工程設(shè)計(jì)方法在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

詹莊春

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程系，廣東廣州510900）

工程設(shè)計(jì)方法在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

詹莊春

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程系，廣東廣州510900）

將工程設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，目的是為系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整尋找一種捷徑，以彌補(bǔ)單純經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)法的不足，意義是爭(zhēng)取設(shè)計(jì)高效的一次嘗試.采用例證的方式，構(gòu)建了系統(tǒng)的Matlab仿真模型,并對(duì)其測(cè)試，通過(guò)波形效果圖的比較得出結(jié)論：應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了良好的靜動(dòng)態(tài)性能.

工程設(shè)計(jì)方法；串級(jí)調(diào)速；調(diào)節(jié)器；Matlab

對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，過(guò)去用的較多的是經(jīng)典動(dòng)態(tài)校正方法，它需要設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和熟練的設(shè)計(jì)技巧，初學(xué)者不易掌握這些.目前，關(guān)于串級(jí)調(diào)速方面的研究，較多的是探索硬件的新結(jié)構(gòu)和控制的新方法，其均有效果體現(xiàn)，但是，或使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜了［1］，或?qū)刂评碚撘筝^高［2］；其次，更有大量的單純經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)法，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)工作繁瑣低效.而工程設(shè)計(jì)方法的介入，可以很好的解決以上問(wèn)題.

1 工程設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

工程設(shè)計(jì)方法突出主要矛盾.它通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)作近似處理，再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器，就可將控制對(duì)象化為典型Ⅰ型系統(tǒng)或Ⅱ型系統(tǒng)［3］，其傳遞函數(shù)為：

首先，對(duì)于典型Ⅰ型系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其參數(shù)設(shè)置可查表1.

表1 典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

2典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

當(dāng)有階躍干擾信號(hào)作用時(shí)，針對(duì)在典型Ⅰ型系統(tǒng)環(huán)境下的調(diào)速系統(tǒng)，分析擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖1所示的一種情況，取KT=0.5，根據(jù)系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)，其參數(shù)設(shè)置可查表2.

圖1 典型I型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

其次，對(duì)于典型Ⅱ型系統(tǒng)，令h=τ/T，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其參數(shù)可查表3.

當(dāng)有階躍干擾信號(hào)作用時(shí)，針對(duì)在典型Ⅱ型系統(tǒng)環(huán)境下的調(diào)速系統(tǒng)，分析擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2所示的一種情況，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)，其參數(shù)設(shè)置可查表4.

圖2 典型Ⅱ型系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

表4典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

最后，由表1可知，一般取：KT=0.5，ζ=0.707；由表2可知，控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)比值越大，則動(dòng)態(tài)降落越小，但恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；由表3可知，在h=5時(shí)達(dá)到最短；由表4可知，一般取h=5.在跟隨性能方面，經(jīng)表1與表3對(duì)比可知，典型Ⅰ型系統(tǒng)的超調(diào)量較??；在抗擾性能方面，經(jīng)表2與表4對(duì)比可知，典型Ⅱ型系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間較短.

2 異步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、“交—直—交”電力電子裝置以及電動(dòng)機(jī)等組成，通過(guò)電流互感器、測(cè)速機(jī)，形成電流負(fù)反饋和速度負(fù)反饋的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示為系統(tǒng)框圖［4］.

圖3 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖中異步電動(dòng)機(jī)以某種轉(zhuǎn)差速運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)經(jīng)不控整流器輸出直流電壓，此電壓與晶閘管有源逆變電壓一起構(gòu)成了轉(zhuǎn)子直流回路.于是，通過(guò)控制晶閘管逆變角，來(lái)改變轉(zhuǎn)子直流回路中的電流，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).

在轉(zhuǎn)子直流回路中，設(shè)空載轉(zhuǎn)速為n0，負(fù)載轉(zhuǎn)速為n，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)開(kāi)路電壓為Ud0，逆變器輸出的空載電壓為Ui0，轉(zhuǎn)子直流回路總電感、總電阻及電流分別為L(zhǎng)∑、R∑、id，可得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù).

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，設(shè)同步角轉(zhuǎn)速為Ωct，在s=1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)每相漏抗為XD0，考慮換相重疊對(duì)整流電路的影響，負(fù)載電流為IL，飛輪慣量為GD2，忽略線路損耗，可得異步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù).

對(duì)晶閘管逆變器，設(shè)觸發(fā)電路的控制電壓為Uct，放大系數(shù)為Ks，失控時(shí)間為T(mén)s.另外，設(shè)電流互感器反饋系數(shù)為IL，測(cè)速機(jī)反饋系數(shù)為fn，速度給定電壓為Un*，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為ASR，電流調(diào)節(jié)器為ACR，則可將系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖4.

圖4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3 工程設(shè)計(jì)方法在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用舉例

設(shè)雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，采用三相橋式整流裝置和逆變器調(diào)速，電源頻率50 Hz.異步電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù)為：Pnom=120 KW，Unom=380 V，nnom=1 370 r/min，E20=60 V，I2nom=125.2 A，XD0=0.94 Ω，GD2=3.85 N·m2.轉(zhuǎn)子直流回路：L∑=88.3 mH，R∑=1.214 Ω.逆變器Ts=0.001 7 s.試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì).

第一步，被控裝置的參數(shù)計(jì)算.設(shè)最小逆變角βmin=30°，根據(jù)式（2）（3），可知，

第二步，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì).為抑制電流波動(dòng)造成的高頻干擾，需增加電流低通濾波，又為了平衡濾波環(huán)節(jié)帶來(lái)的延滯，同時(shí)需增加給定濾波環(huán)節(jié)，兩者時(shí)間常數(shù)均為T(mén)oi（取2 ms）.不考慮負(fù)載擾動(dòng)，忽略轉(zhuǎn)差電壓擾動(dòng)對(duì)電流環(huán)的影響.整個(gè)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5(a）所示，通過(guò)簡(jiǎn)化得到圖5(b）.電流環(huán)近似處理的條件為T(mén)sTois2<<1.

圖5 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化處理

電流環(huán)的調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)組成，由于TLr

第三步，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì).令T∑i=Ts+Toi，電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可降階及其近似處理?xiàng)l件為.經(jīng)電流閉環(huán)等效后，轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)組成.為抑制轉(zhuǎn)速紋波造成的高頻干擾，需增加轉(zhuǎn)速低通濾波，又為了平衡濾波環(huán)節(jié)帶來(lái)的延滯，同時(shí)需增加給定濾波環(huán)節(jié)，兩者時(shí)間常數(shù)均為T(mén)on（取10 ms）.整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6(a）所示，不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)化得到圖6(b），簡(jiǎn)化條件為2T∑iTons2<<1.

圖6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化處理

為增強(qiáng)抗擾性能，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故ASR也選擇PI調(diào)節(jié)器.令轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為KN，fn=1，得（6）式.校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)近似處理?xiàng)l件，均滿足.

4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真測(cè)試及其調(diào)節(jié)效果的比較

在Matlab的Simulink環(huán)境下，建立串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)模型.主電路由三相對(duì)稱(chēng)交流電壓源、二極管轉(zhuǎn)子整流器、晶閘管逆變器、繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)、脈沖信號(hào)分配器以及電流表、傳輸器等部分組成［5］，如圖7所示.

圖7 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路模型

各模塊參數(shù)均按舉例數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置（電機(jī)其他參數(shù)：R1=1.083 Ω，R2=1.083 Ω，X1σ=5.974 mH，X2σ=5.974 mH，Xm=0.203 7 H，J=0.01 kg·m2，F(xiàn)=0.005 752 N·m·s,P=2）.

然后將主電路建立為一個(gè)子系統(tǒng)，按照串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制電路模型.該模型包括主電路子系統(tǒng)、給定環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電機(jī)多功能檢測(cè)儀、限幅器、濾波器以及反相器、示波器等［6］，如圖8所示.

圖8 雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖

參數(shù)設(shè)置：Step=0，Step1=90，Step2=40，Step3=-10，Saturation=［0 180］，Saturation1=［30 90］.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，獲得輸出波形如圖9所示.據(jù)工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)控制器參數(shù)（Ki=1.6,τi=72.73 ms,Kn=15.674,Tn=0.087s），獲得輸出波形如圖10所示.比較兩者可知，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法的調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了良好的靜動(dòng)態(tài)性能，且在此基礎(chǔ)上，還能作進(jìn)一步微調(diào)，使系統(tǒng)性能更佳.

圖9 經(jīng)驗(yàn)調(diào)試方法的串級(jí)調(diào)速效果圖

圖10 工程設(shè)計(jì)方法的串級(jí)調(diào)速效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

采用將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論計(jì)算有機(jī)融合在一起的工程設(shè)計(jì)方法，當(dāng)基于控制對(duì)象的精確模型時(shí)，既可使系統(tǒng)達(dá)到快準(zhǔn)穩(wěn)的效果，又可免除繁瑣的調(diào)試過(guò)程.它來(lái)源于實(shí)踐，又高于實(shí)踐，將之應(yīng)用于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)控制器的一次嘗試是成功的，在控制器的硬件和軟件方面，該方法均可應(yīng)用.

［1］劉中良,陳偉華,於江赟.內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中斬波器主電路的分析和仿真［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(3):25-28.

［2］陳沖，胡國(guó)文.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真與分析［J］.計(jì)算機(jī)仿真,2013,30,(04):356-360.

［3］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

［4］孫炳達(dá).自動(dòng)控制原理［M］.第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

［5］田莉.繞線式異步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真［J］.黑龍江科技信息,2012,(33):103.

［6］賈建強(qiáng),韓如成,左龍.基于MATLAB的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2000,4(2):91-93.

The application of engineering method in cascade speed regulation system

ZHAN Zhuang-chun
（Zhujiang Institute of South China Agricultural University,Guangzhou 510900，Guangdong，China）

Engineering method is used in asynchronous motor cascade speed regulation systems,The purpose is to find a shortcut for system parameter adjustment,and make up for the inadequacy of pure experience regulating method.Its significance is an attempt to obtain design efficiency.By the way of example,the Matlab simulation model of the system is built.Then,through the test,the comparison of the waveform rendering concluded that engineering method of cascade speed regulation system has reached the good static and dynamic performance.

engineering method;cascade speed regulation;regulator;Matlab

TP214+.5

：A

：1007-5348（2014）10-0043-05

（責(zé)任編輯：李婉）

2014-07-06

詹莊春（1978-），男，江西鄱陽(yáng)人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程系講師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究.