基于malab的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由于其性能，永電機(jī)在廣泛范圍內(nèi)的平滑調(diào)幅中具有重要的地位。它的電機(jī)調(diào)幅管理系統(tǒng)在工業(yè)控制中發(fā)揮著重要作用。直線調(diào)速器中最典型的是旋轉(zhuǎn)伏圈調(diào)速器和雙電流封閉調(diào)速器。在當(dāng)今社會,仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種系統(tǒng)尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具,為了簡便工程設(shè)計和解決設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題,利用Matlab中SIMULINK實用工具對直流電動機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真和系統(tǒng)分析就成為我們今天急需探討的課題。2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析設(shè)計一個電力拖動控制系統(tǒng)的依據(jù)就是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)反映了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可調(diào)性;跟隨性能中的超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性;上升時間則反映快速性;抗擾指標(biāo)中的動態(tài)降落也反映系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的快速性,這一切可歸納為穩(wěn)、準(zhǔn)、快3個字。設(shè)計工作就是在此前提下,進(jìn)行各種矛盾的綜合,正確地運(yùn)用各種控制規(guī)律和方法,對原有系統(tǒng)加以改造,并兼顧整個裝置的經(jīng)濟(jì)性,來提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng),就需要對這些性能指標(biāo)進(jìn)行測定和分析,以判斷系統(tǒng)設(shè)計的合理可行性。3雙環(huán)控制的直接調(diào)幅系統(tǒng)3.1電流控制器輸出為了實現(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)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串聯(lián)連接。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)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊,叫做外環(huán),這樣就形了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)原理見圖1所示。3.2雙環(huán)流處理器的動態(tài)特性3.2.1雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu),可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。圖2中,WASR(S)和WACR(S)分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。3.2.2轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程,因此,在分析其動態(tài)性能時,有必要首先探討起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動時,轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖3所示。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和3個階段,整個過渡過程也就分成了3段,在圖中分別標(biāo)以I、II、III。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有著飽和非線性控制、時間最優(yōu)控制和轉(zhuǎn)速超調(diào)的特點(diǎn)。3.2.3動態(tài)性能和兩個控制器之間的關(guān)系1動態(tài)質(zhì)性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下,表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中,由于主電路電流的不可逆性,跟隨性能變差,對于電流內(nèi)環(huán)來說,在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨特性。2動態(tài)速降升雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)具有兩種抗擾性能,即抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后,只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此,在突加(減)負(fù)載時,必然會引起動態(tài)速降(升)。為了減少動態(tài)速降(升),必須在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時,要求系統(tǒng)具有良好的抗擾性能指標(biāo)。3電流調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用為:使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓U*m變化,穩(wěn)態(tài)無靜差;對負(fù)載變化起抗擾作用;其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用為:對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用;起動時保證獲得允許的最大電流;在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中,使電流跟隨其及給定電壓U*i的變化;當(dāng)電機(jī)過載甚于堵轉(zhuǎn)時,限制電樞電流的最大值,從而起到快速的安全保護(hù)作用。如果故障消失,系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。4采用simulik構(gòu)建雙鏈流暢系統(tǒng)模型4.1電流環(huán)測試系統(tǒng)由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而希望超調(diào)量越小越好,同時要求抗擾動性能較好,因此一般都按典型I型系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán),取抗飽和電流調(diào)節(jié)器(PID)中的D為零.建立如下一個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán),其SIMULINK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中為限制起動電流過大在電流環(huán)中采用抗飽和電流調(diào)節(jié)器,由于電流檢測信號中常含有交流分量,故需加低通濾波,其濾波時間常數(shù)TOI按需要選定,濾波環(huán)節(jié)可抑制反饋信號中的交流分量,但同時也給反饋信號帶來延滯,為了平衡這一延滯作用,在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯,使兩者得到恰當(dāng)?shù)呐浜?。為了分析此系統(tǒng)的性能優(yōu)劣,可在系統(tǒng)中加入n3和n4兩處轉(zhuǎn)速監(jiān)測。為了簡化系統(tǒng),在此內(nèi)電流環(huán)建成后,必須進(jìn)行模塊封裝,可將其取名為“被控對象”,繼而再建立它的轉(zhuǎn)速外環(huán)。4.2轉(zhuǎn)速給流后的預(yù)處理轉(zhuǎn)速環(huán)一般選用典型Ⅱ型系統(tǒng)這首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求,其次從動態(tài)性能上看,有較好的抗擾性能。其轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。為限制轉(zhuǎn)速,以免產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)現(xiàn)象,在轉(zhuǎn)速環(huán)中亦采用抗飽和調(diào)節(jié)器(PID)。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換相紋波,因此也需要濾波,濾波時間常數(shù)用Ton表示,跟電流環(huán)一樣道理,在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。并將輸出監(jiān)測分別接到電流輸出和轉(zhuǎn)速輸出端以監(jiān)測、比較系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流特性。此后為簡化系統(tǒng)模型還要進(jìn)行模塊封裝,并對系統(tǒng)的各項參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,這樣在每次運(yùn)行系統(tǒng)時,即會提示用戶輸入系統(tǒng)和電機(jī)的各項參數(shù)。4.3電流電流的特性在此系統(tǒng)完成后,我們要對其各項參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,按照自動控制系統(tǒng)原理,系統(tǒng)參數(shù)可設(shè)定如下。Kn=11.7,K1=1.013,taon=0.087,taoi=0.03,Ton=0.01,Toi=0.02,Ts=0.0017,Ce=0.132,Tm=0.18,T1=0.03,β=0.05,α=0.007,Ks=40,R=0.5,并在系統(tǒng)的輸入端加入階躍輸入信號0～10V,負(fù)載電流設(shè)為0～136A,從而得到我們想要的輸出波形:1)輸出電流I的波形圖(如圖7所示)2)輸出轉(zhuǎn)速n的波形(如圖8所示)3)電流內(nèi)環(huán)中轉(zhuǎn)速n3波形(如圖9所示)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能4)電流內(nèi)環(huán)中轉(zhuǎn)速n4波形(如圖10所示)5出轉(zhuǎn)速n和電流i的特性從n3、n4波形可知,通過電流環(huán)的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)速信號得到了放大,但未經(jīng)過轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)整,轉(zhuǎn)速n4的動態(tài)性能很不穩(wěn)定。從輸出轉(zhuǎn)速n和電流I的波形可看出,起動電流最初上升迅速但超調(diào)量較小,當(dāng)電機(jī)被起動