双闭环控制的直流调速系统 目 录一、任 务 书 2 1.1 设计步骤 2 1.2 注意事项 2二、概 述 3三、原 理 4四、参数计算 10五、实验仿真 13 5.1 系统的建模和模型参数设置 14 5.2 系统的仿真参数设置 20 5.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 21 5.4 分析仿真结果 22 5.5 注意事项 22六、总 结 23 1一、任务书 1.1设计步骤 1 画出系统的仿真模型。 2 主电路的建模与模型的参数设置。 3 控制电路的建模与模型的参数设置。 4 系统的仿真参数设置。 5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析。 6 打印说明书并交软盘一张。 1.2注意事项 1 系统建模时将其分成主电路和控制电路两部分进行。 2 在进行参数设置时晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置的 参数设计原则如下如果针对某个具体装置进行参数设置则对话框的有 关参数应取装置的实际值如果不针对某个具体装置的一般情况可先取 这些装置的参数默认值进行仿真。如果仿真结果不理想则通过仿真实验 不断进行参数优化最后确定其参数。 3 给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系数等可 调参数的设置其一般的方法是通过仿真实验不断进行参数优化。 4 仿真时间根据实际的需要而定以能够仿真出完整的波形为前提。 5 仿真算法的选择通过仿真实践从仿真能否进行、仿真的速度、仿 真的精度等方面进行比较选择。 2二 概述 三十多年来直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用使直流调速系统的性能指标大幅提高应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展走向成熟化、完善化、系列化、标准化在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能宜于在广泛范围内平滑调速在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟并且从反馈闭环控制的角度来看它又是交流拖动控制系统的基础所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。 双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。此课程设计着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 在许多生产机械的工作中由于加工和运行的要求使电动机经常处于启动、制动、反转的过渡过程中因此启动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分的时间仅采用比例积分调节器的转速负反馈单闭环调速系统其性能还不能另人满意。双闭环直流调速系统是电流和转速两个调节器进行综合调节的可获得良好的静、动态性能两个调节器均采用比例积分调节器。由于调整系统的主要参量为转速故将转速环作为主环放在外面电流环作为副环放在里面这样可以抑制电网扰动对转速的影响。 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm 的恒流过程。按照反馈控制规律采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变那么采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以我们希望达到的控制启动过程只有电流负反馈没有转速负反馈达到稳态转速后只有转速负反馈不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用可以在系统中设置两个调节器分别调节转速和电流即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套或称串级联接如下图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入再把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 3在里面称作内环转速换在外边称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 双闭环直流调速系统动态结构图三 原理 实验系统的原理框图如图1所示 图1 图中标出了两个调节器“速度调节器”和“电流调节器”输入输出电压的实际极性它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的并考虑到运算放大器的倒相作用。图中表出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的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 4 启动时加入给定电压Ug“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出使电动机以限定的最大启动电流加速启动直到电动机转速达到给定转速即Ug=Ufn并在出现超调后“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和最后稳定在略低于给定转速值下运行。 在系统工作时要先给电动机加励磁改变给定电压Ug的大小即可改变电动机的转速。“电流调节器”、“速度调节器”均设为限幅环节“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的输入利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压 Uct。利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制 max的目的。 由于调速系统的主要被调量是转速故把转速负反馈组成的环作为外环主环以保证电动机的转速准确地跟随给定值并抵抗外来的干扰把由电流负反馈组成的环作为内环副环以保证动态电流为最大值并保持不变使电动机快速地起动、制动同时还能起限流作用并可以对电网电压波动起及时抗扰 U * U作用。电动机转速由给定电压 n 来确定转速调节器ASR 的输入 n偏差电 * * U U U U n n n i压为 转速调节器ASR的输出电压 作为电流调节器ACR U *的给定信号ASR的输出电压的限幅值 im 决定了ACR给定信号的最大值 U U *U电流调节器ACR的输入偏差电压 i im i电流调节器ACR的输出电压Uc Ucm 作为触发电路的控制电压ACR 输出电压的限幅值 决定了晶闸管整流电 Udm Uc压的最大值 控制着触发延迟角使电动机在期望转速下运转。 U * 0t n 第一阶段 1是电流上升阶段。突加给定电压 后经过两个调节 Uc Udo Id Id IdL器的跟随作用 、 、 都跟着上升但是在 没有达到负载电流 以前 Id IdL电动机还不能转动。当 后电动机开始起动。由于机电惯性的作用转 U U *U速不会很快增长因而转速调节器ASR的输入偏差电压 n n n的数 U * I值仍较大其输出电压保持限幅值 im 强迫电枢电流 d迅速上升。直到I I U U * I d dm i im d 电流调节器很快就压制了 的增长标志着这一阶段的结束。在这一阶段中ASR很快进入并保持饱和状态而ACR一般不饱和。 t1t2 第二阶段 是恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶 U *段中ASR始终是饱和的转速环相当于开环系统成为在恒值电流给定 im 下 Id的电流调节系统基本上保持电流 恒定因而系统的加速度恒定转速呈线 5性增长。与此同时电动机的反电动势E也按线性增长见图b对电流调节 Udo Uc系统来说E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动 和 也必须基 Id本上按线性增长才能保持 恒定。当ACR采用PI调节器时要使其输出量按 U U *U I线性增长其输入偏差电压 i im i必须维持一定的恒值也就是说 d Idm应略低于 。 图 b.双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n*n t 0 第三阶段 2以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值 时转速调节器 ASR 的输入偏差减小到零但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U * im 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 U * I I负使它开始退出饱和状态 i 和 d很快下降。但是只要 d仍大于负载电流IdL Id IdL Te TL 转速就继续上升。直到 时转矩 则dn/dt=0,转速n才到达 6 tt3峰值 时。此后电动机开始在负载的阻力下减速直到稳定。在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 I U *则力图使 d尽快地跟随给定值 i 。1电流调节器ACR原理图c I