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雙閉環直流調速系統的工作原理(一)
目錄
1前言 2
2雙閉環直流調速系統的工作原理 3
2.1雙閉環直流調速系統的介紹 3
2.2雙閉環直流調速系統的組成 4
2.3雙閉環直流調速系統的穩太結構圖和靜特性 5
2.4雙閉環直流調速系統的數學模型 6
2.5雙閉環直流調速系統的起動過程分析 7
2.6雙閉環直流調速系統的動態性能分析 8
2.7雙閉環直流調速系統的動態性能指標 10
2.8雙閉環直流調速系統的頻域分析 12
2.9雙閉環直流調速系統兩個調節器的作用 13
3 MATLAB語言及Simulink 14
3.1仿真技術的背景 14
3.2 Matlab和Simulink簡介 14
3.3 Matlab建模與仿真 15
3.4 Simulink仿真工具 15
3.5控制系統計算機仿真的過程 16
4 Simulink環境中的系統模型、仿真結果及分析 18
4.1電流環的MATLAB計算及仿真 19
4.1.1電流環校正前后給定階躍響的MATLAB計算及仿真 19
4.1.2繪制單位階躍擾動響應曲線并計算其性能指標 20
4.1.3單位沖激信號擾動的響應曲線 22
4.1.4電流環頻域分析的MATLAB計算及仿真 22
4.2轉速環的MATLAB計算及仿真 24
4.2.1轉速環校正前后給定階躍響應的MATLAB計算及仿真 24
4.2.2繪制單位階躍信號擾動響應曲線并計算其性能指標 26
4.2.3單位沖激信號擾動的響應曲線 27
4.2.4轉速環頻域分析的MATLAB計算及仿真 28
5總結 30
附錄 31
參考文獻 36
致謝 37
1前言
許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節，并且要求具有良好的穩態、動態性能。而直流調速系統調速范圍廣、靜差率小、穩定性好以及具有良好的動態性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統。雙閉環直流調速系統是直流調速控制系統中發展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統。
由于該系統的結構較復雜，控制器可調參數較多，所以整個系統的設計和校正比較困難，需要有一個功能全面、分析方便的仿真設計平臺。傳統的仿真設計平臺主要是VC和Delphi等高級語言環境，需要做大量的底層代碼編寫工作，很不方便，效率不高，仿真結果也不直觀。自從MATLAB的Simulink推出以后，動態系統的仿真就變得非常容易了。因其含有極為豐富的專用于控制工程與系統分析的函數，具有強大的數學計算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫出系統的動態結構圖模型，編寫極簡單的程序，即可對該系統進行仿真，效率極高，環境友好，從而給系統的設計和校正帶來很大的方便。Matlab在學術和許多實際領域都得到廣泛應用，已成為國際控制界應用最廣的語言和工具。
本課題主要是在Simulink環境中對雙閉環直流調速系統進行仿真設計，具體內容有：對電流調節器和轉速調節器進行校正設計；對電流環和轉速環進行時域和頻域分析；對調速系統進行跟隨性和抗擾性分析。
2雙閉環直流調速系統的工作原理
2.1雙閉環直流調速系統的介紹
雙閉環（轉速環、電流環）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強的優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環調速系統可以在保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。
在單閉環系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖2-1a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。
在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）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（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。
(a)帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程
(a)Current deadline with a single negative feedback loop (b)an ideal quick start process
speed control system starting process
圖2-1 調速系統起動過程的電流和轉速波形
Fig2-1 speed system start of the current process and speed waveform
實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變[1]，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，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發揮主作用，因此我們采用雙閉環調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。
2.2雙閉環直流調速系統的組成
為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。
該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和ACR一般都采用PI[1]調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度[1]，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性[1]；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。
圖2-2 轉速、電流雙閉環直流調速系統
Fig2-2 rotation、current double closed loop
DC rotation regulation system
U*n、Un—轉速給定電壓和轉速反饋電壓
U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓
ASR—轉速調節器 ACR—電流調節器 TG—測速發電機
TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器
2.3雙閉環直流調速系統的穩太結構圖和靜特性
首先要畫出雙閉環直流系統的穩態結構圖2-3a，分析雙閉環調速系統靜特性的關鍵是掌握PI調節器的穩太特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值；不飽和——輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓[1]在穩太時總是為零。
圖2-3a 雙閉環調速系統的穩態結構圖
Fig2-3a Double-loop speed control system of steady-state chart
—轉速反饋系數 —電流反饋系數
—Speed feedback coefficient —Current feedback coefficient
實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。
（一）轉速調節器不飽和
此時兩個調節器都不飽和，穩態時，他們的輸入偏差電壓都為零，即
由得：
從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。
由，且ASR不飽和得：，說明n0-A段靜特性從(理想空載狀態)一直延續到，而一般都大于額定電流的。
（二）轉速調節器飽和
此時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環變成一個電流無靜差的單閉環系統。穩態時有：
從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。
雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差[1]，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。
圖2-3b 雙閉環調速系統的靜特性
Fig2-3b Double-loop speed control system of static characteristics
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