單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的(共12頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上學(xué) 號 天津城建大學(xué) 運動控制系統(tǒng)課程 設(shè)計說明書 單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真2 起止日期： 2015 年 1 月 19日 至 2015 年 1 月 23 日學(xué)生姓名魏建麗班級2011級電氣3班成績指導(dǎo)教師(簽字) 控制與機械工程學(xué)院 2015年 1 月 23 日專心-專注-專業(yè)目 錄一、引言 直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計算機的結(jié)合促進了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)

2、速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)。現(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。 長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。 由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者

3、缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。 MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進行分析和可視化。 Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，

4、可以是機械的、電子的等現(xiàn)實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。 傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從 20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變

5、流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。2、 轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器，可以保證統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度無靜差。比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍；積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。PI控制綜合了比例控制和積分控制的優(yōu)點：比例部分能迅

6、速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。在設(shè)計PI調(diào)節(jié)器時，如何選擇參數(shù)和，關(guān)鍵在于及要求PI控制調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，又要求系統(tǒng)的快速性好，同時還要求穩(wěn)態(tài)精度高和抗干擾性能好。2.1轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過放大器,產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理框圖如圖2-1圖1 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾偏作用。轉(zhuǎn)速降

7、落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)你能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，假定（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入-輸出關(guān)系都是線性的，或者只再現(xiàn)性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié) 放大器 電力電子變換器 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性 測速反饋環(huán)節(jié) 2.2反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性在圖1中主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機，電力電子變換器的兩種傳函，即晶閘管觸發(fā)與整流裝置、IGBT脈寬控制與變換裝置，其傳函完全一致，都是只是在不同場合下，參數(shù)和的數(shù)值不同而已。其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為圖2 電力電

8、子變換器動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路其中電樞回路總電阻R和電感L包含電力電子變換器內(nèi)阻，電樞電阻和電感及可能在主電路中接入的其他電阻和電感，規(guī)定的正方向如圖所示。假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動機軸上的動力學(xué)方程為 式中 -包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩（Nm） -電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量（N） 額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 ， 式中 -電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A）,=。再定義下列時間常數(shù)： -電樞回路電磁時間常數(shù)（s），=; -電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)（s），。整理以上式子，得 ， 式中 -負載電流（A

9、），在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉普拉斯變換，得到電壓與電流間的傳遞函數(shù)為 （1）電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 （2）式（1）和式（2）的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖分別如圖（a）和（b）。將兩圖結(jié)合在一起，并考慮到，即得額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖（c）所示。圖4 直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3、 速度調(diào)節(jié)器的選擇3.1比例積分控制和無靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并擁有足夠的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。也就是說，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)則是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖5繪出了用運算放大器構(gòu)成的積分調(diào)節(jié)器的原理圖，由圖可知式中積分

10、時間常數(shù)，當(dāng)?shù)某跏贾禐榱銜r，在階躍輸入作用下，得到積分調(diào)節(jié)器的輸出時間特性因而積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 a)原理圖 b）階躍輸入時的輸出時間特性圖5積分調(diào)節(jié)器在采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出時電力電子變換器的控制電。只要電動機在運行，就必須有控制電壓，因而也必須有轉(zhuǎn)速偏差電壓，這是此類調(diào)速系統(tǒng)有靜差的根本原因。如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓是轉(zhuǎn)速偏差電壓的積分。當(dāng)是階躍函數(shù)時，按線性規(guī)律增長，每一時刻的大小和與橫軸所包圍的面積成正比。對于閉環(huán)系統(tǒng)中的積分調(diào)節(jié)器，不是階躍函數(shù)，而是隨轉(zhuǎn)速不斷變化的。當(dāng)電動機起動后，隨著轉(zhuǎn)速的升高，不斷減小，但積分作用使仍繼續(xù)增長，只不過的增長不再是線性的

11、了，每一時刻的大小仍和與橫軸所包圍的面積成正比。在動態(tài)過程中，當(dāng)變化時，只要其極性不變，即只要仍是，積分調(diào)節(jié)器的輸出便一直增長；只有達到，=0，才停止上升，而達到其終值。在這里，值得特別強調(diào)的是，當(dāng)=0時，并不是零，而是一個終值，如果不再變化，這個終值便保持恒定而不再變化，這是積分控制不同于比例控制的特點。正因為如此，積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。 上邊從無靜差的角度突出表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是從另一方面看，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。同樣在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸的變化，如果既

12、要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，該腫么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分（PI）控制。比例積分控制（PI調(diào)節(jié)器）的輸出由比例和積分兩部分疊加而成，其輸入-輸出關(guān)系為 為了使PI調(diào)節(jié)器的表達式更具有通用性，用表示PI調(diào)節(jié)器的輸入，表示PI調(diào)節(jié)器的輸出。其傳遞函數(shù)為 式中 -PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)； -PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。3.2參數(shù)計算1） 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定,開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足假設(shè)所以，取圖6單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖其他有關(guān)參數(shù)如下：2）直流電動機：額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電動機電動勢系數(shù) , 電樞回路總電阻 機電時間常數(shù) 電樞回路電磁時間常數(shù) 3

13、） 放大器系數(shù):電力電子變化器的等效傳函：滯后時間常數(shù) 裝置的放大系數(shù) ，給定電壓。4、 系統(tǒng)仿真圖7 單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置。動態(tài)校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。本題采用較簡單的串聯(lián)校正。無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，構(gòu)成滯后校正，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般系統(tǒng)對動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性要求差一些，采用PI調(diào)節(jié)。 圖8 擾動前后轉(zhuǎn)矩和電流仿真圖 當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后突加擾動，轉(zhuǎn)速和電流由于積分作用會大于擾動前的穩(wěn)態(tài)值（其中藍色線代表轉(zhuǎn)矩的波形，黃色線代表電流波形）。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后，當(dāng)突加負載轉(zhuǎn)矩，由于積分作用轉(zhuǎn)速仍會帶原來位置。圖9 突加負載前后電流仿真圖參考文