基于matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 形 從圖 26 知 ,整個起動過程分為三個階段： 第 I 階段是電流上升階段。突加給定電壓 Un*后 ,通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用 ,使 Uct、 Ud0、Id 都上升，當(dāng) Id≥IdL后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于機械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 △ Un=Un*Un 數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值Uim*，強迫電流 Id 迅速上升。當(dāng) Id≈Idm時， Ui≈Uim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使 I 不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中， ASR 由 不飽和很快達(dá)到飽和，而 ACR 一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。 第 II 階段是恒流升速階段。從電流升到最大值 Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值 n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段。在這個階段中 ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 9 第 III 階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅 值Uim*，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， ASR 的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓及 ACR 的給定電壓 Ui*立即從限幅值下來，主電流 Id 也因此下降。但是，由于 Id 仍大于負(fù)載電流 IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到 Id=IdL時，轉(zhuǎn)距 Te=TL，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 達(dá)到峰值。此后，電動機才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流 Id 也出現(xiàn)一小段小與 IdL的過程，直到穩(wěn)定。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器的輸 出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓U*im。決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出 Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 Udm。系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 27 所示。 a一轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)， ? 一電流反饋系數(shù) 圖 27雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 在穩(wěn)態(tài)運行時．兩個調(diào)節(jié)器都不飽和。 ASR 的調(diào)節(jié)作用使轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速給定， ACR的調(diào)節(jié)作用使電流跟隨電流給定。只要調(diào)節(jié)器輸入端的反饋信號不等于給定信號，調(diào)節(jié)器的輸出就會發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸 出達(dá)到限幅值，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出問的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況： 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和： 0ananUU nn ???? xxx 學(xué)士學(xué)位論文 10 dii BIUU ??? （ 211） 可得關(guān)系式為 ： 0naUn n ??? 從而得到 圖 28 靜特性的 CA 段。由于 ASR 不飽和， U*iU*im，從上述第二個關(guān)系式可知： IdIdm。這就是說， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0 一直延續(xù)到 Id=Idm，而 Idm一般都是大于額定電流 IdN的。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。 當(dāng)速度調(diào)節(jié)器飽和時：這時， ASR 輸出達(dá)到限幅值 U*im，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)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時，最大電流 Idm是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。 dmimd IBUI ??? ( 212) 上式描述的靜特性是圖 26 中的 AB 段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于 nn0的情況，因為如果 nno，則 UnU*n， ASR 將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖 29 所示，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)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 11 調(diào)速系統(tǒng)。 ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)速器， ACR— 電流調(diào)節(jié)器， TG— 測速發(fā)電機 TA— 電流互感器， UPE一電力電子變化器 圖 29 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 xxx 學(xué)士學(xué)位論文 12 第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計 13 第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計 按工程 設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 系統(tǒng)設(shè)計對象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖 31，它與前述的圖 29 不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中 T0i — 電流反饋濾波時間常數(shù) T0n — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 圖 31 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng) 設(shè)計原則 系統(tǒng)設(shè)計的一般原則： ―先內(nèi)環(huán)后外環(huán) ‖，即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 轉(zhuǎn)速 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 一般說來典型 Ⅰ 型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小 ， 但抗憂性能差。 而典型 Ⅱ 型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。基于此 ， 在轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ， 電流環(huán)一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值 ， 即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先考慮的問題 ， 所以一般電流環(huán)多設(shè)計為 Ⅰ 型系統(tǒng) ， 電流調(diào)節(jié)器的設(shè) 計應(yīng)以此為限定條件，設(shè)計為 PI 調(diào)節(jié)器。至于轉(zhuǎn)速環(huán) ， 穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求 ， 所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為 Ⅱ 型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ， 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts 和電流濾波時間常數(shù) Toi一般都比電樞回路電磁時間常數(shù) Tl小很多 ， 可將前兩者近似為一個慣性環(huán) xxx 學(xué)士學(xué)位論文 14 節(jié) ， 取 Ti=Ts+Toi。這樣 ， 經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ， 電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié) ， 要將其設(shè)計成典型 Ⅰ 型系統(tǒng) ， 同理 ， 經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ，轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形式為 W（ s） =K/s(Ts+1)如前所述 ， 轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成 Ⅱ 型系統(tǒng) ， 所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成 PI型調(diào)節(jié)器。 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計工作帶來麻煩。 轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是 （ 31） 式中 ω ci—電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率 在按動態(tài)性能設(shè)計電 流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即 ?E≈ 0。這時，電流環(huán)如圖 32（ a）所示。 若把給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號改成Ui*(s)/β ,則電流環(huán)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) ,如下圖 32（ b）所示。 而 Ts 和 T0i 一般都比 Tl 小得多，可以近似為一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 T∑ i = Ts + Toi （ 32） 簡化的近似條件為 （ 33） 則最后可將電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖小慣性環(huán)節(jié)近似處理，如下圖 32（ c）所示。 U d0 ( s )+U i ( s )ACR1 /RTl s+ 1U * i ( s ) U c ( s ) KsTss+ 1Id( s )?T0is+ 11T0is+ 1 lmci TT13??圖 32（ a）電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡 H / m oisci131 TT??第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計 15 +ACRU c ( s ) Ks /R( T s s+ 1)( T l s+ 1)I d ( s )U*i ( s )? ?T 0i s+ 1 +AC RUc( s ) ? Ks/R( Tls+ 1)( T? is+ 1)Id( s )U*i( s )? 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖 32（ c）可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。 從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。 圖 32（ c）表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 （ 34） 式中 Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ?i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 li T?? （ 35） 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖 33 所示的典型形式，其中 （ 36） 圖 32(b)電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡（ vb） x =1 x =1 x =1 x =1 圖 32(c)電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡 x = x = x = ssKsW iiiA C R )1()( ?? ??RKKK i siI ? ??xxx 學(xué)士學(xué)位論文 16 校正后電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 33 所示， +AC RUc( s ) ? Ks/R( Tls+ 1)( T? is+ 1)Id( s )U*i( s )? 校正后電流環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性如圖 34 所示。 圖 34 校正后電流環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 其中式（ 34）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有： Ki和 ?i， 其中 ?i 已選定，見式（ 35），剩下的只有 比例系數(shù) Ki，可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指標(biāo)選取。 在一般情況下，希望電流超調(diào)量 ?i5%，由附錄表 32，可選 ? =， KI T∑ i=，則 （ 37） 再利用式（ 34）和式（ 35）得到 （ 38） 圖 33校正后電流環(huán) 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖