雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性

在兩個封閉式電機系統(tǒng)中，通用速度和電壓控制器使用pi控制器，這不可避免地導(dǎo)致高速超調(diào)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器如果采用PID設(shè)計,微分作用的加入將有助于減小速度超調(diào),使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,減小調(diào)整時間,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。1雙環(huán)故障管理系統(tǒng)pid控制器的設(shè)計1.1u2009gfk3.4e電路控制板參數(shù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。被控對象KZS—1型可控硅實驗裝置的基本數(shù)據(jù)如下:直流電動機:Unom=220V,Inom=8.7A,nnom=1500r/min,Ce=0.132Vmin/r,允許過載倍數(shù)λ=1.6,晶閘管裝置放大系統(tǒng)KS=60,三相橋式電路的平均失控時間TS=0.00167S,電樞回路總電阻R=5.26歐,電磁時間常數(shù)Tl=0.021S,機電時間常數(shù)Tm=0.16S,轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.005S,電流濾波時間常數(shù)Toi=0.005S電流反饋系數(shù)β=0.5747V/A(8V/1.6Inom),轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.00333Vmin/r(5V/nnom)。1.2反電動勢e隨反電動勢變化的規(guī)律文獻指出,實際系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)Tl一般都遠小于機電時間常數(shù)Tm,因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多,也就是說,比反電動勢E的變化快得多,反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用,在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認為E基本不變,即ΔE≈0。這樣在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時,可暫不考慮反電動勢的反饋作用,再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效移到環(huán)內(nèi),得到忽略反電動勢影響的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)圖2。1.3電流環(huán)結(jié)構(gòu)的確定圖2表明,電流環(huán)的控制對象有三個小慣性環(huán)節(jié),且Tl>Toi>TS,要校正成典型I型系統(tǒng),應(yīng)采用PID調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為WACR(S)=Ki(τ1S+1)(τ2S+1)τ1S(1)WACR(S)=Κi(τ1S+1)(τ2S+1)τ1S(1)為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉對象的較大的時間常數(shù)極點,選擇τ1=τl=0.021(2)τ2=Toi=0.005(3)則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)為圖3的典型型式,其中KI=βKiKSτlR(4)ΚΙ=βΚiΚSτlR(4)對于典型I型系統(tǒng),希望超調(diào)量σ%≤5%,可取KI·TS=0.5,即βKiKSTSτlR=0.5(5)βΚiΚSΤSτlR=0.5(5)Ki=0.5τlRβKSTS=0.5×0.021×5.260.5747×60×0.00167=0.9591(6)Κi=0.5τlRβΚSΤS=0.5×0.021×5.260.5747×60×0.00167=0.9591(6)WACR(S)=0.9591(0.021S+1)(0.005S+1)0.021S(7)WACR(S)=0.9591(0.021S+1)(0.005S+1)0.021S(7)1.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)文獻指出,把已設(shè)計好的電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),其等效電流環(huán)為Id(S)U?i(S)=1/β2TS+1(8)Ιd(S)Ui*(S)=1/β2ΤS+1(8)原來電流環(huán)的控制對象是三個慣性環(huán)節(jié),其時間常數(shù)是Tl、Toi和TS,閉環(huán)后,整個電流環(huán)近似為只有一個小時間常數(shù)為2TS的一階慣性環(huán)節(jié),這表明,電流閉環(huán)后,改造了控制對象,加快了電流跟隨作用。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖1中的電流閉環(huán)后,再把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi),則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖4。大多數(shù)調(diào)整系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型Ⅱ型系統(tǒng)進行設(shè)計。由圖4可見,要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)采用PID調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為WASR(S)=Kn(τ1S+1)(τ2S+1)τ1SWASR(S)=Κn(τ1S+1)(τ2S+1)τ1S讓調(diào)節(jié)器零點對消掉對象的較大時間常數(shù)極點,選擇τ2=Ton=0.005S(9)這樣,調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wn(S)=KnαR(τ1S+1)τ1βCeTmS2(2TSS+1)=KN(τ1S+1)S2(2TSS+1)(10)Wn(S)=ΚnαR(τ1S+1)τ1βCeΤmS2(2ΤSS+1)=ΚΝ(τ1S+1)S2(2ΤSS+1)(10)其中,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=KnαRτ1βCeTm(11)ΚΝ=ΚnαRτ1βCeΤm(11)按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法τ1=h·(2TS)(12)KN=h+12h2(2TS)2(13)ΚΝ=h+12h2(2ΤS)2(13)選擇中頻寬h=5,由(11)～(13)式得ASR的時間常數(shù)τ1和比例系數(shù)Kn:τ1=5×2×0.00167=0.0167SKn=(h+1)βCeTm4hαRTS=(5+1)×0.5747×0.132×0.164×5×0.00333×5.26×0.00167=124.48τ1=5×2×0.00167=0.0167SΚn=(h+1)βCeΤm4hαRΤS=(5+1)×0.5747×0.132×0.164×5×0.00333×5.26×0.00167=124.48由此可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為WASR(S)=124.48(0.0167S+1)(0.005S+1)0.0167S(14)WASR(S)=124.48(0.0167S+1)(0.005S+1)0.0167S(14)由于沒有考慮反電動勢及負載對轉(zhuǎn)速環(huán)的影響,也沒有考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在突加給定后很快就會飽和這個非線性,需對(14)式的τ2=0.005進行修正,才能使雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能較好?，F(xiàn)取τ2=0.01,則WASR(S)=124.48(0.0167S+1)(0.01S+1)0.0167S(15)WASR(S)=124.48(0.0167S+1)(0.01S+1)0.0167S(15)2r/srs為了便于和按PID設(shè)計的調(diào)節(jié)器比較,現(xiàn)列出傳統(tǒng)的按PI設(shè)計的調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)GACR(S)=0.242(0.021S+1)0.021S(16)GACR(S)=0.242(0.021S+1)0.021S(16)GASR(S)=26(0.092S+1)0.092S(17)GASR(S)=26(0.092S+1)0.092S(17)3時域指標仿真把(16)和(17)式的數(shù)據(jù),作為第I組,(7)式和(15)式的數(shù)據(jù)作為第Ⅱ組。分別對這二組數(shù)據(jù),并配以滿載(-8.7A)、半載(-4.35A)和空載(0A)進行數(shù)字仿真,可得六組系統(tǒng)時域指標:上升時間tr、峰值時間tp、超調(diào)量Po和調(diào)節(jié)時間ts(2%)?，F(xiàn)列表如下:圖5是滿戴(-8.7A)下的第Ⅱ組調(diào)節(jié)器類型系統(tǒng)的時間響應(yīng)曲線。4pid控制器的超調(diào)性能在雙閉環(huán)直流調(diào)速系