学位论文-—试论双闭环直流调速系统性能改善.doc

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1、试论双闭环直流调速系统性能改善的根本原因摘 要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。本文用MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统进行仿真。关键词：双

2、闭环控制系统，转速控制环，电流控制环，MATLAB ABSTRACTDC motor has a good start, braking performance, it is appropriate to smooth speed over a wide range, has been widely used in many speed control and (or) fast forward and reverse electric drive field. In recent years, the rapid development of high-performance AC vari

3、able speed AC drive system has been gradually replacing the DC speed control system. DC drive control system, however, not only in theory and in practice are more mature, is still used; and from the point of view of the control law, the DC drive control system is the basis of the AC drive control sy

4、stem. Therefore, grasp the basic law of the DC drive control system and control method is necessary.Speed, current feedback control for DC motor static and dynamic performance, the most widely used DC speed control system. Speed, current feedback control for DC motor using MATLAB simulation software

5、 simulation. Key words: Double-loop control system, speed control loop, current control loop, MATLAB目 录摘要.2ABSTRACT.2一、引言.4二、直流调速系统.4三、双闭环直流调速系统的组成.5四、双闭环直流调速系统的性能分析.6（一）、静特性.6（二）、动态特性. .71、起动过程分析.72、动态抗扰性能分析.9五、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真及析.10小结.9参考文献.9一、 引 言：在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机

6、床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。目前，转速电流双闭环控制直流调速系统是性能很好应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，

7、如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速电流双闭环控制直流调速系统。二、直流电机调速系统运动控制的采用工程单位制的基本运动方程简化式为:其中GD2为转动惯量（N/m2），n为转子的机械转速（r/min），Te为电磁转矩，Tl为负载转矩。可见,转矩控制是运动控制的根本.对于电机而言,主要是控制电磁转矩,在励磁电流稳定的情况下,主要是对电流的控制。反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态

8、转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。这种理想的起动过程如图1.1所示。0nnt 图1.1理想启动过程单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。三、双闭环

9、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，

10、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四、双闭环直流调速系统的性能分析（一）、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

11、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。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

12、过电流的自动保护。 图2 双闭环调速系统的静特性（二）、动态特性1、起动过程分析设系统起动前处于停车状态：Un*=0，Ui=0，Uct=0,n=0，Ui+=0，=90。，进入起动过程。按照转速调节器ASR在起动过程中经历的不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的I、三个阶段。第1阶段电流上升阶段(0t1)：突加Un*Un很大ASR迅速饱和Ui=UimUct、迅速上升n上升IdfIdm时，Ui=Uim*，电流调节器很快压制了Id的增长，标志本阶段结束。在本阶段：A迅速饱和(Un增长慢)。ACR不饱和(Ui增长快)。第2阶段恒流升速阶段(tlt2)：ASR始终饱和，转速环相当于开环

13、，系统成为在恒值电流给定Uim*下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程中的主要阶段。ACR一般选用PI调节器，电流环按典型型系统设计，并且在启动过程中ACR不应饱和。当阶跃扰动作用在ACR之后时，能够实现稳态无静差，而对斜坡扰动则无法消除静差。第3阶段转速调节阶段(t2以后)：当转速上升到给定值n*时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流Idl，转速就继续上升。直

14、到Id=Idl时，转矩Te=Tl，则dn/dt=0，转速n到达峰值。此后IdIdl，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id很快地跟随其给定值Ui*。2、动态抗扰性能分析由于转速环和电流环都采用了PI调节器,其主要特征是静态基本无误差,动态抗扰动能力强。（一）抗电网电压扰动在双闭环调速系统中,电网电压的扰动处在电流环内,当电压扰动引起电流变化时,可以通过电流负反馈环节进行调节,即不必等到影响转速时,就已被抑制。（二）抗负载扰动负载扰动在电流环之外,转速环之内,所以负载扰动靠转速负反馈环节进行调节。

15、（1）正常电流（IdIdm）,即Ufn很大Usi也很大，ASR输出限幅值UsimUcR为正值UcUd0n直至堵转。双闭环调速系统的静特性是理想的挖土机特性,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。在负载电流达到Idm后,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到了过电流的自动保护。本质的说是对电磁转矩的控制，更进一步的是对电枢电流的控制。五、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真（一）、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,5

16、5A,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（二）、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

17、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

18、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：双闭环直流调速系统起动过程的被控制对象是转速，能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式打到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动，它有效的改善了控制对象的结构性能。转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：系统的调整性能好，又很硬的静特性，基本上无硬差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。 纵观整个设计，经典部分是已学过的知识，通过设计深入理解了工程设计方法，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对直流调速系统的控制有了更深的认识。但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决。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 14