双闭环直流调速系统性能改善的根本原因.docx
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双闭环直流调速系统性能改善的根本原因
南通大学
运动控制系统设计
题目：
双闭环直流调速系统性能改善的根本原因
姓名：
陈晨
班级：
自091班
学号：
0912011022
指导教师：
吴晓
专业：
自动化
南通大学电气工程学院
2012年11月
目录
摘要.....................................................2
ABSTRACT.................................................2
引言.....................................................2
（一）、双闭环直流调速系统的概述..........................2
（二）、双闭环直流调速系统的组成..........................2
二、双闭环直流调速系统的工作原理.........................4
（一）、双闭环调速的工作过程..............................4
（二）、双闭环直流调速系统的静特性.........................5
（三）、双闭环调速系统的动态特性...........................7
三、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真................9
小结.....................................................11
致谢.....................................................11
参考文献.................................................11
摘要
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。
本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于PID控制的转速控制环和电流控制环。
关键词：
双闭环控制系统；MATLAB；电流控制环；转速控制环；
ABSTRACT
Speedandthecurrentfeedbackcontroldcspeedcontrolsystemisstatic,excellentdynamicperformance,themostwidelyuseddcspeedcontrolsystem.Thispaperintroducesthedesignbasedonengineeringtothedesignofthedcspeedcontrolsystem,accordingtothedcspeedcontroldoubleclosedloopcontrolsystemoftheworkingprinciple,designbasedonPIDcontrolthespeedcontrolloopandcurrentcontrolring.
Keywords:
Doubleclosedloopcontrolsystem;Matlab；Currentcontrolring;Speedcontrolring
一、引言
（一）双闭环直流调速系统的概述
在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：
例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。
另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。
生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。
电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。
直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速．在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。
近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。
目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。
所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。
首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此，调速技术一直是研究的热点。
（二）、双闭环直流调速系统的组成
采用PI调节器组成速度调节器ASR的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。
从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。
但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。
有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。
为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。
它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。
但它只能是在超过临界电流
值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电动机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程的波形如图2.2a）所示。
为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。
我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形示于图2.2b）。
其中b）比a）中调节时间要小，为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。
a）带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程
b）理想的快速起动过程
图2.2直流调速系统起动过程的电流和转速波形
为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图2.3所示。
从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。
其中一个只由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。
从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换为外环。
在电路中ASR和ACR实行串级连接，即由ASR控制ACR，而ACR又控制触发电路，图中ASR和ACR均采用比例积分（PI）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。
图2.3转速﹑电流双闭环直流调速系统
ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机
TA—电流互感器UPE—电力电子变换器
—转速给定电压
—转速反馈电压
—电流给定电压
—电流反馈电压
二、双闭环直流调速系统的工作原理
（一）、双闭环调速的工作过程
电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流可以通过调节速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近似于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。
对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正电动机的转速偏差。
转速和电流双闭环直流调速系统的电路原理图如图3.1所示。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压
为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压
决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压
限制了电力电子变换器的最大输出电压
。
图3.1双闭环直流调速系统电路原理图
（二）、双闭环直流调速系统的静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图3.2所示。
它可以很方便地根据原理图（见图3.1）画出来，其中PI调节器用带限幅的输出特性表示，这种PI调节器在工作中一般存在两种情况：
饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。
这样的稳态特性是分析双闭环调速系统的关键。
当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；因此，当调节器饱和后，调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压
在稳态时总为零。
图3.2双闭环直流调速系统的稳态结构框图
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上，双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
（1）转速调节器不饱和
在正常情况下，两个调节器都不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入偏差电压都是零，因此系统具有绝对硬的静特性，即
由第一个关系式可得
（3-1）
从而得到图3.3所示静特性的CA段。
由于ASR不饱和，
，从上述第二个关系式可知
。
这表明，CA段特性从理想空载状态的
一直延续到
，而
一般都是大于电动机的额定电流
的。
这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
（2）转速调节器饱和
当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出
也将上升，当
上升到某一数值（
）时，ASR输出达到限幅值
，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
稳态时
（3-2）
其中，最大电流
是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。
式（3-2）所描述的静特性对应于图3.3中的AB段，它是一条垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于
的情况，因为如果
，则
，ASR将退出饱和状态。
由以上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于
时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到
时，对应于转速调节器ASR的饱和输出
，这时，电流调节器ACR起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。
这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要强得多。
然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。
静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图3.3中的虚线。
总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
图3.3双闭环直流调速系统的静特性
（三）、双闭环调速系统的动态特性
图2.3双闭环调速系统的动态结构框图
—电流反馈滤波时间常数
—转速反馈滤波时间常数
设系统起动前处于停车状态：
Un*=0，Ui=0，Uct=0,n=0，Ui+=0，Ⅱ=90。
，
进入起动过程。
按照转速调节器ASR在起动过程中经历的不饱和、
、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的I、Ⅱ、ⅡI三个阶段。
第1阶段电流上升阶段（0～t1）
突加Un*一AUn很大一ASR迅速饱和一Ui·=Uim·一Uct、迅速卜升
一n上升一Idf-≈Idm时，Ui=Uim*。
在本阶段：
A迅速饱和（Un增长慢
）。
ACR不饱和（Ui增长快）。
第2阶段恒流升速阶段（tl～t2）
ASR饱和一ui·≈uim·一Id—Idm一电机以恒加速度t升（nn+）／1f—
E}一Id4一Uil一△Uif—Uctf—UdOf—ldf（1dm不变）在本阶段中：
（1）
由于n的线性增长，使E为一个线性渐增扰量，ACR起调节作用，使
Uct和UdO基本卜线性增长：
（2）调整
，Id略低于Idm，保证AU>0．Uet线性上升。
恒流升速阶段是起的主
要阶段。
第3阶段转速调节阶段（t2以后）
AUn=0（n=n‘）一ASR仍饱和一Ui≈Uim·一Id≈Idm+一△Un<0一
ASR退饱和一Ui+l，但转速环会进行调节
结论：
起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调节系统：
ASR退饱
，系统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统。
动态抗扰性能分析：
（一）抗负载扰动
抗负载扰动作用：
由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图
看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系
抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。
（二）抗电网电压扰动
抗电网电垃扰动作用：
由动态结构图知：
电网电压扰动在电流环之
电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。
因而双闭环系
电网电压扰动引起的动态速降（升）比单闭环小得多。
三、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真
图3.1双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图
图3.2双闭环直流调速系统动态结构框图
为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为±13V。
根据动态模型图以及计算参数，用MATLAB/SIMULINK进行仿真，主要是仿真电动机的输出转速。
但是通过仿真得到的转速超调量很大，不满足设计的估计值，原因可能是还有一些因素没有考虑到，比如电动机的数学模型是理想化的，应该有其他的因素影响，这是设计中没有考虑到的，而且计算得到的是近似值，通过的是工程设计方法，与实际还是有误差的。
在仿真过程中发现整流电路的输出电压超过了最大计算值，所以在输出端也加个限幅值。
通过仿真发现仿真的转速超调量大于设定值，所以在仿真中通过调节转速微分负反馈环节来抑制超调。
并在5秒时加入扰动。
最终得到的转速仿真图形如图3.3所示
图3.3双闭环直流电机转速输出仿真图形
从图3.3可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。
从仿真得到的转速曲线图中可以得出转速超调量为1.67%，基本满足设计的要求，但是与设定值相比还是有误差。
在0.9秒的时候，转速达到一个稳定值，系统无静差运行，其中在5秒的时候输入一个负载扰动量
，在5.1秒的时候扰动消失，速降达到了
，过了0.4秒之后转速又达到稳定值。
从图中可以看出，扰动很快得到了调节，这是两个PI型调节器自动调节的作用。
另外从图中也可以看到，系统是无静差运行的，符合设计的要求。
从仿真的结果来看，得到这样结论：
（1）工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理,而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。
例如:
将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节,设计电流环时不考虑反电势变化的影响;将小时间常数当作小参数近似地合并处理;设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。
（2）仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同,因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差,而且在建立模型过程中为了简化计算,忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。
如:
可控硅触发和整流环节的放大倍数KS和失控时间
这些都是非线性参数,但在仿真中被近似看作常数;再如,设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况,而忽略了电流断续时的情况。
（3）添了微分负反馈使得快速的达到稳态值，超调量也减少。
但是微分容易引起振荡所以要加死区环节。
小结：
通过上述研究知，转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：
系统的调整性能好，又很硬的静特性，基本上无硬差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便。
所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。
本文研究的是转速、电流双闭环直流调速系统的设计方法，在设计中，使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静特性和动态性能有了总体的认识，并对调节器的工程设计方法有了本质上的把握，从而才具备了清晰的设计思路来完成本次设计。
对工程设计方法有了一定的了解后，结合教材所学内容，就可以对设计方案进行选择。
在对转速环和电流环作了相应的简化后，依据设计所需要的静特性与动态性能确定系统的型别及选用的调节器类型。
通过对电力拖动自动控制系统的学习，使我了解了单闭环系统在运用中存在一些缺点和不足，为了弥补这个不足，我们引入了转速﹑电流双闭环系统，它是通过转速负反馈和电流负反馈两个环节分别起作用来设计的，从而达到我们所期望的效果。
通过这次的设计，使我具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，同时也使我对比例积分调节器的功能有了进一步的认识。
这次毕业设计使我受益非浅，这对我今后会有很大的帮助。
致谢：
这次实验是最后一个课程设计了,通过这次实验是我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理,也是我知道了一些他在工业中的一些应用,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。
理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。
在设计之初，我不知道该如何来完成这次的的课程设计，但经过努力终于还是完成了，要感谢我的指导老师在设计课程是给了我很大的帮助，同时还要感谢给我帮助的同学！
参考文献：
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