《直流双闭环调速系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流双闭环调速系统.doc（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目录摘要.2关键词.2引言.2双闭环调速系统的原理.3双闭环调速系统的优点.4转速、电流双闭环控制系统.5电流环与转速环的设计.8双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真.13小结16致谢16参考文献.17基于MATLAB的双闭环直流调速系统设计摘要：本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于PID控制的转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。关键词：双闭环控制系统；Simulink；电流控制环；转速控制环
2、；1.引言调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机电动机系统，又称放大机控制的发电机电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于
3、世界各国。近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。2.直流双闭环系统的原理ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢
4、电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。3双闭环调速系统优点一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平
5、衡，进入稳定运行状态1。这种理想的起动过程如图1所示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。如图2所示。0nnt 图1理想启动过程图2 双闭环直流调速控制系统原理图图3 双闭环直流调速系统动态结构图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图3所示。4转速、电流双闭环控制
6、系统tIdOtIdOnIdLnIdmIdcrn IdLnIdma带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b理想的快速起动过程图4 直流调速系统的电流、转速启动特性曲线双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统在突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图5所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当IdIdl后，电动机开始
7、转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压Un=Un数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流Id迅速上升。当时，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持=cont。由于
8、ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，但由于积分作用，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后
9、的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 图5转速和电流的过渡过程综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。3转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压
10、为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。5电流环与转速环的设计在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节3。由于典型型系统的跟随性能由于典型型系统，而典型型系统的抗扰性能优于典型型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型系统和典型系统的开环频率
11、特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。2根据具体情况选定预期特性，即典型系统或典型系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。4校正5.1电流环的设计设计分为以下几个步骤：一、电流环的简化：图6简化后电流环按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。i=Tl，Ki=（KiKs）(iR)动态结构图Id(s)+-图7动态结构图L/dB-20dB/dec-40dB/dec0图8开环对数幅频特性二、确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间
12、；（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有，因此取；（3）电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。三、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型型系统设计。四、电流调节器的结构选择电流调节器选用PI型，其传递函数为：五、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：；电流环开环增益：因为要求，故应取，因此于是，ACR的比例系数为。六、计算电流调节器的电路参数图9 电流调节器原理图电流调节器原理如图9所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：，取；，取；，取。七、校验近似条件电流环截止频率（1）校验晶闸管装置传递函
13、数的近似条件是否满足。因为，所以满足近似条件。（2）校验忽略反电动势对电流环影响是否满足。现在，满足近似条件。（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。5.2转速环的设计一、转速环的简化：IdL(s)U*n(s)an (s)+-ASRCeTmsRId (s)a /b TSns+1+-图10简化后的转速环二、确定时间常数：（1）电流环等效时间常数为；（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。三、转速环设计系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。四、转速调节器的结构选择转速调节器选用PI型，其传递函数为：。五、选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数：；转速开环增益：；于是ASR的比例系数为：。六、计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图6所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：，取；，取；，取。图11转速调节器原理图七、校验近似条件转
