双闭环直流调速系统性能改善的根本原因.doc
南 通 大 学 电机控制技术论文题目：试论双闭环直流调速系统性能改善的根本原因姓 名： 于培培 班 级： 电102 学 号： 1012021037 指导教师：吴 晓 专 业：电气工程及其自动化 南通大学电气工程学院 2013年04月目 录摘要.3关键字.3引言.3一 转速、电流双闭环直流调速系统基本原理1双闭环直流调速系统的组成. .32双闭环直流调速系统的静特性. .43双闭环调速系统的动态特性. .54双闭环直流调速系统的启动特性.6二 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真 1 转速单闭环直流调速系统的simulink仿真.62 双闭环直流调速系统的simulink仿真.8小结.11参考文献.11 摘 要 转速电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统,利用电流调节器和转速调节器控制,可以无限逼近理想启动过程。本文分析了系统的控制原理，建立了系统的动态数学模型，并利用MATLAB中的Simulink进行了系统建模仿真,给出了仿真结果。通过对结果的分析进一步验证了双闭环调速系统的优越性。 关键字 双闭环调速，MATLAB/Simulink仿真引 言 直流电动机具有良好的运行和控制特性，仍有广阔的应用市场。建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理，也是交流调速控制的基础。为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想的启动。转速、电流双闭环直流调速系统是国内外使用最广泛的直流调速系统，具有启制动快速、突加负载时动态速降小、静态性能良好等优点。MATLAB中的Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink已被广泛应用于控制理论，具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，给分析双闭环调速系统的动态模型带来很大的方便。本文首先阐述了双闭环直流调速系统的静态特性、动态特性和启动特性。然后，利用MATLAB/Simulink搭建双闭环直流调速系统仿真模型，通过仿真结果说明双闭环直流调速系统有良好的动态特性。一 转速、电流双闭环直流调速系统基本原理1 双闭环直流调速系统的组成转速一电流双闭环直流调速系统的结构如图1所示。图中，M为直流电动机，TG为测发电机，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为触发器，TA为电流互感器，VT整流装置。Un*为转速给定电压，Un为转速反馈电压，Ui*为电流给定电压，Ui为电流反馈电压，Uc为控制电压，Ud0为电枢端电压。两个调节器之间实行串级联接，转速调节器ASR的输出是电流调节器ACR的输入，其输出Uc控制电力电子变换器。从闭环结构上看，转速环在外环，电流环在内环，这就构成了转速一电流双闭环直流调速系统。 电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环（内环）；转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环（外环）。ASR和ACR均为PI调节器，输入输出均设有限幅电路。 图1 转速一电流双闭环直流调速系统2 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的稳态特性如图2所示。在正常负载时，双闭环调速系统的速度调节器ASR不饱和，依靠ASR的调节作用，表现为转速无静差，保证系统具有较硬的机械特性（稳态运行无静差）。如图2中的n0A段。电动机负载加重时，转速下降，ASR迅速进入饱和状态，同时输出限幅值。ASR失去了调节作用，转速外环呈现开环状态，系统在固定的最大给定电流作用下，依靠电流环对电流继续进行调节，系统由恒转速变为恒电流调节，如图2中的AB段所示。实际特性如虚线所示。从静特性上看，转速环要求电流迅速地跟随转速变化，而电流环则力图保持电流不变，这种性能有使静特性变软的趋势，但它对包在外面的速度反馈环来说相当于一种扰动作用。当速度调节器ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被ASR的积分作用消除。一旦ASR饱和，转速环失去作用，仅电流环在起作用，这时系统表现为恒流调节系统。结论：双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 图2 双闭环调速系统的静特性3双闭环调速系统的动态特性图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有图3 双闭环调速系统动态结构4 双闭环直流调速系统的启动特性双闭环调速系统的启动过渡过程分为启动开始、加速、和启动结束三个阶段。转速调节器在第一阶段由不饱和到饱和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节状态；而电流调节器始终处于不饱和的线性调节状态。 突加给定电压时，转速负反馈还来不及反映出来，转速调节器便很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压，经过电流调节器使电机很快启动。之后，虽然转速反馈电压增大，但由于ASR的积分作用，只要转速反馈电压小于速度给定电压，ASR输出就维持在限幅值之上，直到转速产生超调。因此，在启动过程中，相当于速度环处于开环状态，系统只在电流环的恒值调节作用下，保证电机恒最大电流下启动，直到转速超调后速度环才开始真正发挥作用。带电流内环的双闭环系统最大限度地利用了，电机的过载能力使系统过渡过程最短。二 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真1 转速单闭环直流调速系统的Simulink仿真首先，本文对转速单闭环调速系统进行了Simulink仿真建模，如图4所示。各环节参数如下：直流电动机：220V,55A,1000r/min, Ce=0.192 。假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167s。电枢回路总电阻R=1.0，电枢回路电磁时间常数Tm=0.075s。转速反馈系数为0.01。对应额定转速时的给定电压Un*=10V。图4 转速单闭环调速系统Simulink仿真图图5 转速单闭环闭环调速系统仿真结果图2 双闭环直流调速系统的simulink仿真图6 双闭环调速系统结构Simulink仿真图根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，提取各元件的仿真模块，连接模块得到按传递函数仿真的双闭环控制直流调速系统仿真模型，如图6所示。其中，电流环PI参数为：1.013+33.767/s，转速环PI参数为：11.7+134.48/s。双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动时的转速与电流响应曲线，如图7所示，最终稳定运行于给定转速。如把负载电流的设置为136，满载起动，其起动转速与电流响应曲线如图8所示，起动时间延长，退饱和超调量减少。利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真，它是在负载电流的输入端加上负载电流，图9是在空载运行是突加额定负载的转速与电流响应曲线。图7 转速环空载高速起动波形图图8 转速环满载高速起动波形图图9 转速环的抗扰波形图从图7仿真结果可以看到，电动机的启动经历了电流、上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。与电动机的开环系统相比，电动机起动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用，使最大电流限制在设定的范围内。小结由图5和图7的对比可知，转速、电流双环调速系统具有理想的快速启动过程。 参考文献1阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2009.82 王祖亮,侯北平,等. 基于Simulink的双闭环调速系统仿真研究J. 浙江科技学院学报,2009.3:6-9 3 魏炳贵.电力拖动基础.机械工业出版社，2011.94 王兆安,等.电力电子技术.机械工业出版社，2009.5 5 周渊深,等.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社，2003.6
