1、精選優質文檔-傾情為你奉上第二章 雙閉環直流調速系統和仿真軟件2.1 轉速、電流雙閉環調速系統概述采用調節器的單閉環直流調速系統，既保證了動態穩定性，又能作到無靜差，很好地解決了系統中動、靜態之間的矛盾。然而系統中只靠電流截止環節來限制啟動和升速時的沖擊電流，其性能仍然不能令人滿意。主要問題是，不能在充分利用電機過載能力的條件下獲得最快的動態響應，甚至使啟動和加速過程拖長。自動控制理論提示，進一步解決問題的唯一途徑就是對電流這個物理量也實行負反饋控制。同時在電流控制回路中設置一個調節器，專門用于調節電流量。這樣，系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流。這樣的系統，稱為轉速、電流雙閉環調速系統

2、。2.2 轉速、電流雙閉環調速系統的組成為了實現轉速負反饋和電流負反饋在系統中分別起作用，又不致互相牽制而影響系統的性能，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流。二者之間實行串級聯接，即以轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管的觸發裝置。其原理結構圖如圖2.1所示。圖中，是轉速調節器，是電流調節器，兩種調節器作用互相配合，相輔相成。從閉環反饋的結構上看，電流調節環在里面，是內環；轉速調節環在外面，成為外環。這樣就組成了轉速、電流雙閉環調速系統。為了使轉速、電流雙閉環調速系統具有良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用調節器，且轉速和電流都采用負反

3、饋閉環。圖中還標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照觸發裝置的控制電壓需要正電壓，并考慮到運算放大器的倒相作用后確定的。這是在組成雙閉環調速系統時首先應解決的實際問題之一。在組成雙閉環調速系統時必須解決的另一個問題是調節器限幅值的整定問題。轉速調節器的輸出限幅（飽和）電壓決定了電流調節器給定電流的最大值，它完全取決于電動機的過載能力和系統對最大加速度的需要；電流調節器輸出電壓的正限幅（+）則表示對觸發裝置最小移相角 的限制（即）或對晶閘管裝置輸出電壓最大值的限制。采用運算放大器作調節器時，輸出限幅可采用內限幅和外限幅兩種方法。圖2.1 雙閉環調速系統原理結構圖2.3 雙閉環調速系統

4、的靜特性 為了分析雙閉環調速系統的靜特性，必須先繪出它的穩態結構圖，繪制穩態結構圖的關鍵是掌握限幅輸出的調節器在穩態時的特征。一般有兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出；當調節器不飽和時，比例積分作用使穩態輸入偏差電壓總是零。在圖2.1中，只要注意用帶限幅的輸出特性表示調節器，就可以很方便地繪出雙閉環調速系統穩態結構圖，如圖2.2所示。實際上，在正常運行時，電流調節器不會達到預先設計好的飽和狀態，因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器的飽和與不飽和兩種情況。1.轉速調節器不飽和這時，兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電

5、壓都是零。因此， （2-1） （2-2）圖2.2 雙閉環調速系統的穩態結構圖R由式（2-1）可得 （2-3）從而可畫出圖2.3所示的靜特性的段。圖2.3 雙閉環調速系統的靜特性 與此同時，由于不飽和，從式（2-2）可知：。這表明， 段靜特性從（理想空載狀態）一直延續到，而一般都是大于額定電流的。這正是靜特性的運行段。2.轉速調節器飽和轉速調節器飽和，輸出達到限幅值，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單閉環系統。穩態時， （2-4）式中，最大電流是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統允許的最大加速度。式（2-4）所描述的靜特性是圖2.3

6、中的段。這樣的下垂特性只適合于的情況。因為時， ，將退出飽和狀態。綜上所述，雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差；當負載電流達到后表現為電流無靜差，使系統得到保護。這就是采用兩個調節器分別形成兩個“串級”閉環的效果。這樣的特性顯然比帶有電流截止負反饋的單閉環系統的靜特性要強得多。2.4 穩態工作點和穩態參數的計算由圖2.2可以看出，雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系： （2-5） （2-6） （2-7）上述關系表明，在穩態工作點上，轉速是由給定電壓決定的，的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于和，或者說，同時取決于和。這

7、些關系反映了調節器不同于調節器的特點。比例環節的輸出量總是正比于其輸入量，而調節器則不然，其輸出量的穩態值與輸入無關，而是由它后面環節的需要決定的。后面需要調節器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點，雙閉環調速系統的穩態參數計算與單閉環有靜差系統完全不同，而是和無靜差系統的穩態計算相似。穩態時，轉速等于給定值，電流等于負載電流，和的輸入偏差電壓都是零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。根據各調節器的給定與反饋值計算有關的反饋系數：轉速反饋系數： （2-8）電流反饋系數： （2-9）兩個給定電壓的最大值 和是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。2.5 雙閉環調速系統

8、的動態特性1.雙閉環調速系統的動態數學模型根據雙閉環調速系統的原理結構圖2.1，即可繪出雙閉環調速系統的動態結構圖如圖2.4所示。圖中和分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。2.雙閉環調速系統啟動過程分析雙閉環調速系統突加給定電壓后，由靜止狀態啟動時轉速和電流的過渡過程波形示于圖2.5中。由于在啟動過程中轉速調節器經歷了不飽和、飽和、退出飽和三個階段，因此，整個過渡過程也分為三段，在圖2.5中分別標以、。第一階段是電流上升階段，突加給定電壓后，通過兩個調節器的控制作用使、都上升。當后，轉速開始增長。由于電動機機電慣性較大，轉速和轉速反饋增長較慢，因而轉速調節器的輸入偏差電壓數值較大，其輸出

9、很快達到限幅值，并輸送給電流調節器，使其輸出迅速增大，從而使觸發脈沖從初始位置快速前移，迅速地使整流電壓增大，進而使電流迅速增大。當時，電流調節器的作用使不再增長，而保持動態平衡。這一階段的特點是轉速調節器由不飽和很快達到飽和，而電流調節器一般是不飽和的，以保證電流環的調節作用。這些都是在設計時給予保證的。圖2.4 雙閉環調速系統的動態結構圖 圖2.5 雙閉環調速系統啟動時的轉速和電流波形 第二階段是恒流升速階段，即保持最大電流給定、升速。這一段是從電流上升到最大值開始，到轉速上升到給定值（即靜特性上的）為止，是啟動過程的主要階段。在這個階段中，轉速調節器一直是飽和的，轉速相當于開環狀態，系統

10、表現為在恒值電流給定作用下的電流調節系統，基本上保持電流恒定（電流可能超調，也可能不超調，取決于電流調節器的結構和參數）。與此同時，在電流環實現恒流調節過程中，電動機的反電勢也按線性增長。對電流調節系統來說，反電勢是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。由于電流調節器是調節器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說應略低于。上述情況表明，電流恒值調節過程同時伴隨著對反電勢擾動的調節過程，反電勢擾動對電流的影響被電流調節器的積分作用所補償。因此，為了保證電流環的這種調節作用，在啟動過程中，電流調節器是不飽和的，而且要求電流調

11、節器的積分時間常數和調節對象的時間常數要相互配合，這正是電流調節器在設計中要解決的問題。同時，還要求整流裝置的最大電壓必須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，以保證提供足夠大的整流電壓，滿足調節能力的需要。第三階段以后是轉速調節階段。在這個階段開始時，轉速已經達到給定值，轉速調節器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零（即，）。但其輸出卻由于轉速調節器的積分作用還維持在限幅值上，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉速超調。轉速超調以后，轉速調節器的輸入端出現負的偏差電壓（即，），使它退出飽和狀態，其輸出電壓也就是電流調節器的給定電壓立即從限幅值降下來，主電路電流也隨之迅速減小。但是，由于仍大于負

12、載電流，在一段時間內，轉速仍繼續上升，直到時，轉矩，則，轉速n達到峰值（時）。此后，電動機才開始在負載力矩的作用下減速。與此相應，電流也出現一段小于的過渡過程，直到進入穩態。綜上分析可知，在這一階段內，轉速調節器和電流調節器都不飽和，同時起調節作用。由于轉速調節在外環，轉速調節器處于主導地位，它使轉速迅速趨于給定值，并使系統穩定；電流調節器的作用則是力圖使盡快地跟隨轉速調節器的輸出的變化，也就是說，電流內環的調節過程是由速度外環支配的，故而形成了一個電流隨動系統。綜上所述，雙閉環調速系統的啟動過程具有三個特點： 飽和非線性控制； 轉速超調； 準時間最優控制。隨著轉速調節器的飽和限幅與不飽和，整

13、個系統處于完全不同的兩種狀態。當飽和時，轉速環開環，系統表現為恒值電流調節的單環系統；當不飽和時，轉速形成閉環，整個系統是一個無靜差調速系統，而電流內環則表現為電流隨動系統。在不同情況下表現為不同結構的系統，這就是飽和非線性控制的特征。轉速環開環后，轉速的動態響應一定有超調。只是在轉速超調后，轉速調節器退出飽和，才真正發揮線性調節作用。從另一個角度看，在飽和期間，它也并不是沒有作用，而是起著飽和的非線性控制作用。啟動過程中的主要階段是恒流升速階段，即第階段。它的特征是電流保持恒定（利用飽和非線性控制作用來保證）。一般選擇為允許的最大值，以便充分發揮電機的過載能力，使啟動過程盡可能最快。這個階段

14、是電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優控制”。但整個啟動過程與理想快速啟動過程還有差別，主要表現為第、階段的電流不是突變。不過這兩段的時間只占全部啟動時間中的很小成份，已無關大局，所以雙閉環調速系統的啟動過程可以稱為“準時間最優控制”過程。具有上述特點的雙閉環調速系統，在使用中需要注意： 決不能簡單地應用線性控制理論來分析和設計這樣的系統，可以采用分段線性化的方法來處理。分析過渡過程時，必須注意初始狀態，前一階段的終了狀態就是后一階段的初始狀態。若初始狀態不同，即使控制系統的結構和參數都不變，過渡過程還是不一樣的。 用調節器的雙閉環調速系統的轉速動態響應必然有超調。在一般情況下，轉速

15、略有超調對實際運行影響不大。若生產機械在工藝上不允許超調，就必須采取另外的控制措施。 采用飽和非線性控制方法實現準時間最優控制，是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環控制系統中普遍地得到應用。如果一定要追求嚴格最優控制，控制結構要復雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。3.雙閉環調速系統的動態跟隨性能雙閉環調速系統在啟動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現出很快的動態跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對于電流內環來說，在設計調節器時，應強調具有良好的跟隨性能。4.雙閉環調速系統的動態抗擾性能 抗負載擾動由圖2.4動態結構圖可以看出，負載擾動作

16、用在電流環之后，只能靠轉速調節器來產生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態速降（升）。為了減小動態速降（升），必須在設計轉速調節器時，要求系統具有較好的抗擾性能指標。對于的設計來說，只要電流環具有良好的跟隨性能就可以了。 抗電網電壓擾動在雙閉環調速系統中，由于電網電壓擾動被包圍在電流環之內，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時調節，不必等到影響到轉速后才在系統中有所反應。因此，在雙閉環調速系統中，由電網電壓波動引起的動態速降會比單閉環系統中小得多。2.6 雙閉環調速系統中兩個調節器的作用轉速調節器和電流調節器在雙閉環調速系統中的作用可歸納如下：1.轉速調節器的作用 使轉速跟隨給

17、定電壓變化，穩態無靜差； 對負載變化起抗擾作用； 其輸出限幅值決定允許的最大電流。2.電流調節器的作用 對電網電壓波動起及時抗擾作用； 啟動時保證獲得允許的最大電流； 在轉速調節過程中，使電流跟隨其給定電壓變化； 當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。如果故障消失，系統能自動恢復正常。2.7 系統仿真軟件SIMULINK2.7.1 軟件概況1990年Math Works軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統仿真軟件，并定名為SIMULAB。該軟件在控制界使用廣泛，流傳很快，但因其名與著名的SIMULA軟件類似，所以1992年以來正式改名為SIMULINK。

18、這一命名的含義是相當直觀的，因為它較明顯地表明此軟件的兩個顯著的功能：SIMU（仿真）、LINK（連接）。它可以用鼠標在模型窗口上“畫出”所需要的控制系統模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統進行仿真或線性化分析。這種做法的最大優點是，可以使得一個很復雜的系統的輸入變得相當容易且直觀。2.7.2 控制系統框圖模型進入MATLAB環境之后，鍵入simulink命令則可以打開相應的系統模型庫，這一模型庫包括各個子模塊庫。子模塊庫可以分為三類：1. 常用子模塊庫2. 其它基本模塊庫3. 附加模塊庫2.7.3 系統仿真模型的建立選擇File/New菜單項，打開一個空白的模型編輯窗口。打開圖2.6模塊庫的圖標，出現一個子模塊庫，利用鼠標點中的方式來選擇所需的子模塊，然后拖到模型窗口中去。用鼠標先點一下起點模塊的輸出端（三角符號），拖動鼠標，出現一條帶箭頭的直線，將箭頭拉到終點模塊的輸入端，則SIMULINK會