雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理(一)

目錄
1前言2
2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理3
2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹3
2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成4
2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性5
2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型6
2.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程分析7
2.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析8
2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)10
2.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析12
2.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用13
3 MATLAB語(yǔ)言及Simulink14
3.1仿真技術(shù)的背景14
3.2 Matlab和Simulink簡(jiǎn)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(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程16
4 Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析18
4.1電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真19
4.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計(jì)算及仿真19
4.1.2繪制單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)20
4.1.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線22
4.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真22
4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真24
4.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應(yīng)的MATLAB計(jì)算及仿真24
4.2.2繪制單位階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)26
4.2.3單位沖激信號(hào)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線27
4.2.4轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計(jì)算及仿真28
5總結(jié)30
附錄31
參考文獻(xiàn)36
致謝37

1前言
許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。
由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制器可調(diào)參數(shù)較多，所以整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正比較困難，需要有一個(gè)功能全面、分析方便的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)。傳統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)主要是VC和Delphi等高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境，需要做大量的底層代碼編寫(xiě)工作，很不方便，效率不高，仿真結(jié)果也不直觀。自從MATLAB的Simulink推出以后，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)分析的函數(shù)，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫(huà)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，編寫(xiě)極簡(jiǎn)單的程序，即可對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，效率極高，環(huán)境友好，從而給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正帶來(lái)很大的方便。Matlab在學(xué)術(shù)和許多實(shí)際領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，已成為國(guó)際控制界應(yīng)用最廣的語(yǔ)言和工具。
本課題主要是在Simulink環(huán)境中對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容有：對(duì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正設(shè)計(jì)；對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。

2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理
2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹
雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。
在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。
在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖2-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。
(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)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(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形
Fig2-1 speed system start of the current process and speed waveform
實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的'負(fù)反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌�的階段。
2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成
為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。
該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI[1]調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[1]，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)