双闭环直流调速系统

电机控制技术小论文论题：试论双闭环直流调速系统性能改善的根本原因学院：电气工程学院班级：电114班姓名：学号：指导教师：吴晓完成日期：2014.04.13目录摘要...................................................11、引言................................................12、双闭环直流调速系统的组成............................13、双闭环直流调速系统的数学模型........................24、双闭环直流调速系统的静特性..........................35、双闭环调速系统的动态特性............................45.1、启动过程分析.................................55.2、动态抗扰性能分析.............................66、结论................................................8参考文献...............................................9南通大学电气工程学院电机控制技术小论文1摘要：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，其不仅具有良好的速度跟踪性能，而且对电源电压波动等具有很强的抗干扰能力。本文将从双闭环直流调速系统的组成，静特性以及动态过程等几个方面来阐述其具有良好性能的原因，并通过MATLAB软件下的Simulink进行仿真。关键词：双闭环调速系统；电流环；转速环；Simulink1、引言在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能，提高生产率，速度控制系统经常处于启动、制动、反转以及突加负载等过渡过程中。所以就要求速度控制系统具有良好的动态性能。而对高性能动、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随性能（起制动）、较好的抗干扰特性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。由电动机的动力学方程：eT-LT=3752GDdtdn可知，调节转速最为有效的办法是调节电磁转矩也就是电枢电流所以要获得转速的高性能动态响应，首先要做好电磁转矩（电枢电流）的控制。由控制理论知，理想的控制方案是对各个状态变量实施反馈控制（即若要控制哪个量最好的方法就是引入该量的负反馈）。直流调速系统中被控对象电机的状态变量是电枢电流dI和转速n，因此转速、电流双闭环系统就是实现了被控对象状态变量的全反馈，从而改善系统的性能。为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。2、双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统原理图如图1所示。其中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，两者之间实行串级连接。其中由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环在里面，称为内环；由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环在外面，称为外环。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器通常都采用PI调节器，其输出都是带限幅的，转速调节器的输出限幅值*imU决定了电流的最大值dmI=*imU，南通大学电气工程学院电机控制技术小论文2电流调节器的输出限幅值*imU限制了UPE的最大输出mdU0。双闭环调速系统设有速度和电流两个调节器ASR和ACR，并组成了具有内、外转速、电流两个闭环的控制系统。转速给定电压为速度调节器的给定，与转速反馈信号比较后输入ASR；速度调节器的输出作为电流调节器的给定，与电流反馈信号比较后输入ACR；电流调节器的输出作为移相触发器的控制电压。系统工作时，应首先给电动机加额定励磁电压，改变给定电压*nU，即可方便地调节电动机的转速。ASR和ACR均设有限幅电路，利用ASR的限幅值达到限制起动电流的目的，利用ACR的限幅值达到控制min和min的目的。当加入给定电压*nU起动时，ASR饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动。直到电动机转速达到给定转速（即*nU=nU）并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在给定转速的相应数值上。系统正常工作后，对于给定的转速要求，无论负载在允许范围内如何变化，转速应该恒定不变。图1转速、电流双闭环直流调速系统原理图3、双闭环调速系统的数学模型采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流dcrI值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2a)所示。南通大学电气工程学院电机控制技术小论文3a)b）c）图2调速系统启动过程的电流和转速波形a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程b)理想快速启动过程c）实验图当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图2b）所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2b）所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。4、双闭环直流调速系统的静特性根据原理图可以画出双闭环调速系统的稳态结构图及静特性分别如图3(a)、(b)所示。nIdnIdlt0IdlnIdn0t南通大学电气工程学院电机控制技术小论文4(a)稳态结构图α-转速反馈系数β-电流反馈系数(b)静特性图3双闭环调速系统的稳态结构图及静特性PI调节器工作时有饱和与不饱和两种状态，实际系统中一般不使ACR饱和，这样就只有转速调节器存在饱和与不饱和两种情况。由上图可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器ASR的饱和输出，这时，电流调节器ACR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。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要强得多。5、双闭环调速系统的动态特性图4绘出了双闭环调速系统的动态结构图。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。图4双闭环调速系统的动态结构图UcnUd0U*iACR-Ksα1/CeU*nIdEUn++-ASR+-IdRRβUin0IdIdmIdnOnABC南通大学电气工程学院电机控制技术小论文55.1启动过程分析图2为双闭环调速系统在突加给定电压时的启动过程的电流和转速波形。从图2知,整个起动过程分为三个阶段：第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压*nU后,通过两个调节器的控制作用,使ctU、0dU、dI都上升，当dI≥dlI后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压△nU=*nU-nU数值较大，其输出很快达到限幅值*imU，强迫电流dI迅速上升。当dI≈dmI时，iU≈*imU，电流调节器的作用使I不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值dmI开始，到转速升到给定值*n为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定*imU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值*imU，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ACR的给定电压*iU立即从限幅值下来，主电流dI也因此下降。但是，由于dI仍大于负载电流dlI，在一段时间内，转速仍继续上升。到dI=dlI时，转距eT=lT，则dtdn=0，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流dI也出现一小段小与dlI的过程，直到稳定。综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点：1）饱和非线性控制：随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。2）准时间控制：启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。南通大学电气工程学院电机控制技术小论文63）转速超调：由于采用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第III阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压△nU为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。正是由于这三个特点，才使得双闭环调速系统在阶跃给定下有很好的动态响应，即跟随性能。5.2动态抗扰性能分析(一)抗负载扰动由图5可以看出，由于负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，双闭环调速系统只能依靠ASR来进行抗扰调节,与单闭环调速系统类似。南通大学电气工程学院电机控制技术小论文7图5双闭环与单闭环直流调速系统的抗负载扰动仿真模型与结果(二)抗电网电压扰动在双闭环系统中，由于电网电压扰动被包围在电流环里面，当其波动时可以通过电流反馈得到及时调节，不必等到它影响到转速后才由转速调节器作出反应，因此双闭环系统中电网电压扰动引起的动态速降(升)比单闭环小得多，其仿真模型如图6所示。南通大学电气工程学院电机控制技术小论文8图6双闭环与单闭环直流调速系统抗电网电压仿真模型与结果6、结论（一）两个调节器的作用ASR:（1)使转速n跟随给定电压*nU变化，稳态无静差；(2)抵抗负载扰动；(3)输出限幅值决定允许的最大电流。ACR:（1）起动时保证获得允许的最大电流，实现准时间最优控制；(2)对电网