雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)建模

《電力電子及電機拖動控制系統(tǒng)的仿真》課程論文（2016—2017學年第二學期）(雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)建模)姓名：學號：專業(yè)：指導老師：摘要Simulink掛接在MATLAB的首頁面上，它以MATLAB的強大計算功能為基礎，以直觀的模塊框圖進行仿真和計算。Simulink原本是為控制系統(tǒng)仿真而建立的工具箱，在使用中由于它易編程，易拓展，并且可以解決一般難以解決的非線性、變系數(shù)等問題；支持線性和非線性系統(tǒng)的仿真，連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，以及連續(xù)系統(tǒng)和離散混合系統(tǒng)的仿真，并且系統(tǒng)中可以有多重采樣頻率，也就是不同采樣頻率的系統(tǒng)可以組合，因此可以仿真規(guī)模較大、較復雜的系統(tǒng)。本文在分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)工作原理的基礎上，引入Simulink仿真，采用工程設計方法設計轉速-電流調節(jié)器，給出面向動態(tài)結構圖和電氣原理圖的建模和仿真，最后給出了系統(tǒng)性能優(yōu)化的方案。仿真結果滿足設計要求，驗證了理論設計方法的有效性。關鍵詞：Simulink仿真；雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)；轉速-電流調節(jié)器目錄1.選題意義 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)建模1.選題意義在工業(yè)生產(chǎn)中,需要高性能速度控制的電力拖動場合,直流調速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用。轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是20世紀60年代在國外出現(xiàn)的一種新型調速系統(tǒng)。70年代以來,在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領域得到日益廣泛的應用。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。它通過轉速和電流兩個調節(jié)器分別引入轉速負反饋和電流負反饋，并構成雙閉環(huán)系統(tǒng)。從而有效的改善電機性能，使電機特性曲線變硬，以滿足復雜環(huán)境下對電機性能的要求。20世紀90年代前的大約50年的時間里，直流電動機幾乎是唯一的一種能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機，直流電動機的定子磁場和轉子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動，制動和調速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。直流調速仍然是目前最可靠，精度最高的調速方法。在過去，人們感到自動控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應用方面卻不盡人意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機控制系統(tǒng)的應用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應用，使得復雜的運算得以實時完成。第二是在辨識，參數(shù)估值以及控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。當今是網(wǎng)絡時代，信息化的電動機自動控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺上工作，控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠程監(jiān)控和遠程故障診斷及維護提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統(tǒng)進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調節(jié)器，通過調試,并應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。根據(jù)本實驗題目的情況，宜從以下三個方面分析：1.直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型2．雙閉環(huán)直流調速的工程設計3．應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正本實驗題目所涉及的調速方案本質上是改變電樞電壓調速。該調速方法可以實現(xiàn)大范圍平滑調速，是目前直流調速系統(tǒng)采用的主要調速方案。但電機的開環(huán)運行性能（靜差率和調速范圍）遠遠不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉速降落的有效途徑。轉速反饋閉環(huán)是調速系統(tǒng)的基本反饋形式。可要實現(xiàn)高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉矩成正比關系，而轉矩又與電動機的電流成正比。因而同時對速度和電流進行控制，成為實現(xiàn)高動態(tài)性能電機控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉速、電流雙閉環(huán)的控制結構。關于工程設計：直流電機調速系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng),其設計非常復雜。本設計利用準時間最優(yōu)準則對系統(tǒng)的工程設計方法進行了分析。設計電機調速系統(tǒng)時應綜合考慮各方面的因素,按全局最優(yōu)的觀點正確選擇合理的階次。工程設計方法的基本思路是先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。應用到雙環(huán)調速系統(tǒng)中，先從電流環(huán)入手，按上述原則設計好電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個等效環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。2.系統(tǒng)工作原理轉速-電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構如圖1所示。系統(tǒng)轉速的給定信號與反饋信號的差值輸入到轉速調節(jié)器ASR，ASR的輸出作為轉矩的控制信號，其輸出與電流反饋據(jù)信號的差值作為ACR的輸入，其輸出通過整流器的觸發(fā)裝置去控制電樞電壓。啟動時，加入給定電壓Un*，ASR以飽和限幅值輸出，使電動機以限定的最大啟動電流加速啟動，直到電機轉速達到給定轉速，并在出現(xiàn)超調后，ASR退出飽和，電樞電流下降，經(jīng)過兩個調節(jié)器的綜合調節(jié)，最終使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。圖圖SEQ圖\*ARABIC1轉速-電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)對于調速系統(tǒng)轉速控制的要求有以下三個方面：(1)調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔（有級）地或平滑（無級）地調節(jié)轉速；(2)穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產(chǎn)品質量；(3)加、減速——頻繁啟、制動的設備要求盡量快地加、減速以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求啟、制動盡量平穩(wěn)。為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調速指標，叫做“調速范圍”和“靜差率”。這兩個指標合稱調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。(1)調速范圍——生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比叫做調速范圍D,D=式中：nmaxnmin(2)靜差率——當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落?nnom與理想空載轉速ns=或用百分數(shù)表示：s=顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化時轉速的穩(wěn)定度的。如果電動機機械特性很軟，轉速降落大，則靜差率大，表示系統(tǒng)對轉矩變化太敏感，即轉速的穩(wěn)定性差。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是相互平行的，對于同樣硬度的特性，即：?nnoma=?nnomb；理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。由此可知(3)調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系——在直流電動機調壓調速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉速nnom為最高轉速，若額定負載下的轉速降落為?nnoms=故得：n而調速范圍為：D=將nminD=上式表明調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，它的特性硬度或?nnom值是一定的，由上式可得，如果對靜差率要求越高，即要求3.仿真模型構建和參數(shù)設計基于晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，系統(tǒng)給定數(shù)據(jù)如下：額定電壓220V，額定電流55A，額定轉速1000r/min，電動勢系數(shù)Ce=0.1925V·min/r，允許過載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=44；電樞回路總電阻R=0.5Ω；電樞時間常數(shù)T1=0.017s，勵磁時間常數(shù)Tm=0.075s；電流反饋系數(shù)β=0.05V/A(≈10V/1.5IN)，轉速反饋系數(shù)α=0.01V?min/r（≈10V/n?N）。設計要求：①穩(wěn)態(tài)指標：3.1電流調節(jié)器設計為保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設計，采用PI調節(jié)器。設整流裝置采用三相橋式電路，平均失控時間為Ts=0.0017s，取電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，則電流環(huán)小時間常數(shù)為Ti=Ts+K電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：W3.2轉速調節(jié)器設計由于轉速穩(wěn)態(tài)無差，并依據(jù)動態(tài)要求，轉速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計，也采用PI調節(jié)器。設轉速濾波時間常數(shù)TonT選中評斷寬度h=5，ASR的超前時間常數(shù)為：τ轉速環(huán)的開環(huán)增益：K則ASR的比例系數(shù)為：K轉速調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：W在轉速-電流調節(jié)器的設計過程中，對晶閘管整流裝置近似條件、忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件、電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件以及小時間常數(shù)環(huán)節(jié)近似處理條件進行了校驗，校驗結果滿足近似條件。4.仿真結果與分析4.1面向系統(tǒng)動態(tài)結構圖的仿真及結果分析根據(jù)雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，基于MATLAB的Simulink工具箱以及電力系統(tǒng)工具箱自帶的飽和限幅的PI調節(jié)器模塊建立系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。圖圖SEQ圖\*ARABIC2面向動態(tài)結構圖的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型當給定電壓為10V時，直流電動機空載啟動，0.8s時突加60%的額定負載，系統(tǒng)轉速和電流相應曲線如圖三所示。有曲線可知，電動機啟動過程歷經(jīng)電流上升、恒流升速、轉速調節(jié)三個階段后趨于穩(wěn)定空載轉速。啟東市，在ACR的作用下電樞電流接近最大值，電動機轉速以準時間最優(yōu)準則開始上升，0.2s時轉速超調，電流很快下降，0.4s時達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)轉速為電動機額定轉速1000r/min；電流超調量σi=4.6%≤5%、轉速超調量圖圖SEQ圖\*ARABIC3面向動態(tài)結構圖的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真系統(tǒng)曲線4.2面向系統(tǒng)電氣原理圖的仿真結果及分析基于MATLAB的Simulink工具箱以及電力系統(tǒng)工具箱建立系統(tǒng)面向電氣原理圖的仿真模型，如圖4所示。該模型由三相交流電源、三相晶閘管整流橋、同步6脈沖觸發(fā)器、直流電動機、平波電抗器、給定電壓、轉速PI調節(jié)器、轉速濾波和轉速反饋等環(huán)節(jié)組成，這樣的仿真更接近于實際系統(tǒng)。圖圖SEQ圖\*ARABIC4面向電氣原理圖的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型當給定電壓為10V時，直流電動機空載啟動，0.8s時突加60%的額定負載，系統(tǒng)轉速和電流響應曲線如圖5所示。由曲線可知，電動機在空載條件下近似恒流升速，在0.18s左右上升到給定轉速并超調，轉速超調量σn圖圖SEQ圖\*ARABIC5面向電氣原理圖的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真曲線4.3系統(tǒng)性能優(yōu)化通過對以上仿真分析可知，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)李永樂轉速調節(jié)器ASR的飽和非線性實現(xiàn)了準時間最優(yōu)控制，但同時帶來了轉速超調，由此可以分析出轉速超調產(chǎn)生的原因，并通過查閱文獻，提出了解決的方法，進而通過計算機仿真驗證。通過查閱文獻可知，抑制轉速超調的方法主要有：轉速微分負反饋、轉速積分分離PI控制、轉速內?？刂埔约爸悄芸刂品椒ā１疚囊缘诙N方法進行轉速超調的抑制。傳統(tǒng)PI調節(jié)器存在快速性和退飽和超調大的矛盾，轉速調節(jié)器若采用積分分離PI控制，當系統(tǒng)偏差較大時，只有比例調節(jié)器P起作用，使系統(tǒng)具有快速響應能力；當系統(tǒng)偏差減少到一定程度時，積分I開始起作用，調節(jié)器為PI調節(jié)器。既可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，又能避免較大的退飽和超調。積分分離PI控制仿真模塊和系統(tǒng)響應曲線如圖6和圖7所示。圖圖SEQ圖\*ARABIC6積分分離PI控制仿真模塊圖圖SEQ圖\*ARABIC7轉速環(huán)積分分離PI控制時的系統(tǒng)響應曲線5.總結本次實驗課題通過測定直流電動機的各項電氣參數(shù)和時間常數(shù)，并設計轉速和電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，最后應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。通過本次實驗，了解到了自動控制系統(tǒng)中其固有傳遞函數(shù)形式多不符合典型系統(tǒng)的要求，故一般先對系統(tǒng)結構作近似處理，然后再設法用各種調節(jié)器來校正，使校正后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)成為典型I型或II型系統(tǒng)的基本形式。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)工程設計的一般步驟是：（1）先進行電流內環(huán)的設計，再進行速度外環(huán)的設計。（2）對已知系統(tǒng)的固有部分做合理的近似處理，以簡化調節(jié)器的結構。（3）根據(jù)具體情況選定預期特性，即典型I型或典型II型系統(tǒng)，并確定串聯(lián)調節(jié)器的類型。（4）根據(jù)要求的性能指標，求出調節(jié)器的參數(shù)。這