双闭环晶闸管不可逆直流调速系统研究

电力拖动自动控制系统 运动控制系统 课程设计 题 目 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统研究 姓 名 学 号 专业班级 任课教师 学 院 完成日期 2014 年 11 月 7 日 宁波理工学院 摘 要 随着社会生产力的发展进步，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广 泛应用。因为对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，所以需要越来越多的 生产机械能够实现制动调速，生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调 节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。 为此可采用双闭环直流调速系统，它是直流调速控制系统中发展得最为成 熟，应用非常广泛的电力传动系统。具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。 反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切 扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环的调速系 统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。 关键词：matlab；Simulink；直流调速；双闭环 Abstract With the development of social productive forces, power transmission device is widely used in modern industrial production . We have more demand of the production process, product quality,so more and more production machinery need to realize braking speed, smooth speed in a certain range of production requirements of mechanical adjustment, which has good steady, dynamic performance and requirements. We can use double closed loop DC speed regulating system, it is a DC speed control system in the development of the most mature, where power transmission system is widely used.It has the advantages of fast dynamic response, strong anti-interference ability. Feedback closed loop control system has good disturbance rejection performance, it is a feedback loop for the forward channel all the disturbance effect can effectively be suppressed. Using the speed feedback and PI controller of single closed loop speed control system can guarantee the system stability conditions to achieve speed without static error. Key words： matlab;Simulink;DC speed regulating system ;Double closed loop 目 录 摘 要 2 Abstract 2 1.研究意义和国内外研究现状 .4 1.1 研究意义 4 1.2 国内外研究现状 4 2.所提研究方案和工作原理 .5 2.1 双闭环直流调速系统介绍 .5 2.2 双闭环直流调速系统组成 6 2.3 直流双闭环系统的稳态结构和特性 .6 2.4 直流调速系统的数学模型 7 3. 试验仿真结果 7 3.1 仿真软件介绍 SIMULINK 7 3.2 仿真参数设计 8 3.3 仿真结果波形 .10 4.结果分析与结论 .10 4.1 仿真结果分析 .10 4.2 结论 11 1.研究意义和国内外研究现状 1.1研究意义 随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到 广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生 产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的 了解和研究。 双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广 泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈 闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动 作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环的调速系统可 以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较 高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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的电流或转矩。 在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只 是在超过临界电流值以后，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。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件 下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流为允许 最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让 电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动 电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统 所能得到的最快的启动过程。 1.2国内外研究现状 目前国内外在研究双闭环直流调速系统优化问题时，因为直流调速系统具 有不确定性、时变性和非线性，难建立准确的数学模型，而常规 PID 控制难以 自适应双闭环直流调速系统参数变化，控制精度低，稳定性差。为了提高双闭 环直流调速系统控制精度，提出一种改进的 RBF 神经网络 PID 的双闭环直流 调速系统。RBF 神经网络不需要建立精确的数学模型，具有自适应、自学习能 力，可以对 PID 控制器的 3 个参数进行在线性优化 ，从而对双闭环直流调 速系统进行准确控制 。目前研究改进 RBF 神经网络控制解决了常规 PID 控 制算法存在的难题，可以获得较高的控制精度，增强了双闭环直流调速系统的 抗干扰能力和鲁棒性 ，为系统的优化设计提供了依据。 2.所提研究方案和工作原理 2.1 双闭环直流调速系统介绍 双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。 它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。 在单闭环系统中，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 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能dcrI 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1-（a）所示。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。 在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，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，又让电流立即降下来，使转 矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1- （b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr nn (a) (b) (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程 2.2双闭环直流调速系统组成 系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，为了实现转速和电流两 种负反馈分别起作用。这二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作 电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。 从闭环结构上看，电流调节环在里面，称为内环；转速环在外面，称为外环。 这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 图 2 转速、电流双闭环直流调速系统 2.3 直流双闭环系统的稳态结构和特性 双闭环直流系统的稳态结构图如下所示。一般存在两种状况：饱和输 出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值， 输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压 在稳太时总是为零。U Ks 1/Ce U*n Uct Id E nUd0 Un + + - ASR + U*i -IdR R ACR-Ui UPE 图 3 2.4直流调速系统的数学模型 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基 础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 4 所示。图中 和 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电)(sWASR)(sACR 流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 显露出来。dI U*n Uct -IdL n Ud0U n + - - - Ui WASR(s) WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/C e + E 图 4 直流调速系统的数学模型 3.试验仿真结果 3.1 仿真软件介绍 SIMULINK Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿 真和综合分析的集成环境。 在 Simulink 的 环境中，就 无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠 标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及 仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已经被 广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 3.2仿真参数设计 图 3.2.1 总连线图 图 3.2.2 参数设置 图 3.2.3 参数设置 图 3.2.4 参数设置 图 3.2.5 参数设置 3.3 仿真结果波形 图 3.3 仿真波形图 4.结果分析与结论 4.1 仿真结果分析 仿真波形图中，第一个波形为电机转速曲线，第二个波形为电机电流曲线。 加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则 不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速 换起主要作用，保持转速的稳定。 1.电机转速曲线 在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调 节器 ASR 饱和，电流调节器 ACR 起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速 阶段时，ASR 一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开 环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速 呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定 转速时，ASR 的输入偏差为 0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电 流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后， 极nU 性发生了变化， ，则 ASR 推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主nU 电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小 的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下 降，此时经过 ASR 和 ACR 的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了 系统的抗负载能力很强。 2.电机电流曲线 直流电机刚启动时，电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节 器 ASR 饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。但当电流值达到限幅电流时， 由于电流调节器 ACR 的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速 下降，此时转速调节器 ASR 起主要的调节作用，因此，电流调节器 ACR 电流 有所下降，同启动时一样，当转速调节器 ASR 饱和，达到限幅值，使电流急速 上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器 ACR 的作用使电流不再 增加。当扰动取电以后，电流调节器 ACR 电流又有所增加，此后，电动机在 负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。 4.2结论 由于在启动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段， 即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段 恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启 动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制” 。带 PI 调节器的双闭 环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR 的作 用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电 流。ACR 的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真 可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电 流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外 环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环 调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 参考文献： 1于浩洋，初红霞，王希凤MATLAB 实用教程控制系统仿真与运用 M化学工业出版社，