毕业设计（论文）-双闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真

太原科技大学本科生毕业设计（论文）王倩：双闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真III阶段转速调节阶段（以后）。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩=，则/=0，转速n才到达峰值（t=时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（~），<，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1.饱和非线性控制根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：1）当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；2）当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。2.转速超调由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。4.2.3电流环以电流调节器ACR为核心的电流环工作原理电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。1.开环a）动态结构图b）电流和转速波形图4-5电流调节器开环系统由于ACR为PI调节器，稳态时，其输入偏差电压即=其中——为电流反馈系数。当一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在数值上。当＞时，自动调节过程为：↑→=∣∣↓→↓→↓→↓最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。闭环a）动态结构图b）电流和转速波形图4-6电流调节器闭环系统4.2.4转速环转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。1.开环a）动态结构图b）电流和转速波形图4-7转速调节器开环系统由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足，即n=。当一定时,转速n将稳定在数值上。当n＜时，其自动调节过程为：FZ↑→n↓→=()↑→∣∣↑＜0→∣∣↑→↑→↑→n↑最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。闭环a）动态结构图b）电流和转速波形图4-8转速调节器闭环系统4.2.5开环调速系统及其存在的问题若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。4.2.6反馈闭环控制的优越性比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为(4-1)而闭环时的静特性可写成(4-2)其中和分别表示开环和闭环系统的理想空载转速；和分别表示开环和闭环系统的稳态速降。比较式(4-1)和(4-2)可得出以下论断。闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多开环系统和闭环系统的转速降落分别为和它们的关系是（4-3）当K值较大时，比小得多，也就是说，闭环系统的特性要硬得多。闭环系统的静差率要比开环系统小得多

和开环系统的静差率分别为和

按理想空载转速相同的情况比较，则=时，（4-4）3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围

开环时闭环时再考虑式（4-4），得(4-5)要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器，且K足够大。可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设放大器以及检测与反馈装置。4.2.7比例调节a）动态结构图b）电流和转速波形图4-9比例调节开环系统a）动态结构图b）电流和转速波形图4-10比例调节闭环系统4.2.8比例积分控制规律Uex+Uex++C1RbalUinR0+AR1图4-11PI调节器原理图在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图4-11所示比例积分调节器，其输出是由比例和积分两部分相加而成的，（4-6）式中——PI调节器比例部分的放大系数；——PI调节器的积分时间常数。PI调节器的传递函数（4-7）令，则PI调节器的传递函数也可以写成如下的形式（4-8）UinUinUexUexmtOUexUinUinUexUexmtOUexKpUina)PI调节器输出特性曲线Uc∆UnUc12OtOt1+2b)PI调节器输出动态过程图4-12图4-12PI调节器输出特性曲线在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性示于图4-12a，从这个特性可以看出比例积分作用的物理意义。图4-12b比例积分调节器的输入和输出动态过程。4.3仿真结果分析总结1.起动过程从仿真结果可以看到，启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第三阶段，当转速达到给定值后，由于积分的作用，其输出还是很大，所以出现超调。转速超调之后，ASR输入端出现负偏差电压，使它推出了饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定，仿真结果基本上反映了这一点。2.开环与闭环比较开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系及输出对输入没有影响的控制。优点：结构简单，成本低缺点：抗扰性能差闭环控制：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用而且还有无反向联系及输出对输入有影响的控制。闭环控制又常称为反馈控制或偏差控制。优点：抗扰性能强缺点：成本高，存在稳定性问题开环系统结构简单、成本低、工作稳定，因此，当系统的输入信号及扰动作用能预先知道并且系统要求精度不高时，可以采用开环控制。由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，因此系统的元件参数变化以及外界未知扰动对控制精度的影响较大。闭环控制具有自动自动修正被控制量出现偏离的能力，因此可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差。其控制精度较高。但是，由于存在反馈，闭环控制中被控制量可能出现振荡，严重时会使系统无法工作。3.控制规律积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003