基于電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真

魏 寧 中國阿拉伯化肥有限公司 河北秦皇島 066004

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基于電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真

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【文章摘要】

針對反饋控制系統(tǒng)中的啟動和堵轉(zhuǎn)等問題，本文基于常用電動機(jī)的參數(shù)，設(shè)計(jì)了帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)利用Matlab進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】

單閉環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流截止負(fù)反饋；直流調(diào)速

引言

直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，在工業(yè)生產(chǎn)中得到很廣泛的應(yīng)用。為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了解決反饋控制單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須設(shè)有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)采用電流負(fù)反饋來保持電流不變，使它不超過允許值。并且，電流負(fù)反饋的限流作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)必須去掉，使電流能自由地隨著負(fù)載增減，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才起作用。在對調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域常利用直流電動機(jī)作動力，但直流電動機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。本文根據(jù)給定參數(shù)設(shè)計(jì)了帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。

1　參數(shù)計(jì)算及判斷

電動機(jī)參數(shù)：PN=55kW，nN=1500rpm，UN=220V，IN=287A，Ra=0.1。主回路總電阻R=0.15，系統(tǒng)主電路：Tm=0.12s，Tl=0.012s。三相橋式整流電路，Ks=40。其他參數(shù)：Unm*=8V，Uim*=8V，Ucm=8V，調(diào)速指標(biāo)：靜差率s≤2，調(diào)速范圍D≥10。三相橋式電路的失控時(shí)間Ts=0.00167s。

按系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性要求得：

電動機(jī)的電動勢系數(shù)為：

開環(huán)系統(tǒng)額定速降為：

為了滿足調(diào)速要求，閉環(huán)系統(tǒng)額定速降為：

因此，要滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)：

顯然系統(tǒng)不能再滿足穩(wěn)態(tài)性能要求下運(yùn)行。

2　PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

已知系統(tǒng)為不穩(wěn)定的。設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)定性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1根據(jù)上述參數(shù)求解

現(xiàn)在我們利用PI調(diào)節(jié)器來校正，原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)取為：

于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

得到伯德圖，可知相位裕度和增益裕度都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了是系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)置PI調(diào)節(jié)器，考慮到原始系統(tǒng)中包含了放大系數(shù)為的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加的部分傳遞函數(shù)應(yīng)為：

由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把他們壓下來。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率處，令，使校正裝置的比例微分項(xiàng)與原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大慣性環(huán)節(jié)對消，從而選定。

其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應(yīng)以的斜率穿越線，將原始的對數(shù)幅頻和相頻特性壓低，使校正以后系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性的截止頻率。這樣，在處，應(yīng)有，可得：

圖1　校正前伯德圖

校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

綜上，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的類型和參數(shù)選擇是正確的，即選為PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)為

2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

超調(diào)量計(jì)算：

3　帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)仿真

3.1搭建仿真圖

截止電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)使用Switch開關(guān)，開關(guān)具有選擇功能，設(shè)置門檻電壓等于0，step2也為0，當(dāng)輸入大于0時(shí)，輸出上開關(guān)，當(dāng)輸入小于0時(shí)，輸出下開關(guān)，如圖2所示，即能實(shí)現(xiàn)電流截止功能。

3.2仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)速和電流的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2　系統(tǒng)仿真圖

圖3　系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

由圖3可知，轉(zhuǎn)速的響應(yīng)比較迅速，穩(wěn)定后加入負(fù)載，轉(zhuǎn)速先變小再迅速恢復(fù)穩(wěn)定。電流受到截止作用，開始時(shí)維持較大數(shù)值使得轉(zhuǎn)速迅速增長，轉(zhuǎn)速快要達(dá)到穩(wěn)定時(shí)電流急劇下降直到0，效果較為理想。

【參考文獻(xiàn)】

［1］陳伯時(shí). 電力拖動自動控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

［2］王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

［3］洪乃剛. 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

【作者簡介】

魏寧（1988-），男（漢族），河北秦皇島人，本科，現(xiàn)就職于中國－阿拉伯化肥有限公司，從事設(shè)備維護(hù)及改造工作。