雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

直線速度系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、靜態(tài)差率低、穩(wěn)定性好、動態(tài)性能好等特點。在高性能振動技術(shù)領(lǐng)域，幾乎所有采用直線動力波動系統(tǒng)?，F(xiàn)在，直線動力理論已經(jīng)成熟，但要真正設(shè)計一個雙向鏈流的譜體系，并應(yīng)用于建筑設(shè)計，這是困難的。本文基于Simulink對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與仿真,合理選擇電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求,對電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行了整定.在文獻(xiàn)中,只是通過仿真曲線對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,而本設(shè)計是在參數(shù)整定的基礎(chǔ)上得到仿真曲線,并列出多組數(shù)據(jù)進(jìn)行說明.1動態(tài)管理設(shè)計,把電流環(huán)作為根據(jù)設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計:從內(nèi)環(huán)開始,一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展.先從電流環(huán)入手,首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求:系統(tǒng)無靜差.動態(tài)指標(biāo)的要求:空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%,電流超調(diào)量σi≤5%.2雙閉環(huán)直流傳動雙閉環(huán)控制回路設(shè)計及驗證帶有電流、轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實屬多閉環(huán)系統(tǒng),一般采用由內(nèi)到外一環(huán)包一環(huán)的形式,內(nèi)環(huán)為電流環(huán),設(shè)有電流調(diào)節(jié)器ACR,外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán),設(shè)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng).電流環(huán)接受速度環(huán)的輸出作為控制目標(biāo),調(diào)節(jié)電動機(jī)的電流以滿足既能控制電動機(jī)以較快的速度跟蹤參考速度,又不至于產(chǎn)生過流現(xiàn)象損壞電動機(jī),這種結(jié)構(gòu)為工程設(shè)計以及調(diào)試工作帶來相當(dāng)大的方便.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.圖1中,給定電壓U*n=10V,晶閘管放大系數(shù)Ks=40,晶閘管失控時間Ts=0.0017s,電樞回路總電阻R=0.5Ω,電磁時間常數(shù)Tl=0.03s,機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.18s,電動勢常數(shù)Ce=0.132V·min/r,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.007V·r/min,電流反饋系數(shù)β=0.083V·r/min.3主電源設(shè)計3.1電流調(diào)節(jié)器acr結(jié)構(gòu)的選擇和參數(shù)的確定(1)電流環(huán)的設(shè)計原理.由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加給定時,不希望有超調(diào),或者超調(diào)越小越好.反電勢對電流環(huán)來說,只是一個變化緩慢的擾動,在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中,可以認(rèn)為E基本不變,可以不考慮反電勢變化的影響,而將電勢反饋作用斷開,使電流環(huán)結(jié)構(gòu)得以簡化.(2)電流調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu)選擇.為了使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)上做到無靜差以獲得理想的堵轉(zhuǎn)特性,動態(tài)上保持電動機(jī)電樞電流不超調(diào),保證系統(tǒng)的跟隨性,因此選擇PI調(diào)節(jié)器,既滿足了動態(tài)要求,又消除了靜態(tài)誤差.結(jié)構(gòu)設(shè)計如下:Wpi(s)=Kpi+1τis.Wpi(s)=Κpi+1τis.整理,得Wpi(s)=Kpiτis+1τis=KpiKpiτis+1Kpiτis=Kpi(τpis+1)τpis.Wpi(s)=Κpiτis+1τis=ΚpiΚpiτis+1Κpiτis=Κpi(τpis+1)τpis.式中,τpi=Kpiτi.(3)電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)整定.固定轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù),調(diào)整電流環(huán)內(nèi)部參數(shù),通過多次實驗,得出電流調(diào)節(jié)器最合適的參數(shù),即Kpi=0.8,τi=0.0275,σi=4.2%,滿足要求.如表1和表2所示.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定(1)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計原理.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)速環(huán)的目的是為了控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化.(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu)選擇.為達(dá)到穩(wěn)態(tài)時減小轉(zhuǎn)速誤差,采用PI調(diào)節(jié)器,則可實現(xiàn)無靜差.采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào).ASR的結(jié)構(gòu)設(shè)計與ACR的結(jié)構(gòu)設(shè)計相同,即Wpn(s)=Kpn+1τns.Wpn(s)=Κpn+1τns.整理,得Wpn(s)=Kpnτns+1τns=Kpn×Kpnτns+1Kpnτns=Kpn(τpns+1)τpns.Wpn(s)=Κpnτns+1τns=Κpn×Κpnτns+1Κpnτns=Κpn(τpns+1)τpns.式中,τpn=Kpnτn.(3)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)整定.固定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi=0.8,τi=0.0275,調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpn,τn的值.通過多次實驗,固定其中一個參數(shù)調(diào)節(jié)另一個參數(shù),得到的數(shù)據(jù)如表3和表4所示.通過比較,得Kpn=6.7,τn=0.087時,σn=9.3%為最合適值.綜上所述以及從各數(shù)據(jù)分析,得出結(jié)論:當(dāng)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi=0.8,τi=0.0275,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpn=6.7,τn=0.087時,σi=4.2%<5%,σn=9.3%<10%.因此,可以找到合適的參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)kpn利用MATLAB下的Simulink軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真,在仿真模型中,調(diào)整PI調(diào)節(jié)器的參數(shù),得到超調(diào)量和動態(tài)響應(yīng)都達(dá)到要求的仿真曲線.(1)選擇最合適的參數(shù),即電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi=0.8,τi=0.0275,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpn=6.7,τn=0.087時,得到最后的系統(tǒng)仿真模型如圖2所示.(2)仿真曲線.轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖3所示,電流仿真曲線如圖4所示.(3)仿真結(jié)果分析.對于帶有電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計,利用Simulink的仿真,經(jīng)過多次實驗調(diào)整電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù),找到一組合適的數(shù)值,即電流調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpi=0.8,τi=0.0275,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpn=6.7,τn=0.087時,使得轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%,電流超調(diào)量σi≤5%,達(dá)到設(shè)計要求.5系統(tǒng)的實驗仿真對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),基于快、準(zhǔn)、穩(wěn)的系統(tǒng)