基于malabsimulink的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真

0雙閉環(huán)阻尼器雙環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)是目前無刷直流監(jiān)控系統(tǒng)中的主流設(shè)備。它具有廣闊的速度范圍、良好的穩(wěn)定性和較高的穩(wěn)速速度。這是一個相對成熟的系統(tǒng)。70年代以來,在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。對于電流內(nèi)環(huán)來說,在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)強調(diào)有良好的跟隨性能。對于轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)來說,要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。1直流壓力管理系統(tǒng)的設(shè)計要求1.1逆變裝置的參數(shù)特性電機參數(shù)為:額定功率PN=2.8kW;額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min;額定電壓UN=220V;電樞電阻Ra=1.5Ω;額定電流IN=15.6A;電磁時間常數(shù)τL=0.008s;機電時間常數(shù)τM=0.25s。系統(tǒng)中的變流裝置采用三相橋式逆變電路,逆變路的內(nèi)阻為RV=1Ω,逆變裝置的電壓放大倍數(shù)Kv=50,速度給定的最大電壓為Ucnm=9.5V,其對應(yīng)最高運行轉(zhuǎn)速為nm=1200r/min,速度調(diào)節(jié)器限幅值Ucim=8V?；魻杺鞲衅饕?V直流電源供電,其輸出轉(zhuǎn)子位置信號為120°等寬方波信號。根據(jù)上述固有系數(shù),在圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中,固有部分的若干主要參數(shù)可計算如下:(1)ceuninrannCe=UΝ-ΙΝRanΝ=220-15.6×151500=0.13V/r?min-1(1)Ce=UN?INRanN=220?15.6×151500=0.13V/r?min?1(1)(2)三橋式逆變的延遲τV=12mf=12×6×50=0.0017s(2)τV=12mf=12×6×50=0.0017s(2)(3)主電源的總功率RΣ=Ra+RV=1.5+1=2.5Ω(3)1.2預(yù)選參數(shù)(1)r0顯示了開關(guān)輸入電路的電壓損失一般調(diào)節(jié)器的輸入電阻均取相同數(shù)值,本文取R0=20kΩ。(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出量設(shè)最大允許電流Iam=IN=15.6A,當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)電流被認為是無靜差時,則ACR入口偏差電壓ΔUi=Uci-Ufi≈0故Uci≈Ufi=βIa。當電樞電流處于最大允許電流時,此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出量為Uci=Ucim。由Ucim=βIam可求得電流反饋系數(shù)β=UcimΙam=815.6≈0.5V/Aβ=UcimIam=815.6≈0.5V/A(3)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),轉(zhuǎn)速被認為是無靜差時,則ASR入口偏差電壓ΔUn=Ucn-Ufn≈0,故Ucn=αn由Ucnm=αnm可求得轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=Ucnmnm=9.5V1200r/min≈0.0083V?min/rα=Ucnmnm=9.5V1200r/min≈0.0083V?min/r(4)不同濾波器的輸入電流反饋信號的濾波時間常數(shù)τfi一般取1～3ms,本文取τfi=2ms。轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)τfn=10ms。為了補償電流、轉(zhuǎn)速反饋的慣性影響,在速度給定和電流給定的輸入端設(shè)置給定濾波器,使電流給定濾波時間常數(shù)τci=τfi,速度給定濾波時間常數(shù)τcn=τfn。目前給定濾波器和反饋濾波器多設(shè)在調(diào)節(jié)器輸入端,如圖2所示。其時間常數(shù)的計算公式為τ=14R0C0(4)τ=14R0C0(4)1.3為控制設(shè)計要求測定靜態(tài)指標：無靜差動態(tài)指標:電流超調(diào)量σi%≤5%空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%≤10%。2供電裝置的設(shè)計2.1單位負反饋系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán),其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由圖3可以看到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)中有復(fù)數(shù)求和的部分,這對于計算調(diào)節(jié)器是不利的,為此需要對圖3作一些簡化工作。在計算電流的動態(tài)響應(yīng)時,可以把電動機的轉(zhuǎn)速看成恒量,亦即可把反電動勢E看成恒量,從而把E略去,本系統(tǒng)假定為理想空載,即IL=0,并略去E的影響。將非單位負反饋系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱挝回摲答佅到y(tǒng),將高頻段小慣性群的近似處理。當把電流反饋環(huán)節(jié)的慣性時間常數(shù)τfi和逆變裝置等效時間常數(shù)τv近似為小時間常數(shù)時,可以用一個時間常數(shù)τΣi來近似等效,即τΣi=τfi+τv=0.002+0.0017=0.0037s由以上分析可得出電流環(huán)等效圖(見圖4),由圖4可寫出GΡ(s)=βΚV/RΣ(τLs+1)(τΣis+1)(5)GP(s)=βKV/RΣ(τLs+1)(τΣis+1)(5)2.2電流調(diào)節(jié)器計算根據(jù)對電流環(huán)的設(shè)計要求,電流環(huán)應(yīng)按二階典型系統(tǒng)K=1/2τΣi來設(shè)計,即電流環(huán)預(yù)期開環(huán)頻率特性為G0i=12τΣi(1+τΣis)(6)G0i=12τΣi(1+τΣis)(6)由GP(s)表達式可知,電流環(huán)固有部分的傳遞函數(shù)由兩個慣性環(huán)節(jié)組成,其中一個慣性環(huán)節(jié)用小時間常數(shù)τΣi來表示。顯然,在上述條件下,電流調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI調(diào)節(jié)器,即GACR(s)=ΚACRτis+1τis(7)GACR(s)=KACRτis+1τis(7)其中,τi=τL=0.008s。ΚACR=12RΣτLΚVβτΣi=2.5×0.0082×0.0037×50×0.5=0.1KACR=12RΣτLKVβτΣi=2.5×0.0082×0.0037×50×0.5=0.1于是,由電流調(diào)節(jié)器的KACR=0.1及τi=0.008s可求得Ri和Ci。若R0=20kΩ,則有Ri=KACRR0=0.1×20kΩ=2kΩ。由τi=RiCi可得Ci=τiRi=0.0082×103F=4μFCi=τiRi=0.0082×103F=4μF此外,由公式(4)知,輸入濾波器的時間常數(shù)為τci=τfi=R0C0i/4,由τci=τfi=0.002s,可得C0i=4×2×10-320×103F=0.4μFC0i=4×2×10?320×103F=0.4μF取C0i=0.47μF2.3試驗的基本條件電流環(huán)剪切頻率為ωci=12τΣi=12×0.0037s-1=135s-1ωci=12τΣi=12×0.0037s?1=135s?1(1)近似條件13τV=13×0.0017s-1=196.1s-1＞ωci13τV=13×0.0017s?1=196.1s?1＞ωci故滿足近似條件。(2)近似條件:1.0.97s,1.ωci≤13√1τVτfi13√1τVτfi=13√10.0017×0.002s-1=180.77s-1＞ωciωci≤131τVτfi????√131τVτfi????√=1310.0017×0.002????????√s?1=180.77s?1＞ωci滿足近似條件。3速度控制器的設(shè)計3.1/222222222222222222222222222222222222222221222222212221222222222221/52222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222由公式(6)可知校正后電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。于是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Ιa(s)Uci(s)=1/β2τ2Σis2+2τΣis+1(8)ωcn≤1/(5τΣi)Ia(s)Uci(s)=1/β2τ2Σis2+2τΣis+1(8)ωcn≤1/(5τΣi)時,可以把式(8)的振蕩環(huán)節(jié)近似處理為一階慣性環(huán)節(jié),即12τΣi2s2+2τΣis+1≈11+2τΣis(9)3.2單位負反饋系統(tǒng)將電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)取代圖1中的電流環(huán),并將非單位負反饋變換成單位負反饋系統(tǒng),將小慣性環(huán)節(jié)合并,簡化可得如圖6。其中小慣性群的時間常數(shù)τΣn為τΣn=τfn+2τΣi=(0.01+2×0.0037)s=0.0174s3.3速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由圖6可知,速度環(huán)固有部分的傳遞函數(shù)是由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性群組成的,如果要求系統(tǒng)對負載擾動是無靜差的,則系統(tǒng)一定要按三階典型系統(tǒng)設(shè)計。此時速度調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器,其形式為GASR(s)=ΚASRτns+1τns調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Gon(s)=ΚASRαRΣτnβCeτΜτns+1s2(τΣns+1)=Κnτns+1s2(τΣns+1)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)增益為Κn=ΚASRαRΣτnβCeτΜ?Κn=h+12h2τ2Σn(10)速度調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)ΚASR=ΚnτnβCeτΜαRΣ=(h+1)βCeτΜ2hαRΣτΣn(11)選h=5。3.4放大系數(shù)pahsr速度調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)為τn=hτΣn=5×0.0174=0.087s開環(huán)增益Kn為Κn=h+12h2τ2Σn=5+12×52×0.01742=396比例放大系數(shù)KASR為ΚASR=ΚnτnβCeτΜαRΣ=(h+1)βCeτΜ2hαRΣτΣn=6×0.5×0.13×0.2510×0.008×2.5×0.0174≈28Rn=28×20kΩ=560kΩ由τn=RnCn可求出Cn=τnRn=0.087560×103F=0.15μFC0n=4τcnR0=4×10×10-320×103F=2μF4轉(zhuǎn)速動態(tài)特性仿真分析為了驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在t=3時突加負載,其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示;轉(zhuǎn)速和電流波形如圖8和圖9所示。在仿真中,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器不限幅時,起動過程中,電機電流沖擊很大,電機轉(zhuǎn)速上升很快。實際調(diào)速系統(tǒng)為防止起動過程中的沖擊電流,須采用帶飽和特性的PI調(diào)節(jié)器,再次仿真中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器加限幅以后,在調(diào)節(jié)參數(shù)不變情況下,轉(zhuǎn)速給定加常量輸入時,轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)曲線出現(xiàn)振蕩。分析其原因如下:由于加限幅以后,限幅深度太深,由原來的近600A限制到只有16A,因此,系統(tǒng)相當于加了一個大的慣性環(huán)節(jié),這樣在原設(shè)計參數(shù)情況下,轉(zhuǎn)速動態(tài)相應(yīng)曲線出