双闭环直流调速系统仿真课程设计用

1双闭环直流调速系统的原理及组成对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率 的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流 （电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。 当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相 平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流 不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使 电流保持为最大值 I 的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理 dm量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近 似的恒流过程。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调 节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间 实行嵌套连接，如图1 所示。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电力电子变换器。从闭环结构上看， 电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速 电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能 ，转速和电流两 个调节器一般采用 PI 调节器。2双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置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。 双闭环调速系统突加给定电压U *由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如 n图4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I、II和III。第I阶段：0_是电流上升阶段。突加给定电压U*后，I上升，当I小于1 n d d负载电流I时电机还不能动；当I I后，电动机开始转动，由于机电惯性的dL d dL作用，转速不会很快增长，因此转速调节器ASR的输入偏差电压AU二U* -Un n n数值仍很大其输出电压保持限幅值U*，强迫电流I迅速上升。直到II ,im d d dmU沁U*时，电流调节器ACR很快压制了 I的增加，标志着这一阶段的结束。 i im d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。图 2 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形第II阶段：-t2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始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒流U*给定下 im的电流调节系统，基本上保持电流 I 恒定，因此系统是加速度恒定，转速呈线d性增长，同时电机的电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，正是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，U和U也必须基本上按线性增长才能保持 dcI恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压 d必须维持一定的，即I应略低于I 。d dm第III阶段：t2以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值n *时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用，还维持在限幅值U* ,所 im以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后， ASR 输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*和1很快下降，但是，只要I仍大于I转速就继续上升，i d d dL直到I二I转矩T二T，贝V dn/dt=O，转速n才到达峰值，此时t二t，此后电d dL e L 3机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在tt时间段为I I，直到运行3 4 d dL稳定。第III阶段ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，ACR则力图 使I尽快跟随U*，即电流环是一个电流随动系统。di总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1）饱和非线性控制：在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2）转速超调：按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压AUn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。3）准时间最优控制：其动态过程的主要阶段是第二阶段的恒流升速，其主要特 征是电流保持恒定，一般选择为电机允许的最大电流，以使充分发挥电机的过载 能力，使起动最快，这个阶段是有限制条件的最短时间控制。1 直流调速系统的理论设计1.1 系统组成及要求 本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图 1 所示，系统参数如下：电动机：U = 220V ； I 二 136A ； n 二 1460rpm ； C 二 0.132v/ rpm ；N N N e允许过载倍数：九=1.5 ；三相桥式整流装置放大倍数：K = 40 ；电枢回路总电阻：sR = 0.50 ；时间常数：T = 0.03s ； T = 0.18ss，电流反馈系数：0= 0.05V/ A ；乞lm转速反馈系数：a = 0.07V / rpm。设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量b 5%，启动到额定转i速时的转速超调量b 10% ；n1.2 电流调节器设计1 ：确定时间常数。(1) 整流装置滞后时间常数T三相桥式电路的平均失控时间T二0.0017s ； (2)电 ss流滤波时间常数T 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头，应该有 oi(1 2)T = 3.33ms，因此取T = 0.002s ； (3)电流环小时间常数T 按小时间常数近似oioiXz处理，取 T = T + T = 0.0037s。Xis oin2：确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求：b 5%，而且T /T = 0.03/0.0037 = 8.11 10，因此设计成典il X i型 I 型系统。3：电流调节器的结构选择电流调节器选用比例积分调节器(PI)，其传递函数为W(s)二K (t s +1)/t s。ACRi ii4：选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：t二T二0.03s ；电流开环增益：因要求b 5%，故 i li取KT = 0.5，因此K = 0.5/T = 0.5/0.0037 = 135.1s-1，于是电流调节器的比例系 I XiIX i数为 K 二 K t R / PK 二 1.013i I is5：校验近似条件电流环截止频率 = K = 135.1s-1ciI1) 校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足cissci，所以满足近似条件；2) 校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足： 3J1/T T，由于ci1m l3*：1/T T = 40.38s-1 v，满足近似条件；m lci3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件： (1/3.-1/TT，cis oi由于(1/3)$1/TT = 180.8s-i，满足近似条件。s oici按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。1.3 速度调节器设计1：确定时间常数。(1)电流环等效时间常数为2T二0.0074s ； (2)电流滤波时间常数TLlon根据所用测速发电机纹波情况，取T二0.01s ；(3)转速环小时间常数T按小时间常数近onLn似处理，取 T = 2T + T = 0.0174s。LnLion2：确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应 按典型II型系统设计转速环。3：转速调节器的结构选择。转速调节器选用比例积分调节器(PI)，其传递函数为W (s)二K (t s +1)/t s。ASRn nn4：选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5,则转速调节器的超前时间常数为t二hT二0.087s，转速开环增益为nLnh +1K 二丄二 396.4s-2N2h 2 T 2Ln所以转速调节器的比例系数为K 二(h + D 卩 二 11.7n2huRTLn5：校验近似条件转速环截止频率=K t = 34.5s-1cn N n1) 校验电流环传递函数简化条件是否满足 ，cnLiLicn满足简化条件；2) 校验小时间常数近似处理是否满足条件： w ，满足近似条件。on Licn3)核算转速超调量当 h=5 时，AC /C = 81.2%，而 An = I R/ C = 515.2rpm，因此max bN N ec % 二(AC/C ) x 2(九Z)(An T )/n*T 二 8.31% 10% 能满足设计要求。nmax bN L nm2 系统仿真1.1 理论计算参数仿真分析根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图 2 所示。 在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形， 如图 3。图 2 直流双闭环调速系统的仿真模型图3 额定转速空载时转速仿真波形图4 调整后的转速仿真波形从图 3 中可知：1：转速超调量为 25%，转速超调量过大，系统相对稳定性弱；2：整个起动过程只需 0.6 秒，系统的快速性较好。1.2 仿真调试分析通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。 为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法” 时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅 输出特性近似为线性环节等。经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电 流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：K = 0.83 , t = 0.022 ； K = 8.17 , t = 0.3。i i n n其转速波形如图4 所示。从图 4中可知：1：转速环超调量为 6%，超调量符合要求。2：整个起动过程约为 0.8 秒，系统的快速性仍较好。3 结论以上分析表明，利用 matlab 仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能 分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差， 逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的 开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。参考文献：1 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第三版）. 北京：机械工业出版社， 2004；2 陈桂明等应用MATLAB建模与仿真.北京：科学出版社，2001。3 姬宣德等.基于matlab的矢量控制系统仿真.矿山机械2005.1。0.002S+1StepTransfer FenTransfer Fcn34flkJr0.0017s+1Transfer Fcn120.50.03s+10.18s+1Transfer Fcn20.05I|0.002S+1Transfer Fcn4