雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計及

1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計及matlab 仿真驗證1 設(shè)計內(nèi)容及要求1.1 初始條件:不可逆的生產(chǎn)設(shè)備,采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),其整流裝置采用三相橋式整流電路, 系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下:直流電動機:750nom U V =, 760nom I A =, 375min nom n r =, 1.82min e C V r =, 允許過載倍數(shù) 1.5=;時間常數(shù):0.031L T s =, 0.112m T s =;晶閘管放大倍數(shù):75s K =;主回路總電阻:0.14R =; 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓 *10n U V =, 調(diào)節(jié)器 ASR 、 ACR 飽和輸出回路電壓*10im U V =, 10cm U

2、V =。 1.2 設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)指標(biāo):穩(wěn)態(tài)無靜差。動態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量 5%i , 空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10%n 。 求2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理轉(zhuǎn)速、 電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、 動態(tài)性能優(yōu)良、 應(yīng)用最廣的直流 調(diào)速系統(tǒng)。對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng),在起動(或制動過程中,希望 始終保持電流為允許的最大值,使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加(減速運行。當(dāng)達到穩(wěn) 態(tài)轉(zhuǎn)速時, 最好使電流立即降下來, 使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡, 從而迅速轉(zhuǎn) 入穩(wěn)態(tài)運行。 采用單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無法實現(xiàn)的, 因而只能采用轉(zhuǎn)速和電流兩個 調(diào)節(jié)器。2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別

3、起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器,分 別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 二 者之間實行嵌套連接。 如下圖所示。 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入, 再用用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE 。 由于題目要求穩(wěn)態(tài)無靜差, 因而調(diào)節(jié)器必須采用相應(yīng)的積分器調(diào)節(jié)器, 故相 應(yīng)轉(zhuǎn)速環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)。 同時電流內(nèi)環(huán)也采用相應(yīng)的 PI 調(diào)節(jié)器也能實 現(xiàn)很好的動、靜態(tài)特性。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通過相應(yīng)處理可以得到相應(yīng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下:+- 其中 ( ASR W s 和 ( ACR W s 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流

4、調(diào)節(jié)器的傳遞環(huán)視。 為了引出電流 反饋,在動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中引出相應(yīng)的電樞電流 d I ,而 表示轉(zhuǎn)速反饋系數(shù), 表示電流反饋 系數(shù)。2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析 2.3.1起動過程分析從電流與轉(zhuǎn)速變化過程所反映出的特點可以將起動過程分為電流上升、 恒流 升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段:電流上升階段:突加給定電壓 *n U 后, 經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用, c U 、 0d U 、d I 均上升,但是在 d I 沒有達到負(fù)載電流 dL I 以前,電動機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng) d dL I I 后,電動機開始起動,由于幾點慣性的作用,轉(zhuǎn)速不會很快增長,因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 (*c n n U

5、U U =- 的數(shù)值仍較大, 其輸出電壓保持限幅值 *im U , 強迫電樞電流 d I 迅速上升直到 d dm I I , *i imU U , 電流調(diào)節(jié)很快就壓制了 d I 的增長。該階段結(jié)束,此階段中, ASR 很快進入并保持飽和狀態(tài),而 ACR 一般不 飽和。恒流升速階段:此階段中, ASR 始終是飽和的,轉(zhuǎn)速換相當(dāng)于開環(huán),系統(tǒng)成 為在恒值電流給定下的電流調(diào)速系統(tǒng), 基本上保持電流很定, 因而系統(tǒng)加速度恒 定,轉(zhuǎn)速呈線性增長。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段:當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值是,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差為零, 但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值,所以電動機仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。 轉(zhuǎn)速超調(diào)后, A

6、SR 輸入偏差為負(fù),使它開始推出飽和狀態(tài),電動機開始在負(fù)載的 阻力下調(diào)速,直到穩(wěn)態(tài)。此階段中, ASR 和 ACR 都不飽和, ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)作用,而 ACR 則力圖使 d I 很快地跟隨其給定值 *i U 。起動過程歸納的特點有:(1飽和非線性控制 (2轉(zhuǎn)速超調(diào)(3準(zhǔn)時間最優(yōu)控制2.3.2動態(tài)抗擾性能分析一般來說, 對于調(diào)速系統(tǒng), 一個重要的動態(tài)性能就是抗擾性能, 主要是抗負(fù) 載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動?？关?fù)載擾動:負(fù)載擾動作用在電流環(huán)后, 因而只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生 抗負(fù)載擾動作用?？闺娋W(wǎng)電壓擾動:在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中, 由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速變化會 比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。

7、2.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器作用(1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓變 化,穩(wěn)態(tài)時可以減小轉(zhuǎn)速誤差,若采用 PI 調(diào)節(jié)器,則可以實現(xiàn)無靜差。對負(fù)載 變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。(2電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器, 在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中, 它的作用是使電流緊緊跟隨 其給定電壓 *iU (即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾 的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中, 保證獲得電動機允許的最大電流, 從而加快動態(tài)過 程。當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時,限制電樞電流的最大值,起快速的自動保護作用。 一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常

8、。3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計對于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可以按照工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器。 原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。步驟是:先從電流環(huán)(內(nèi)環(huán)開始,對其進行必要的變換 和近似處理, 然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成那一類典型系統(tǒng)。 電流 環(huán)設(shè)計完成后,把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)(外環(huán)中的一個環(huán)節(jié),再用同樣的方法 設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計下圖所示是電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖: 實際上,反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比,它代表對電流環(huán)的影響。在一般情況下, 系統(tǒng)的電磁時間常熟遠(yuǎn)小于機電時間常熟,因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流慢很多。 對電流環(huán)來說, 反電動勢是一個變化較慢的擾動, 在電流的瞬變過程中, 可以認(rèn) 為反

9、電動勢基本不變。 這樣, 在按動態(tài)特性設(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。(1 確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間 s T 的確定。查書上表 2-2可以知道,三相橋式電路的 平均失控時間為 0.0017s s T =。電流濾波時間常數(shù) oi T 的確定。三相橋式整流電路的每個波頭的時間 3.3ms ,為了基本濾平波頭,應(yīng)有 (12 3.33oi T ms = , 因此取 20.002oi T ms s =。由于 s T 和 oi T 一般都比 l T 小的多,可以當(dāng)做小慣性群近似地看作是一個 慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)為 0.0037i s oi T T T s =+=(2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)

10、構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求 5%i , 并保證穩(wěn)態(tài)電流無差, 因而可以按照典型型系統(tǒng) 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器。 其傳遞函數(shù)如下:由此可以得到電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)由于 L i T T , 因而可選取調(diào)節(jié)器的 0.031i L T s =以消除控制對象中大慣性(1( i i ASR i K s W s s+=(1 ( (1(1i i s opi i L i K s K RW s s T s T s +=+環(huán)節(jié)，以便校正成典型型系統(tǒng)，因此相應(yīng)的可以得到校正后的系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 如下 Wopi ( s = Ki K s R Ki KI = = i s (Ti s +

11、1 TL s (Ti s + 1 s (Ti s + 1 （3） 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： i = TL = 0.031s 。 電流開環(huán)增益：由于題設(shè)要求電流超調(diào)量 i 5% ，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時 的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n 10% 。查表可以知道應(yīng)取 K I Ti = 0.25 。因此 KI = 0.25 0.25 = = 67.57 Ti 0.0037 故相應(yīng)的可以得到 ACR 的比例系數(shù)為 K R 67.57 × 0.031× 0.14 Ki = I i = 0.444 75 × 0.0088 Ks 對于上述雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，兩個調(diào)節(jié)器的作用如下： （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： 使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 變化，當(dāng)偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差；對負(fù) 載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。 （2）電流調(diào)節(jié)器的作用： 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 變化；對電網(wǎng)電壓波動起及時 抗擾作用；起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動；當(dāng)電 機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最