双闭环直流调速系统

目录一、绪论1二、双闭环直流调速系统工作原理22.1 双闭环直流调速系统的介绍22.2 双闭环直流调速系统的组成22.3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图32.4 双闭环直流调速系统的数学模型42.5 双闭环直流调速系统两个调节器的作用4三、系统参数计算53.2电流调节器的设计52.电流调节器结构的选择63.计算电流调节器的参数63.3转速调节器的设计7四、MATLAB仿真74.1 空载时的仿真84.2 负载时的仿真94.3突加负载时仿真10五、 总结12六、 参考文献13一、绪论闭环控制系统是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，后反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器后放大，再控制伺服驱动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动。这种系统称为闭环伺服系统。在单闭环的系统中，由于不能随心所欲的控制电流和转速的动态过程，因此不适用与要求调速性能较高的场合。为了使系统在启动、制动的动态过程中，在最大的电流约束下，获得直流电动机最佳速度调节过程，就引入了转速 、电流负反馈双闭环直流调速系统,使得在电动机起动时转速调节器(ASR)饱和, ASR不起作用 ,电流环调节器 (ACR)起主要作用 , 用以调节起动电流并使之保持最大值,使得转速线性变化,迅速上升到给定值 ;在电动机稳定运行时 , ASR退出饱和状态,开始起主要调节作用 , 使转速跟随给定信号变化 ,电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。但是 , 双闭环直流调速系统硬件的电气结构复杂 ,在研究和设计的过程中 ,许多参数的选择需要反复调试 , 需要我们花费大量的时间和精力。而运用计算机仿真技术对系统进行仿真 , 可以方便地对参数进行设置 ,得到合理的参数组合,为系统的实现提供理论依据 。鉴于上述理由 ,本文提出种面向控制系统电气原理结构图的转速 、电流双闭环不可逆直流调速系统仿真的新方法 。使用 Matlab/Simulink中的 SimPowerSystems工具箱,用户不需要自己编程且不需推导系统的动态数学模型, 只需要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件 ,按电气系统的结构进行连接即可。系统的建模过程接近实际系统的搭建过程,且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性,仿真结果的可信度很高,而且由于仿真模型是图形化的 ,面向对象的,非常适合本次课程设计的研究。二、双闭环直流调速系统工作原理2.1 双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1 调速系统起动过程的电流和转速波形 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Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用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，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。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。2.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2 转速、电流双闭环直流调速系统U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压ASR转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变换器该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器，如图3所示。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图3 双闭环直流调速系统电路原理图2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流调速系统的稳态结构如图4所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的 输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。PI调节器的稳态特征一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U稳态时总是为零。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。实际上，在正常运行时，为了实现电流的实时控制和快速跟随，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 2.4 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。图5 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的实际动态结构框图如图5所示，它与图4的不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。2.5 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1)转速调节器的作用（1）使转速n跟随给定电压U*m 变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用 （1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U*i变化。 （2）对电网电压波动起及时抗扰作用。 （3）起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动。 （4）当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。三、系统参数计算根据双闭环直流调速系统的动态结构框图可知： 转速调节器的传递函数； 电流调节器的传递函数； 晶闸管整流与触发装置的静态放大倍数，； 电流反馈滤波时间常数，； 转速反馈滤波时间常数，； 晶闸管整流电路的失控时间，对于三相桥式电路，； 电动机电枢回路的电磁时间常数，； 机电时间常数，； 主回路总电阻，； 电动机电势系数，； 电动机转矩系数，； 转速反馈系数，； 电流反馈系数，。3.2电流调节器的设计1.电流环结构框图的化简如图3-1所示：图3-1 电流环的动态结构框图 在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂且把反电动势的作用去掉，把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，由于和一般都比小得多，可以当作小惯性环节，其时间常数为：，则电流环结构框图最终简化成图3-2：图3-2 电流环的最终结构框图2.电流调节器结构的选择 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以 得到理想的赌转特性，采用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成：为了让调节器零点与控制多项的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成为图3-3所示的典型形式：图3-3 校正成典型型系统的电流环其中3.计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：，考虑系统响应的快速性，并兼顾到电流超调尽量小的原则，取，ACR的比例系数为：ACR的传递函数为：3.3转速调节器的设计1.电流环的等效闭环传递函数如图3-4所示：图3-4 转速控制系统的动态结构框图按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器。传递函数为：2.计算转速调节器的参数这里取，四、MATLAB仿真Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。4.1 空载时的仿真根据计算得到的参数，在MATLAB中的Simulink环境中对系统进行仿真，结构图如图4-1所示。图 4-1双闭环调速系统仿真结构图（空载）ASR限幅值为：上限5，下限-100；ACR限幅值为：上限100，下限-100空载时，令负载输入为：0，可以得到空载时的电流图形（图4-2）和转速图形（图4-3）图 4-2 电流波形（空载）图4-3 转速波形（空载）4.2 负载时的仿真负载时令负载输入为：20，可以得到空载时的电流图形（图4-4）和转速图形（图4-4）图4-4 电流波形（负载）图4-5 转速波形（负载）4.3突加负载时仿真在1s时令负载输入为：20，可以得到空载时的电流图形（图4-6）和转速图形（图4-7）图4-6 电流波形（突加负载）图4-7 转速波形（突加负载）5、 总结双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时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，即电流上升阶段、恒