速仿真波形 圖4調(diào)整后的轉(zhuǎn)速仿真波形從圖3中可知:1:轉(zhuǎn)速超調(diào)量為25%,轉(zhuǎn)速超調(diào)量過大,系統(tǒng)相對穩(wěn)定性弱;2:整個起動過程只需0.6秒,系統(tǒng)的快速性較好。1.2仿真調(diào)試分析通過以上仿真分析,與理想的電動機起動特性相比,仿真的結(jié)果與理論設(shè)計具有差距。為什么會出現(xiàn)上述情況,從理論的設(shè)計過程中不難看出,因為在“典型系統(tǒng)的最佳設(shè)計法”時,將一些非線性環(huán)節(jié)簡化為線性環(huán)節(jié)來處理,如滯后環(huán)節(jié)近似為一階慣性,調(diào)節(jié)器的限幅輸出特性近似為線性環(huán)節(jié)等。經(jīng)過大量仿真調(diào)試,改變電流和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù),兼顧電流、轉(zhuǎn)速超調(diào)量和起動時間性能指標,找出最佳參數(shù)為:K=0.83,t.=0.022;K=8.17,t=0.3。其轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。從圖4中可知:1:轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量為6%,超調(diào)量符合要求。2:整個起動過程約為0.8秒,系統(tǒng)的快速性仍較好。3結(jié)論以上分析表明,利用matlab仿真平臺對直流調(diào)速系統(tǒng)理論設(shè)計與調(diào)試使得系統(tǒng)的性能分析過程簡單。通過對系統(tǒng)進行仿真,可以準確地了解到理論設(shè)計與實際系統(tǒng)之間的偏差,逐步改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù),得到最優(yōu)調(diào)節(jié)器參數(shù),使得系統(tǒng)的調(diào)試得到簡化,縮短了產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計周期。該仿真方法必將在直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試中得到廣泛應用。參考文獻:

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