基于matlab的双闭环直流调速系统的设计与仿真

基于matlab的双闭环直流调速系统的设计与仿真内容摘要：

形 从图 26 知 ,整个起动过程分为三个阶段： 第 I 阶段是电流上升阶段。 突加给定电压 Un*后 ,通过两个调节器的控制作用 ,使 Uct、 Ud0、Id 都上升，当 Id≥IdL后，电动机开始转动。 由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压 △ Un=Un*Un 数值较大，其输出很快达到限幅值Uim*，强迫电流 Id 迅速上升。 当 Id≈Idm时， Ui≈Uim*，电流调节器的作用使 I 不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中， ASR 由 不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 第 II 阶段是恒流升速阶段。 从电流升到最大值 Idm开始，到转速升到给定值 n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。 在这个阶段中 ASR 始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定 Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。 第二章 直流调速系统理论研究和方案确定 9 第 III 阶段是转速调节阶段。 在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅 值Uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。 转速超调以后， ASR 的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及 ACR 的给定电压 Ui*立即从限幅值下来，主电流 Id 也因此下降。 但是，由于 Id 仍大于负载电流 IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。 到 Id=IdL时，转距 Te=TL，则 dn/dt=0，转速 n 达到峰值。 此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流 Id 也出现一小段小与 IdL的过程，直到稳定。 转速、电流双闭环直流调速系统 稳态结构图 电流转速两个调节器的输 出都是带限幅作用的。 转速调节器 ASR 的输出限幅电压U*im。 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。 系统的静态结构图如图 27 所示。 a一转速反馈系数，  一电流反馈系数 图 27双闭环直流调速系统的稳态结构 在稳态运行时．两个调节器都不饱和。 ASR 的调节作用使转速跟随转速给定， ACR的调节作用使电流跟随电流给定。 只要调节器输入端的反馈信号不等于给定信号，调节器的输出就会发生变化。 当调节器饱和时，输 出达到限幅值，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出问的联系，相当于使该调节环开环。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。 因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况： 当转速调节器不饱和： 0ananUU nn  xxx 学士学位论文 10 dii BIUU  （ 211） 可得关系式为 ： 0naUn n  从而得到 图 28 静特性的 CA 段。 由于 ASR 不饱和， U*iU*im，从上述第二个关系式可知： IdIdm。 这就是说， CA 段静特性从理想空载状态的 Id=0 一直延续到 Id=Idm，而 Idm一般都是大于额定电流 IdN的。 这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 当速度调节器饱和时：这时， ASR 输出达到限幅值 U*im，转速外环呈开环状 态，转速的变化对系统不再产生影响。 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。 稳态时，最大电流 Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。 dmimd IBUI  ( 212) 上式描述的静特性是图 26 中的 AB 段，它是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于 nn0的情况，因为如果 nno，则 UnU*n， ASR 将退出饱和状态。 双闭环调速系统组成 双闭环直流调速系统组成结构图如图 29 所示，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环第二章 直流调速系统理论研究和方案确定 11 调速系统。 ASR— 转速调速器， ACR— 电流调节器， TG— 测速发电机 TA— 电流互感器， UPE一电力电子变化器 图 29 转速、电流双闭环直流调速系统组成结构图 xxx 学士学位论文 12 第三章 双闭环直流调速系统的调节器设计 13 第三章 双闭环直流调速系统的调节器设计 按工程 设计方法设计双闭环系统的调节器 系统设计对象 双闭环调速系统的实际动态结构图如下图 31，它与前述的图 29 不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。 其中 T0i — 电流反馈滤波时间常数 T0n — 转速反馈滤波时间常数 图 31 双闭环直流调速系统的动态结构图 系统 设计原则 系统设计的一般原则： ―先内环后外环 ‖，即从内环开始，逐步向外扩展。 在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 转速 电流调节器结构的确定 一般说来典型 Ⅰ 型系统在动态跟随性能上可以做到超调小 ， 但抗忧性能差。 而典型 Ⅱ 型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。 基于此 ， 在转速 电流双闭环调速系统中 ， 电流环一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值 ， 即能否抑制超调是设计电流环首先考虑的问题 ， 所以一般电流环多设计为 Ⅰ 型系统 ， 电流调节器的设 计应以此为限定条件，设计为 PI 调节器。 至于转速环 ， 稳态无静差是最根本的要求 ， 所以转速环通常设计为 Ⅱ 型系统。 在双闭环调速系统中 ， 整流装置滞后时间常数 Ts 和电流滤波时间常数 Toi一般都比电枢回路电磁时间常数 Tl小很多 ， 可将前两者近似为一个惯性环 xxx 学士学位论文 14 节 ， 取 Ti=Ts+Toi。 这样 ， 经过小惯性环节的近似处理后 ， 电流环的控制对象是一个双惯性环节 ， 要将其设计成典型 Ⅰ 型系统 ， 同理 ， 经过小惯性环节的近似处理后 ，转速环的被控对象形式为 W（ s） =K/s(Ts+1)如前所述 ， 转速环应设计成 Ⅱ 型系统 ， 所以转速调节器也就设计成 PI型调节器。 电流环结构图的简化 在设计电流调节器时反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来麻烦。 转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 （ 31） 式中 ω ci—电流环开环频率特性的截止频率 在按动态性能设计电 流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即 E≈ 0。 这时，电流环如图 32（ a）所示。 若把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/β ,则电流环等效成单位负反馈系统 ,如下图 32（ b）所示。 而 Ts 和 T0i 一般都比 Tl 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为 T∑ i = Ts + Toi （ 32） 简化的近似条件为 （ 33） 则最后可将电流环结构图小惯性环节近似处理，如下图 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图 32（ a）电流环的动态结构图及其化简 H / m oisci131 TT第三章 双闭环直流调速系统的调节器设计 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 ) 电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图 32（ c）可以看出，采用 I 型系统就够了。 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型 I 型系统。 图 32（ c）表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成 （ 34） 式中 Ki电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 li T （ 35） 则电流环的动态结构图便成为图 33 所示的典型形式，其中 （ 36） 图 32(b)电流环的动态结构图及其化简（ vb） x =1 x =1 x =1 x =1 图 32(c)电流环的动态结构图及其化简 x = x = x = ssKsW iiiA C R )1()(  RKKK i siI  xxx 学士学位论文 16 校正后电流环动态结构如图 33 所示， +AC RUc( s )  Ks/R( Tls+ 1)( T is+ 1)Id( s )U*i( s ) 校正后电流环开环对数幅频特性如图 34 所示。 图 34 校正后电流环开环对数幅频特性 电流调节器的参数计算 其中式（ 34）给出，电流调节器的参数有： Ki和 i， 其中 i 已选定，见式（ 35），剩下的只有 比例系数 Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。 在一般情况下，希望电流超调量 i5%，由附录表 32，可选  =， KI T∑ i=，则 （ 37） 再利用式（ 34）和式（ 35）得到 （ 38） 图 33校正后电流环 动态结构图。