雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

具有良好的動態(tài)平衡性能，易于在大面積內(nèi)平滑復(fù)制，在許多高性能的可控能源管理系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論與實(shí)踐上都比較成熟,從反饋閉環(huán)控制的角度來看,它又是交流調(diào)速的基礎(chǔ),所以直流調(diào)速系統(tǒng)仍具有廣闊的應(yīng)用前景。調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計主要是設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程可分為兩步:第一步,先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),以確保系統(tǒng)穩(wěn)定,同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步,選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù),以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。本文在選擇好調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)之后,采用MATLAB編程,編制了函數(shù)current和speed,調(diào)用該函數(shù),即可返回兩個調(diào)節(jié)器的參數(shù),大大提高了系統(tǒng)的設(shè)計效率。最后采用Simulink進(jìn)行仿真,得到系統(tǒng)的起動波形。由仿真結(jié)果可以看出,采用本文編制的兩個函數(shù),能夠得到滿意的結(jié)果,由此證明了其可行性。1發(fā)電發(fā)電機(jī)的類型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖1所示,其中,ST為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,LT為電流調(diào)節(jié)器,TG為測速發(fā)電機(jī),TA為電流互感器,KZ為觸發(fā)裝置,Ugn為給定電壓。兩個調(diào)節(jié)器之間實(shí)行串級聯(lián)接,轉(zhuǎn)速環(huán)在外環(huán),電流環(huán)在內(nèi)環(huán),即構(gòu)成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器cur治理雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計的一般方法是:先設(shè)計內(nèi)環(huán),后設(shè)計外環(huán)。即先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流環(huán)的主要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因此在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好,所以應(yīng)把電流環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)。設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的函數(shù)current程序清單如下:function[Ti,ki]=current(Tl,Th,ks,R,b)Ti=Tl;KI=0.5/Th;ki=(KI*Ti*R)/(ks*b).3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)函數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇可以依據(jù)兩個方面:一方面,為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差;另一方面,為了提高系統(tǒng)的抗干擾性。從這兩個角度出發(fā),應(yīng)把轉(zhuǎn)速調(diào)環(huán)設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)。設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的函數(shù)speed程序清單如下:function[Tn,kn]=speed(h,Thn,a,b,Tm,Ce,R)Tn=h*Thn;KN=(h+1)/[2*(h^2)*(Thn^2)];kn=(KN*Tn*b*Ce*Tm)/(a*R).4數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)某調(diào)速系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下。直流電動機(jī):220V、136A、1460r/min、Ce=0.132.晶閘管裝置放大系數(shù):ks=40.電樞回路總電阻:R=0.5Ω.時間常數(shù):Tl=0.03s,Tm=0.18s.電流反饋系數(shù):b=0.05V/A.轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):a=0.007.電流濾波時間常數(shù):Toi=0.002s.轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù):Ton=0.01s.設(shè)計要求:穩(wěn)態(tài)無靜差,電流超調(diào)量小于5%,起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%.在MATLAB命令窗口輸入已知參數(shù),并調(diào)用函數(shù)current和speed,可返回兩個調(diào)節(jié)器的參數(shù):ki=1.013,Ti=0.03,kn=11.7,Tn=0.087.建立仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。調(diào)速系統(tǒng)突加控制作用由靜止?fàn)顟B(tài)起動時,轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖3和圖4所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段,整個過渡過程也就分成三個階段。第一階段:電流從零上升到最大值。突加給定電壓后,通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用,電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用,轉(zhuǎn)速的增長不會很快,使得ST由不飽和很快達(dá)到飽和,強(qiáng)迫電流迅速上升,而LT一般不飽和,以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第二階段:恒流升速階段。本階段是起動過程的主要階段,在此過程中,ST一直處于飽和狀態(tài),轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),電流基本恒定,轉(zhuǎn)速線性增長。第三階段:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。本階段從轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值開始,在最大電流的作用下,電動機(jī)仍然加速,必然使轉(zhuǎn)速超調(diào),從而使ST退出飽和狀態(tài),此時,ST和LT都不飽和,同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速環(huán)在外環(huán),ST處于主導(dǎo)地位。綜上所述,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點(diǎn):(1)無靜差控制t飽隨著ST的飽和與不飽和,整個系統(tǒng)處于兩種完全不同的狀態(tài)。當(dāng)ST飽和時,轉(zhuǎn)速開環(huán),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng);當(dāng)ST不飽和時,轉(zhuǎn)速閉環(huán),整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)。這種在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng),就是飽和非線性控制的特征。(2)最佳最佳時間控制起動過程的主要階段是第二階段,它的特征是電流保持為允許的最大值,使起動過程盡可能最快,稱為時間最優(yōu)控制。(3)啟動調(diào)試起動過程進(jìn)入第三階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),因此轉(zhuǎn)速必然超調(diào)。5設(shè)計結(jié)果清明圖在MATLAB環(huán)境下設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)方法容