Matlab仿真在雙閉環(huán)直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

胡明忠,　徐志宇,　余有靈

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上?！?01804)

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Matlab仿真在雙閉環(huán)直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

胡明忠,徐志宇,余有靈

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海201804)

摘要：電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化專業(yè)的核心課程之一。高性能的直流調(diào)速系統(tǒng)多采用雙閉環(huán)串級(jí)控制的結(jié)構(gòu):外環(huán)為轉(zhuǎn)速反饋,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);內(nèi)環(huán)為電流反饋,加快瞬態(tài)過程。由于原理的復(fù)雜性,歷來是教學(xué)的難點(diǎn)。Matlab是一種強(qiáng)大的仿真工具,已廣泛應(yīng)用于高校教學(xué)活動(dòng)。以雙閉環(huán)直流調(diào)速為例,將Matlab仿真技術(shù)引入運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)。利用SimPowerSystem模塊搭建系統(tǒng)模型;通過仿真,對(duì)比分析系統(tǒng)在突加給定和突增負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;驗(yàn)證了雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)相對(duì)于開環(huán)、單閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,更有利于學(xué)生加深對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán)調(diào)速; Matlab仿真; 動(dòng)態(tài)特性分析; 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1引言

直流調(diào)速系統(tǒng)是以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),由于其精度高、應(yīng)用廣、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),在調(diào)速領(lǐng)域長(zhǎng)期處于主導(dǎo)地位[1];直流調(diào)速系統(tǒng)也是運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容[2]。傳統(tǒng)的直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)中,各組學(xué)生按照預(yù)設(shè)方案和規(guī)定步驟完成實(shí)驗(yàn),主要訓(xùn)練線路連接、系統(tǒng)調(diào)試、儀表測(cè)量等動(dòng)手操作能力,在綜合、分析、設(shè)計(jì)方面存在不足[3]。為此,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Matlab技術(shù)[4],利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真,拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,加深知識(shí)理解[5,6]。其中主要用到控制仿真(Simulink)和電力系統(tǒng)仿真(SimPowerSystems)2大工具箱。

2雙閉環(huán)調(diào)速簡(jiǎn)介

如圖1所示,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)反饋閉環(huán)嵌套而成,其中轉(zhuǎn)速為外環(huán)、電流為內(nèi)環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)根據(jù)轉(zhuǎn)速給定和測(cè)速裝置(TG)的轉(zhuǎn)速反饋,給出控制量;電流調(diào)節(jié)器(ACR)根據(jù)電流給定和互感裝置(TA)的電流檢測(cè),給出控制量。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)[1]:

圖1　轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Fig.1　Speed-current dual-loop DC motor control system

(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR是串聯(lián)關(guān)系,ASR的輸出作為ACR的給定;

(2) 外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,起主導(dǎo)作用;內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)電樞電流,起輔助作用;

(3)ASR、ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器,提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性;

(4)ASR、ACR的輸出都帶有限幅,分別決定了電樞電流和整流電壓的最大允許值。

3數(shù)值仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型(如圖2所示)。主電路包括他勵(lì)式直流電機(jī)、三相對(duì)稱交流電源、三相整流橋、同步6脈波觸發(fā)器、平波電抗器等?？刂齐娐钒ńo定輸入、ASR、ACR、比較器、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè),以及相應(yīng)的一階慣性濾波。

3.1仿真設(shè)置

三相電源的電壓有效值為220V,頻率50Hz,A、B、C三相的初相分別為0°、120°、240°;整流橋內(nèi)阻RS=0.3Ω,電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=130N·m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.573kg·m2,電樞回路電阻Ra=0.2Ω,電感La=15mH;勵(lì)磁回路電阻Rf=240Ω,電感Lf=1.4H。采用工程設(shè)計(jì)法,依次確定ACR、ASR的PI參數(shù)值。仿真算法采用ode45。

3.2突加給定的起動(dòng)過程仿真

如圖3中0～0.15s時(shí)間段,為突加給定時(shí)電機(jī)起動(dòng)的全過程。仿真結(jié)果顯示,整個(gè)起動(dòng)過程大致分為三個(gè)階段,分別對(duì)應(yīng)了ASR的三個(gè)狀態(tài)。

(2) 恒流升速階段(ASR飽和):ASR始終飽和,轉(zhuǎn)速環(huán)等效于開環(huán),電樞電流幾乎保持其最大值Idm,使電機(jī)以最大加速度加速?？紤]到與轉(zhuǎn)速上升相伴的反電動(dòng)勢(shì)上升,電流環(huán)的輸入偏差應(yīng)維持為一恒定值,故實(shí)際電樞電流接近而略低于Idm,整流觸發(fā)角α逐漸調(diào)整。

圖2　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真模型Fig.2　Matlab simulation model of dual-loop DC motor control system

圖3　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定、突增負(fù)載時(shí)的過渡過程Fig.3　Transient process of dual-loop DC motor control system under reference/load step

3.3突增負(fù)載的過渡過程仿真

如圖3中0.6～0.65s時(shí)間段,為突加負(fù)載時(shí)電機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程。設(shè)置在0.6s時(shí)刻,負(fù)載電流TL由200N·m突增至400N·m。在此瞬間電機(jī)轉(zhuǎn)速跌落,整流觸發(fā)角α立即減小到0°,電樞電流Id隨之急劇上升,使電機(jī)加速;經(jīng)過一次超調(diào),轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)到給定值180r/min,電樞電流也再次穩(wěn)定在與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的數(shù)值。

3.4雙閉環(huán)與開環(huán)、單閉環(huán)的對(duì)比仿真

圖4進(jìn)一步給出了在上述過渡過程中,開環(huán)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)、轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。其中藍(lán)色粗實(shí)線為雙閉環(huán),綠色虛線為單閉環(huán),紅色點(diǎn)劃線為開環(huán)。當(dāng)突加給定時(shí),開環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速上升最慢,經(jīng)過單峰超調(diào)后最終收斂值與給定值之間的穩(wěn)態(tài)誤差顯著;單閉環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速上升最快,但超調(diào)大,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng),在0.6s內(nèi)始終未收斂到給定值;雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)最快地達(dá)到給定值,且超調(diào)很小。當(dāng)突加負(fù)載時(shí),三者的調(diào)速性能對(duì)比結(jié)果類似。綜上,采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的直流調(diào)速系統(tǒng)比采用開環(huán)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)結(jié)構(gòu)具有更好的動(dòng)態(tài)特性,能夠在更短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束過渡過程,達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖4　雙閉環(huán)與開環(huán)、單閉環(huán)的調(diào)速性能對(duì)比Fig.4　Performance comparison:open-loop,single-loop,and dual-loop

4結(jié)束語

轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)系統(tǒng)是本科生專業(yè)課《電力電子與運(yùn)動(dòng)控制》中的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文應(yīng)用Matlab軟件,針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真與理論分析相結(jié)合的研究探討。對(duì)照仿真曲線,更加深入地闡釋了雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定和突加負(fù)載情況下,轉(zhuǎn)速、電樞電流、整流觸發(fā)角的關(guān)鍵狀態(tài)的過渡過程;通過對(duì)比,說明了雙閉環(huán)系統(tǒng)較之開環(huán)、單閉環(huán)結(jié)構(gòu),具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。

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胡明忠男(1968-),碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù),電機(jī)與電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。

徐志宇男(1982-),博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榉抡婕夹g(shù)在電力電子與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

中圖分類號(hào)：TM 306; TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：上海市重點(diǎn)課程項(xiàng)目,同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

Application of Matlab Simulation on Experimental Courses of Dual-Loop DC Motor Control

HU Mingzhong,XU Zhiyu,YU Youling

(SchoolofElectronics&InformationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract：Electric drive motion control system is one of the key courses for students majoring in Automation.High performance DC motor control systems generally utilize the scheme of dual-loop cascade control:the outer loop implements speed regulation and the inner loop controls the current to shorten the transient process.Normally it′s a stumbling block in teaching due to the fundamental complexity.Matlab is a powerful simulation tool which is widely adopted in university education activities.This paper takes the dual-loop DC motor control as an instance,and applies the Matlab simulation technology to the experimental courses of motion control.The system model is built with SimPowerSystem modules.The dynamic response characteristics are investigated and compared,given the step reference and load.It is verified that the dual-loop system is superior to open-loop and single-loop systems.This approach can be applied to supplement the conventional hardware experiment,so as to help students establish better understanding on relevant knowledge.

Key words：dual-loop DC motor control; matlab simulation; dynamics analysis; experimental course