转速电流双闭环直流调速仿真.doc

转速电流双闭环直流调速仿真 摘 要：本文分析了转速电流双闭环直流调速系统采用常规PI调节器进行速度控制是存在的输出限幅和转速超调的问题，并给了解决超调问题的各种控制方案。本文针对内模控制在闭环直流调速系统中的应用，给出了实验结果，并和常规PI调节器进行速度控制时的系统进行比较，使学生认识到采用合适的控制方案不仅可以成功消除电机在起动过程中的转速超调，而且使系统获得良好的动态和静态性能。关键词：双闭环直流调速系统;限幅；调节器；Matlab仿真1引言在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内基本几乎都采用直流电力拖动系统。开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求，在应用广泛的双闭环直流调速系统中，传统的PID控制已经得到比较成熟的应用，但是受电动机负载等非线性因素的影响，传统的控制策略在实际应用中难以保持设计是的性能。由于模拟控制技术的日渐成熟，又由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数字模型，能够克服非线性因素的影响，对调节对象参数变化具有较强的鲁棒性，所以将模糊控制与传统的PID控制结合可以起到满意的控制效果，在此基础上提出自调整因子模糊控制器，根据控制的误差值，通过适当的调节规则来调整一些控制参数值，从而用于高精度直流调速系统中，具有响应快、超速小，对系统参数及结构变化适应性强的优点。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2转速电流双闭环直流调速系统的原理2.1原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器分别调节转速和电流，即分别引进转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，它们的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。2.2各参数的理论计算a、电流环的控制对象是双惯性型的，传递函数可以写成：由上式可以看出，电流调节器的参数是和，其中已经选定，可根据动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量，查表知，可选择，则，再由公式推导得b、转速调节器的传递函数是：转速调节器的参数包括 Kn 和 tn。按照典型型系统的参数关系，有，因此。至于中频宽 h 应选择多少，要看动态性能的要求决定.无特殊要求时，一般可选择h=5为好。3仿真过程3.1仿真原理图图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图根据实验原理图在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。1、 具体步骤a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。2、 所用元器件及其参数设置a、 GOUND(output) 点击 找到图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图b、 三相交流电源V1、V2、V3设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图c、 Voltage Measurement（电压测量表）m1、m2、m3图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图d、 Constent（信号发生器）输入一个信号，参数值各不一样，以一种情况为例。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图e、 Synchronized 6-pulse generator同步6脉冲触发器，由Fcn将ACR输出转换成脉冲控制角。而输入端Block 用于控制触发脉冲的输出，在该端置“0”，则有脉冲输出；如果设置为“1”，则没有脉冲输出，整流器也不会工作。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图f、 Universal Bridge普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图g、DC Machine（直流电动机）F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为0.210.0021，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为146.70，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为1.9，初始角速度(initial speed)为0.1。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图h、直流电源修改Amplitude即改变了电压源的幅值。这里此模块用作直流电动机的励磁电源，幅值为220V。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图i、PI调节器分别作为转速调节器ASR和电流调节器ACR，ASR的输出作为ACR的输入，起到限幅的作用。 图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图j、Gain（双击Gain可修改增益）图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图k、Saturation（反馈深度）图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图l、Sum（加法器）在List of Signs栏目描述加法器三路输入的符号，其中|表示该路没有信号，所以用|+-取代原来的符号，得到动态结构框图中所需的减法器模块了。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图m、Demux（分接器）图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图n、scope（示波器）图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图o、仿真环境参数设置点击选中第三个，设置环境参数。图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图3.3仿真结果根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图，运行之后，得到如下波形。以下波形分别为转速n，电枢电流Ia，励磁电流If，转矩T图1 转速电流双闭环直流调速系统结构图4仿真分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接近于理论分析的波形。从波形中也可以看出，在启动中转速调节器经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，整个动态过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。第一阶段突加电压，电枢电流迅速上升，速度调节器的输入很快达到限幅值。第二阶段，ASR始终饱和，转速环相当于开环，保持电流恒定，拖动系统恒加速，转速线形增加。第三阶段，当转速达到给定值之后，转速调节器和电流调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线形调节阶段，使速度恒定不变，实际仿真结果基本上符合理论分析。转速调节器的作用是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；它对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化；它对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。实验中存在一定的误差，由于参数的设定，线路的连接，还有仿真参数的选择。5总结这次抽到的是直流系统的调速实验，在前两周的电力拖动的实训课上，这个实验已经在实验课台上实际接线调试过了。那时的感觉是接线比较复杂，调节比较困难，一共有九个电位器，需调节它们使达到要求。这次用Matlab软件进行仿真，相对来说实验现象观看的没有那么形象，但是调节起来比较方便，没有很大麻烦。但是对于参数计算，我不是很了解，抽象的没有具体的好把握一点，但是工作效率提高了。这次仿真结束，我又学习了一种课题的实验方法，用两种不同的形式解决了同一个问题，让我了解了学习的多元性，增加了学习的乐趣，引起了我的探知