多繩摩擦式提升機雙閉環直流調速系統仿真研究

孫慧峰，彭秋紅

（平頂山工業職業技術學院，河南平頂山 467001）

多繩摩擦式提升機雙閉環直流調速系統仿真研究

孫慧峰，彭秋紅

（平頂山工業職業技術學院，河南平頂山 467001）

為保證設計的提升機直流調速控制系統的可靠性，對設計的直流調速控制系統進行仿真研究，仿真方式是基于SIMU?LINK中動態結構框圖的仿真，仿真步驟是按照控制系統先內環后外環的原則，首先對電流內環進行仿真，并根據一定的近似條件，將電流內環從雙閉環中獨立出來，然后配置數據進行仿真，從仿真結果中觀察提升機控制系統的跟隨性。對雙閉環直流調速模型的仿真是在電流內環的基礎上進行的，用來觀察提升機直流傳動系統的起動過程中檢驗提升機系統的整體性能指標，包括動態性能指標和抗擾性能指標。

多繩摩擦式；提升機；雙閉環；直流調速系統；仿真研究

0 引言

為保證設計的提升機直流調速控制系統的可靠性，本文主要從調速系統電氣控制原理設計、調速系統動態抗擾性能分析及調速系統動態仿真等幾方面進行論述，仿真結果表明，設計的調速系統是合理的，能滿足提升機工作時的各項性能要求。

1 雙閉環直流調速系統電氣控制原理設計

結合提升系統實際數據分別對電流環和轉速環的參數進行設置，并運用SINMULIK工具箱中的傳遞函數對其進行動態仿真的設計。直流調速系統電氣控制原理設計時按照先內環后外環的設計原則，從內環開始，逐步向外擴展。首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器，其濾波環節包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不影響調節器的輸入，需加低通濾波，然而增加低通濾波環節后，在抑制交流分量的同時濾波環節也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數的慣性環節，其作用是讓給定信號和反饋信號經過相同的延時，使二者在時間上得到恰當的匹配，從而保證仿真效果與實際的一致性。由于測速發電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，根據和電流環一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數給定濾波環節。為滿足以上所說環節的實現，設計的雙閉環直流調速控制系統電路原理如圖1；轉速、電流雙閉環直流調速控制系統結構如圖2所示。

圖1 調速控制系統電路原理圖

2 雙閉環直流調速系統動態抗擾性能分析

在直流調速提升機調速動態系統中，最重要的動態性能是抗擾性能。抗擾性能主要包括抗電網電壓擾動和抗負載擾動兩方面。

2.1 抗電網電壓擾動

在圖2所示的調速控制系統中，由于增設了電流內環，這就使系統不僅具備了單閉環抗負載擾動的優點，對電壓擾動的干擾也增強了，電壓波動可以通過電流反饋得到及時的調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，這使抗擾性能得到很好的改善。

圖2 轉速、電流調速系統結構圖

2.2 抗負載擾動

結合圖2可以看出，負載擾動作用在電流環之后，只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動的作用。因此在設計ASR時應選用有較好抗擾性能指標的元件。

2.3 轉速和電流兩個調節器的作用

2.3.1 轉速調節器的作用

（1）轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差調速；

（2）對負載變化起抗擾作用；

（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。

2.3.2 電流調節器的作用

（1）作為內環的調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環調節器的輸出量）變化；

（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用；

（3）在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程；

（4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用，一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。

2.4 控制系統的動態性能指標

2.4.1 跟隨性能指標

在給定信號或參考信號的作用下，系統輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當給定信號變化時，輸出響應也隨著變化。通常以輸出量的初始值為零時給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的響應（動態輸出量）稱作階躍響應。

2.4.2 抗擾性能指標

在系統穩定運行中，突加一個使輸出量降低的擾動量F后，輸出量由降低到恢復的過渡過程是系統典型的抗擾過程，常用的抗擾性能指標為動態降落和恢復時間。

（1）動態降落：系統穩態運行時，突加一個約定的標準負擾動量，所引起的輸出量最大降落值稱作動態降落，調速系統突加額定負載擾動時轉速的動態降落稱作動態速降。

（2）恢復時間：從階躍擾動作用開始，到輸出量基本恢復為穩態，距新穩態值之差進入某基準值的(或取)范圍之內所需的時間，定義為恢復時間。

實際控制系統對于各種動態指標的要求各不相同。對于礦井提升機而言，以抗擾性能為主，但對跟隨性能也有一定的要求。

3 系統動態仿真

3.1 仿真方法

仿真步驟是先按照計算結果選用相關元件制作仿真模型，然后選擇仿真數據，把仿真數據輸入到仿真模型后，得出仿真結果，分析仿真結果就可得出相關結論。

3.2 仿真數據

（1）提升機數據：采用?4 m×4 m直聯塔裝摩擦提升機，提升高度H=795 m；提升速度為νm= 10 m/s；有效載荷Q=16 t；驅動輪直徑為D=4 m；導向輪直徑為D=4 m；鋼絲繩股數為4；主軸轉速n=47.75 r/min；給定速度如圖3所示。系統變位到滾筒邊緣的變位質量∑m=114 463 kg。

圖3 提升機給定速度圖

（2）電動機數據：GLC8165-79116型；額定功率為2 100 kW；額定電流為2 675 A；額定轉速為47.75 r/min；電樞額定電壓為900 V；勵磁電壓為110 V；勵磁功率為40 kW，轉子飛輪力矩為885×103N·m2；電動機電樞電阻為Ra=0.036 6 Ω。

（3）速度數據：仿真速度數據詳見圖3。

3.3 仿真結果分析

3.3.1 提升機系統動態仿真

提升機直流雙閉環系統動態仿真結構圖如圖4所示，為了使系統簡潔，將圖2中的ASR和轉速調節器采用同樣的PI調節器，并采用了同樣的限幅環節，最大限幅設為10，最小定為-10。將轉速環的參數代入仿真軟件，即得到提升機直流雙閉環動態系統的仿真圖。

圖4 雙閉環直流調速系統仿真模型圖

3.3.2 雙閉環直流調速系統仿真結果與分析

（1）模型仿真參數設定。仿真算法采用ode15，仿真時間為8 s。輸入階躍開始時間為0.2 s。

（2）啟動仿真系統。在SIMULINK環境下運行圖4，即得到轉速的動態仿真波形圖和電樞電流的動態仿真波形圖，為了便于觀察，將輸出轉速值放大，使之與電樞電流值在一個窗體上顯示，同時將仿真時間改為5 s，其輸出見圖5。

（3）突加負載后的系統仿真波形如圖6，抗電網電壓擾動特性仿真波形如圖7。

4 結語

通過如上的仿真分析，可得出如下結論。

（1）如圖5所示的電動機起動電流特性已十分接近理想特性。所以該系統對于起動特性來說，已達到預期目的。

圖5 雙閉環直流調速轉速與電流啟動過程對照圖

（2）抗負載突變性能分析。在t=5 s時突加IdL=2 000 A，系統仿真輸出波形如圖6所示。由圖6可知，在突加負載后系統速度下降△n= 0.27 r/min，恢復時間t=0.23 s，抗負載突變性能良好。

圖6 突加負載后的系統仿真波形

（3）抗電網電壓波動性能分析。在t=5 s時，在變流環節SCR的后面突減△U=200 V，系統仿真輸出波形如圖7所示，由圖7可知，在突加干擾后，電樞電流出現波動，但轉速幾乎無變化，只下降了0.06 r/min，恢復時間t=0.29 s，由此可知系統抗電網電壓波動性能也合乎要求。

圖7 抗電網電壓擾動特性仿真波形圖

因此認為，該提升機的雙閉環直流調速系統的電氣控制原理設計是合理的，能滿足實際使用的基本要求。

［1］黃仰金.礦井副井提升機計算機控制系統設計與應用［D］.長沙：中南大學，2004.

［2］趙榮理.基于Matlab/Simulink的異步電動機變頻調速系統的仿真研究［D］.太原：太原理工大學，2002.

［3］王清靈，龔幼民.現代礦井提升機電控技術［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［4］陳為信.姚橋礦副井提升機全數字電控系統的研究［D］.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

［5］李穎.Simulink動態系統建模與仿真基礎［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004.

［6］徐家蓓.控制系統數字仿真［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［7］張森，張正亮.MATLAB仿真技術與實例應用教程［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［8］錢積新，王慧，邵之江.控制系統的數字仿真及計算機輔助設計［M］.杭州：浙江大學出版社，1995.

［9］盧燕.礦井提升機電力拖動與控制［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

Simulation Research for the Double Loop DC Speed Control System of Multi Rope Friction Hoist

SUN Hui-feng，PENG Qiu-hong
（Pingdingshan Industrial Vocational and Technical College，Pingdingshan467001，China）

In order to guarantee the reliability design of hoist DC speed control system，the simulation research of the DC speed control system design was done，emulation mode was the simulation of dynamic structure diagram based on the SIMULINK，simulation process was under the principle of control system inner ring first outer ring after，carries on the simulation of the inner current loop，and according to the approximate conditions，the inner current loop will be separated from the double closed loop，and then configurated data for simulation，observed following performance of elevate machine control system from the simulation results.The simulation of double closed loop DC speed control model was based on the current loop，which used to observe the overall performance index system inspection enhance the starting process of the DC transmission system of the machine，including dynamic performance and anti-disturbance performance index.

multi-rope friction；hoist；double closed loop；DC speed control system；simulation

TP272

A

1009－9492(2014)02－0065－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.019

孫慧峰，女，1972年生，河南洛河人，工程碩士，副教授。研究領域：電氣自動化。

(編輯：向 飛)

2013－07－08