雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

0轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)體系的模擬仿真由于電機(jī)-電源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，因此在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。因而以該系統(tǒng)為例,講述多環(huán)控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)、控制規(guī)律、設(shè)計(jì)方法也成“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電拖”)課程的一個(gè)重點(diǎn),也是一個(gè)難點(diǎn)。在這部分教學(xué)中筆者引入了MATLAB/SIMULINK仿真工具,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型,并通過(guò)實(shí)例演示使學(xué)生深刻理解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程,以及不同的調(diào)節(jié)器給系統(tǒng)帶來(lái)的不同影響。通過(guò)這一環(huán)節(jié)的教學(xué)使學(xué)生不僅深刻了解了“電拖”中的內(nèi)容,也對(duì)MATLAB語(yǔ)言及SIMULINK仿真平臺(tái)有了較多的認(rèn)識(shí),增強(qiáng)了他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。1兩個(gè)環(huán)形電機(jī)管理系統(tǒng)的組成和simulik建模1.1穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的電流負(fù)反饋問(wèn)題對(duì)于龍門(mén)刨床、可逆軋鋼機(jī)等這類(lèi)需要頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng),要求快速起動(dòng)與制動(dòng)以提高生產(chǎn)效率。理想快速起動(dòng)過(guò)程是在電機(jī)最大電流受限的條件下,充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力,即盡可能在過(guò)渡過(guò)程中保持電流為允許最大值,使電機(jī)以最大的加速度起動(dòng)。到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,電流立即下降,使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡,從而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形見(jiàn)圖1。實(shí)際上,由于電路電感的作用,電流不能突變,所示的理想波形只能近似地逼近。其實(shí),為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng),只需獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程。由反饋控制的原理得知,采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變,所以采用電流負(fù)反饋就可以得到近似的恒流過(guò)程。了獲得接近理想快速起動(dòng)過(guò)程的起動(dòng)效果,希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋,而到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。可以通過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級(jí)連接來(lái)解決這一問(wèn)題。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置,形成電流環(huán)為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)的雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.2其他系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真SIMULINK是MATLAB的一個(gè)用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng)仿真,可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。此外,SIMULINK為用戶提供了使用系統(tǒng)模型框圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺(tái)。用戶只需根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型,從SIMULINK模塊庫(kù)中選取合適的模塊組合在一起,并根據(jù)一些具體要求設(shè)置好各模塊參數(shù)即可進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果可以輸出波形到示波器,也可輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK建模如圖2。2典型系統(tǒng)的仿真實(shí)踐許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱(chēng)為0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng),典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小,但抗擾性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些,抗擾性能卻比較好。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)如式(4):若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器僅僅是一個(gè)比例環(huán)節(jié),若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié),并帶有一個(gè)比例微分環(huán)節(jié),以便消除被控對(duì)象的一個(gè)慣性環(huán)節(jié),故調(diào)節(jié)器采用如式(5)的PI調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。2.2電流環(huán)的設(shè)計(jì)原則一般說(shuō)來(lái)典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。圖3很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)?；诖?在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問(wèn)題,所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán),穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差是最根本的要求,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為Ⅱ型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts和電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多,可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié),取T∑i=Ts+Toi。這樣,經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié),要將其設(shè)計(jì)成典型Ⅰ型系統(tǒng),同理,經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象形如式(2)。如前所述,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示:3模擬示例3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出波形設(shè)一晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),整流裝置采用三相橋式電路,基本數(shù)據(jù)如下:直流電動(dòng)機(jī):220V,136A,1460r/min,Ce=0.132Vmin/r,λ=1.5晶閘管裝置放大系數(shù):Ke=40電樞回路總電阻:R=0.5Ω時(shí)間常數(shù):Tl=0.03s,Tm=0.18s電流反饋系數(shù):β=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):α=0.007Vmin/r起動(dòng)過(guò)程中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出波形、電流變化波形和轉(zhuǎn)速輸出波形如圖4所示。3.2電機(jī)的動(dòng)因狀態(tài)從圖4中可以清楚地看到起動(dòng)過(guò)程中,電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)這三個(gè)階段。概括起來(lái)有以下幾點(diǎn):(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行經(jīng)歷了兩個(gè)狀態(tài),即飽和限幅輸出和線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。(2)電流調(diào)節(jié)器(ACR)從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行只工作在一種狀態(tài),即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。(3)如圖所示,電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性已經(jīng)非常接近理想特性,說(shuō)明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于起動(dòng)特性來(lái)說(shuō)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的要求。圖4所示情況為各控制器參數(shù)選取恰當(dāng)時(shí)(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)在計(jì)算基礎(chǔ)上,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)略做修正),雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)特性。當(dāng)控制器參數(shù)發(fā)生變化,雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)特性也將發(fā)生很大的變化,具體情況如圖5所示。4matlab軟件在“電拖”課中的應(yīng)用本文介紹了采用MATLAB軟件,講授轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中一些問(wèn)題的方法。通過(guò)應(yīng)用SIMULINK建模