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雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理(一)
目錄
1前言 2
2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 3
2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 3
2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 4
2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性 5
2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 6
2.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析 7
2.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 8
2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 10
2.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析 12
2.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用 13
3 MATLAB語言及Simulink 14
3.1仿真技術(shù)的背景 14
3.2 Matlab和Simulink簡介 14
3.3 Matlab建模與仿真 15
3.4 Simulink仿真工具 15
3.5控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真的過程 16
4 Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析 18
4.1電流環(huán)的MATLAB計算及仿真 19
4.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計算及仿真 19
4.1.2繪制單位階躍擾動響應(yīng)曲線并計算其性能指標(biāo) 20
4.1.3單位沖激信號擾動的響應(yīng)曲線 22
4.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真 22
4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計算及仿真 24
4.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應(yīng)的MATLAB計算及仿真 24
4.2.2繪制單位階躍信號擾動響應(yīng)曲線并計算其性能指標(biāo) 26
4.2.3單位沖激信號擾動的響應(yīng)曲線 27
4.2.4轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真 28
5總結(jié) 30
附錄 31
參考文獻(xiàn) 36
致謝 37
1前言
許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。
由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制器可調(diào)參數(shù)較多，所以整個系統(tǒng)的設(shè)計和校正比較困難，需要有一個功能全面、分析方便的仿真設(shè)計平臺。傳統(tǒng)的仿真設(shè)計平臺主要是VC和Delphi等高級語言環(huán)境，需要做大量的底層代碼編寫工作，很不方便，效率不高，仿真結(jié)果也不直觀。自從MATLAB的Simulink推出以后，動態(tài)系統(tǒng)的仿真就變得非常容易了。因其含有極為豐富的專用于控制工程與系統(tǒng)分析的函數(shù)，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫出系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，編寫極簡單的程序，即可對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，效率極高，環(huán)境友好，從而給系統(tǒng)的設(shè)計和校正帶來很大的方便。Matlab在學(xué)術(shù)和許多實際領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，已成為國際控制界應(yīng)用最廣的語言和工具。
本課題主要是在Simulink環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計，具體內(nèi)容有：對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正設(shè)計；對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行時域和頻域分析；對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。
2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理
2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹
雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。
在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。
在實際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。
(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程
(a)Current deadline with a single negative feedback loop (b)an ideal quick start process
speed control system starting process
圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形
Fig2-1 speed system start of the current process and speed waveform
實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。
2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成
為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。
該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。
圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
Fig2-2 rotation、current double closed loop
DC rotation regulation system
U*n、Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓
U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓
ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—測速發(fā)電機(jī)
TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器
2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性
首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3a，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓[1]在穩(wěn)太時總是為零。
圖2-3a 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
Fig2-3a Double-loop speed control system of steady-state chart
—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) —電流反饋系數(shù)
—Speed feedback coefficient —Current feedback coefficient
實際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。
（一）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和
此時兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都為零，即
由得：
從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。
由，且ASR不飽和得：，說明n0-A段靜特性從(理想空載狀態(tài))一直延續(xù)到，而一般都大于額定電流的。
（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和
此時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時有：
從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。
雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差[1]，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。
圖2-3b 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性
Fig2-3b Double-loop speed control system of static characteristics
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