【正文】 Loop DC Motor Control System，DLDCMCS)是最常用的直流調(diào)速系統(tǒng)之一，因其具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性和抗擾性能以及廣范圍內(nèi)的平滑調(diào)速性能，特別適合應(yīng)用到龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)、造紙、印染設(shè)備及其他直流調(diào)速等領(lǐng)域。本章以轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB與Simulink環(huán)境建模與仿真，并分析其性能。3．1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路模型由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。多環(huán)系統(tǒng)的控制電路較復(fù)雜。雙閉環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)[28】，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者實(shí)行串級(jí)連接，且都帶有輸出限幅電路。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定轉(zhuǎn)速，把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán)，以實(shí)現(xiàn)在最大電流約束下的轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程最快的最優(yōu)控制。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖3．1所示。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實(shí)行嵌套(或稱串級(jí))聯(lián)接，如圖3．1所示。同時(shí)，我們可以建立圖3．2所示的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了便于MATLAB與Simulink環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)和建模控制，根據(jù)圖3．2調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖，建立調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖3．3所示。圖中％R(s)和‰R(J)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用如下：1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速刀很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。(2)對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。(3)其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2．電流調(diào)節(jié)器的作用(1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。(2)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起到及時(shí)抗擾的作用。(3)在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。3．2多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3．2．1多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路的一般步驟是：(1)先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)后設(shè)計(jì)外環(huán)，然后將設(shè)計(jì)好的內(nèi)環(huán)等效成一個(gè)環(huán)節(jié)；在設(shè)計(jì)外環(huán)時(shí)，將等效內(nèi)環(huán)作為本環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)處理，直到設(shè)計(jì)完整個(gè)系統(tǒng)。(2)在具體設(shè)計(jì)某個(gè)單閉環(huán)時(shí)，可按照下列步驟進(jìn)行：①進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)圖變換和實(shí)際系統(tǒng)的近似處理；②確定將實(shí)際系統(tǒng)校正成一類典型系統(tǒng)及進(jìn)行調(diào)節(jié)器類型的選擇；③選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)；④計(jì)算調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)：⑤設(shè)計(jì)校驗(yàn)。3．2．2多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖3．4是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)建的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型。圖中，主電路電源部分的接地方式除了通過(guò)“Bus bar模塊三相共同接地外，也可采用每相分別接地，如圖3．4所示。3．2．3系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置1．主電路的建模和參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)主電路的建模和模型參數(shù)設(shè)置與開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)絕大部分相同，詳細(xì)設(shè)置與實(shí)現(xiàn)步驟如本論文的第二章所述，這里僅僅說(shuō)明了平波電抗器參數(shù)設(shè)置和SCR整流橋參數(shù)設(shè)置，如圖3．5和翻3．6所示。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)將平波電抗器的參數(shù)設(shè)置為：電阻值(Resistance R)為0 Ohms；電感值(Inductance L)為9e．03 H；電容值(Capacitance C)為info SCR的參數(shù)設(shè)置為：橋臂數(shù)(Number ofbridge arms)取3；A、B、C三相交流電源接到整流橋的輸入端(Prot configuration)；過(guò)渡電阻(Snubber resistance RS)為50000 Ohms；過(guò)渡電容(Snubber capacitance Cs)為infi電力電子元件(Power Electronic device)選擇晶閘管；導(dǎo)通電容(Lon)為O H，正向電壓(Forward voltage vf)為O V。2．控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙}i：l環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、限幅器、偏置電路、反向器、電流反饋環(huán)節(jié)、速度反饋環(huán)節(jié)等。如圖3．4所示，給定環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)為210rad／s，電流反饋系數(shù)設(shè)為o．1；速度反饋系數(shù)設(shè)為l。雙閉環(huán)系統(tǒng)有兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器一一ACR和ASR，參數(shù)設(shè)置分別是：ACR：KP=20，K，=1．2，上下限幅值為【1000，．1000】；ASR：KP=10，K，=2．5，上下限幅值為【40，．40】。圖3．7描述了ACR調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置情況，ASR調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置情況與此類似。3．系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置通過(guò)對(duì)仿真算法的比較實(shí)踐，本系統(tǒng)選擇的計(jì)算方法為ode23tb(兩階段隱式龍格一庫(kù)塔公式)；仿真Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為2．5。3．3仿真結(jié)果輸出及分析當(dāng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)建模和參數(shù)設(shè)置憲成后，即可開(kāi)始進(jìn)行MATLAB與Simulink環(huán)境的仿真與分析。圖3．8是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形，具有比較好的效果和性能，能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用要求和工程需要。仿真結(jié)果分析如下：?jiǎn)?dòng)過(guò)程的第一階段是電流上升階段。突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，轉(zhuǎn)速節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，實(shí)際仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。當(dāng)兩調(diào)節(jié)器參數(shù)選取恰當(dāng)時(shí)，雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即系統(tǒng)在啟動(dòng)和升速過(guò)程中能夠在電機(jī)過(guò)載能力約束條件下表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性。當(dāng)調(diào)節(jié)器參數(shù)選取不合適時(shí)，其特性也將發(fā)生很大的變化，有時(shí)，仿真出來(lái)的波形超調(diào)量偏大，建立時(shí)間偏長(zhǎng)，這不滿足調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求，所以在仿真過(guò)程中，必須反復(fù)調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。另外，雙閉環(huán)系統(tǒng)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，可充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，將電樞電流保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速直線上升，使過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大大縮短。3．4小結(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以其快速性好、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)在直流調(diào)速系統(tǒng)中占有主要地位。本章介紹了一種基于MATLAB與Simulink環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的方法，該方法利用MATLAB平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和計(jì)算處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以準(zhǔn)確直觀地分析轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程及動(dòng)態(tài)抗擾性能，可方便地設(shè)計(jì)各種不同的調(diào)節(jié)器參數(shù)及控制策略并分析其對(duì)系統(tǒng)性能的影響，取得了很好的仿真效果。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，不僅能將一些抽象的問(wèn)題變得直觀易懂，加強(qiáng)了理論和實(shí)際的結(jié)合，而且使系統(tǒng)參數(shù)選擇更加科學(xué)