雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計和MTALAB仿真驗證

武漢理工大學(xué)電力拖動和控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)11.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹11.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成21.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性21.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型42.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計42.1 確定電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)42.2 電流調(diào)節(jié)器原理52.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算63 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計73.1確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)73.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理83.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算93.4系統(tǒng)超調(diào)量的計算104 仿真和調(diào)試114.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖114.2空載起動時的仿真124.3 恒定負載下穩(wěn)定運行時磁場減半的仿真13個人總結(jié)16參考文獻17雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計及MTALAB仿真驗證1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前使用廣泛，高性能的直流調(diào)速系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。對于單閉環(huán)系統(tǒng)來說它不能完全按照理想要求來控制動態(tài)過程的電流的動態(tài)過程。所以為了使直流調(diào)速系統(tǒng)獲得更加優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，我們往往采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在起動過程中，我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度運行，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，最好讓電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩馬上和負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這類起動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖1-1所示，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。 圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測速發(fā)電機；TA電流互感器；UPE電力電子變換器1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示，兩個調(diào)節(jié)器都采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。輸出達到限幅值，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)和使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，為了實現(xiàn)電流實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器是不要達到飽和狀態(tài)的。因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， （1-1） （1-2）由式（1-1）可得： 從而得到靜特性曲線圖1-3中的CA段。和此同時，由于ASR不飽和，可知，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，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)變成了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： （1-3）其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖1-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計2.1 確定電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-1可知，反電動勢和電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩，實際上，反電動勢和轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化比電流變化慢很多。對電流環(huán)來說，在電流瞬變的過程中，可以認為反電動勢基本不變，這樣，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。圖2-1 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)設(shè)計要求，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求穩(wěn)態(tài)無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，從圖2-2可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了，從動態(tài)要求上看系統(tǒng)不允許在電樞電流突加控制時有太大的超調(diào)，以保證動態(tài)過程不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓的波動的及時抗擾只是次要因素，為此，電流環(huán)應(yīng)該以跟隨性能為主，即選用I型系統(tǒng)。圖2-2電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化2.2 電流調(diào)節(jié)器原理含給定濾波和反饋濾波的電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-3所示.圖中的為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)運算放大器的原理，可以容易導(dǎo)出圖2-3 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 （2-1） （2-2） （2-3）從而計算調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)。2.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算(1)確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù)，通過查表可得，三相橋式電路的平均失控時間。2)電流濾波時間常數(shù)。三相橋式整流電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 因此取。3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和。(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電路調(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)為： (2-4) 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： (2-5)因為，所以選擇，用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)點，以便矯正成典型I型系統(tǒng)，因此 (2-6)(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)：。電流開環(huán)增益：要求，查表可取，因此ACR的比例系數(shù) (2-7)(4)檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率 1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件2)檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件3)檢驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 滿足近似條件(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-3所示，所用運放取。各電阻和電容值計算： （2-8） (2-9) (2-10)按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為5% 滿足設(shè)計要求3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計3.1確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)圖2-2可知，電流環(huán)的輸入量為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中可以等效為 （3-1）把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。由于需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在擾動作用點后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： (3-2)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 (3-3)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 則 不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖3-1圖3-1 校正為典II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典II型系統(tǒng)的參數(shù)可知有 因此 至于中頻寬，無特殊要求時，取。含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-2所示，圖中的為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。圖3-2 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)運算放大器的原理，可以容易導(dǎo)出 （3-4） （3-5） （3-6）3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算(1)確定時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)為，設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時已取所以 =0.0074s2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。取。3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式（3-2）。(3)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)。轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 （3-7）ASR的比例系數(shù)為 （3-8）(4)檢驗近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件。2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足簡化條件。(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則 取 （3-9） 取 （3-10） 取 （3-11）3.4系統(tǒng)超調(diào)量的計算當(dāng)h=5時，不能滿足設(shè)計要求。實際上，這個超調(diào)量是按線性系統(tǒng)算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器沒有飽和限幅的約束，調(diào)速系統(tǒng)可以在很大范圍內(nèi)線性工作，則雙閉環(huán)系統(tǒng)起動的轉(zhuǎn)速過渡過程就會產(chǎn)生較大的超調(diào)量。實際上，突加給定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快就進入了飽和狀態(tài)，輸出恒定的限幅電壓，使電動機在恒流條件下起動，起動電流，而轉(zhuǎn)速則按線性規(guī)律增長。雖然這時起動過程要比調(diào)節(jié)器沒有限幅時慢得多，但是為了保證起動電流不超過允許值，這是必須的。 當(dāng)電動機空載起動時Z=0，作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是，查表可以得出當(dāng)h=5時，則可以求出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量為 （3-12）滿足設(shè)計要求。4 仿真和調(diào)試4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖由上面電路設(shè)計計算出來的參數(shù)，用MATLAB畫出方框圖，仿真方框圖如圖3-1所示。圖4-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖4.2空載起動時的仿真設(shè)置空載啟動，轉(zhuǎn)速和電流波形如圖4-2所示。圖4-2 轉(zhuǎn)速和電流波形由圖3-2可得超調(diào)量，均符合要求。4.3 恒定負載下穩(wěn)定運行時磁場減半的仿真仿真要求:繪制直流調(diào)速系統(tǒng)在(),即恒定負載下穩(wěn)定運行時磁場突然減半仿真圖,仿真得出起動轉(zhuǎn)速,起動電流,直流電壓,ASR、ACR輸出電壓的波形。設(shè)置系統(tǒng)帶負載起動，取，在時間為零的時候開始起動，由圖3-2可知系統(tǒng)在1S內(nèi)已經(jīng)起動完成，設(shè)置在2S時 磁場減半，（即step1中step time 設(shè)置為2S,Initial value設(shè)置為1，F(xiàn)inal value設(shè)置為2），由于給的是恒定負載，所以在磁場減半的時候電流的給定要增加一倍，即在2S的時候設(shè)置為，仿真的波形如下：（1）02S之前為起動電流、轉(zhuǎn)速仿真波形（2）2S之后的波形為磁場減半的的仿真波形結(jié)果分析:由圖4-3可以知道系統(tǒng)啟動過程有三個階段,電流上升階段和恒流升速階段以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的階段,在系統(tǒng)起動運行到穩(wěn)定后突然將勵磁減半后,轉(zhuǎn)速n急劇上升,電流急速下降，由于是恒定負載，所以勵磁減半時候給的電流會增加一倍，所以系統(tǒng)最終電流會穩(wěn)定在600A，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則恢復(fù)到勵磁減半前的轉(zhuǎn)速上。圖4-3 電流、轉(zhuǎn)速仿真波形（2）直流電壓的仿真波形，如圖4-4圖4-4直流電壓（3）ASR、ACR仿真波形，如圖4-5，4-6圖4-5 ASR輸出波形圖4-6 ACR輸出波形由以上仿真，可以得知雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點：（1）具有良好的靜特性；（2）具有較好的動態(tài)特性，起動時間短(動態(tài)響應(yīng)快)，超調(diào)量也較?。唬?）系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差；（4）由兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。這樣，可以分別進行設(shè)計，分別調(diào)整(先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)速度環(huán))，調(diào)整方便。個人總結(jié) 這次電拖課設(shè)的題目是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計以及進行matlab的仿真。建議matlab的仿真模型后進行參數(shù)設(shè)置時遇到一些問題，電流環(huán)的輸出限幅一開始并沒有設(shè)置好，不知道該設(shè)什么值，導(dǎo)致出來的波形和預(yù)期的不符合。得出的后來翻閱了課本和資料知道電流環(huán)輸出環(huán)節(jié)的限幅值應(yīng)該是；在最初進行電流給定的時候，的給定一直是恒定的，所以勵磁減半后穩(wěn)定的電流和電磁減半之前的一樣，不能保持負載是恒定的要求，所以在進行勵磁減半的時候，電流的給定要加倍；得出的結(jié)果才能滿足負載恒定的要求。在做仿真的時候還出現(xiàn)過其他的一些小問題，經(jīng)過簡單的修改后都可以得到解決了。因為之前剛剛復(fù)習(xí)完電拖測試，所以對電力拖動和控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)系統(tǒng)