詹莊春

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900)

對調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，過去用得較多的是經(jīng)典動態(tài)校正方法，它需要設(shè)計者具有扎實的理論基礎(chǔ)、豐富的實際經(jīng)驗和熟練的設(shè)計技巧，初學(xué)者不易掌握這些。目前，關(guān)于串級調(diào)速方面的研究，較多在于探索硬件的新結(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)驗調(diào)節(jié)法，體現(xiàn)出設(shè)計工作繁瑣低效。而工程設(shè)計方法的介入，很好地解決了以上問題。

1 工程設(shè)計方法簡介

工程設(shè)計方法突出主要矛盾。它通過對傳遞函數(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，對于典型Ⅰ型系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其參數(shù)設(shè)置可查表1。

當(dāng)有階躍干擾信號作用時，針對在典型Ⅰ型系統(tǒng)環(huán)境下的調(diào)速系統(tǒng)，分析擾動作用點如圖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。

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

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

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

其次，對于典型Ⅱ型系統(tǒng)，令h=τ/T，根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，其參數(shù)可查表3。

表3 典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

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

圖2 典型Ⅱ系統(tǒng)在擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

表4 典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(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，控制對象的兩個時間常數(shù)比值越大，則動態(tài)降落越小，但恢復(fù)時間較長;由表3可知，在h=5時達(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對比可知，典型Ⅰ型系統(tǒng)的超調(diào)量較小;在抗擾性能方面，經(jīng)表2與表4對比可知，典型Ⅱ型系統(tǒng)的恢復(fù)時間較短。

2 異步電動機(jī)雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)

串級調(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機(jī)等組成，通過電流互感器、測速機(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 串級調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖中異步電動機(jī)以某種轉(zhuǎn)差速運行，其轉(zhuǎn)子電動勢經(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，通過控制晶閘管逆變角，來改變轉(zhuǎn)子直流回路中的電流，就可以實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

在轉(zhuǎn)子直流回路中，設(shè)轉(zhuǎn)差率為s，轉(zhuǎn)子靜止時開路電壓(即理想空載整流輸出電壓)為Ud0，逆變器輸出的空載電壓為Ui0，轉(zhuǎn)子直流回路總電感和電阻分別為LΣ、RΣ，電流為Id，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，空載轉(zhuǎn)速為n0，可得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)，即(2)式。

對于異步電動機(jī)，設(shè)同步角轉(zhuǎn)速為Ω0，在s=1時折算到轉(zhuǎn)子側(cè)每相漏抗為XD0，考慮換相重疊對整流電路的影響，負(fù)載電流為IL，電機(jī)飛輪慣量為GD2，忽略線路損耗，可得異步電動機(jī)的傳遞函數(shù)，即(3)式。

對晶閘管逆變器，設(shè)觸發(fā)電路的控制電壓為Uct，放大系數(shù)為Ks，失控時間為Ts。另外，設(shè)電流互感器反饋系數(shù)為fi，測速機(jī)反饋系數(shù)為fn，速度給定電壓為U*n，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)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，見圖4。

圖4 串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3 工程設(shè)計方法在串級調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用舉例

設(shè)雙閉環(huán)控制的串級調(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50Hz。異步電動機(jī)的基本數(shù)據(jù)為:Pnom=120kW，定子線電壓Unom=380V，nnom=1370r/min，轉(zhuǎn)子開路相電壓E20=60V，轉(zhuǎn)子額定電流 I2nom=25.2A，XD0=0.934Ω，飛輪慣量 GD2=3.85N·m2。轉(zhuǎn)子直流回路:LΣ=88.3mH，RΣ=1.214Ω。逆變器Ts=0.0017s，試對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)參數(shù)設(shè)計。

第一步，被控裝置的參數(shù)計算。設(shè)最小逆變角βmin=30°，根據(jù)式(2)～(3)，得:

第二步，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計。為抑制電流波動造成的高頻干擾，需增加電流低通濾波，又為了平衡濾波環(huán)節(jié)帶來的延滯，同時需增加給定濾波環(huán)節(jié)，兩者時間常數(shù)均為Toi(取2ms)。不考慮負(fù)載擾動，忽略轉(zhuǎn)差電壓擾動對電流環(huán)的影響。整個電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5(a)所示，通過簡化得到圖5(b)。電流環(huán)近似處理的條件為TsTois2＜＜1。

圖5 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化處理

電流環(huán)的調(diào)節(jié)對象由一個小慣性環(huán)節(jié)和一個大慣性環(huán)節(jié)組成，由于TLr＜h(Ts+Toi)，故電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)fi=1，ACR選擇PI調(diào)節(jié)器，得(5)式。校驗電流環(huán)近似條件，均滿足。

第三步，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。令 TΣi=Ts+Toi，電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可降階及其近似處理條件為＜＜1。經(jīng)電流閉環(huán)等效后，轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)對象由一個小慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(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)帶來的延滯，同時需增加給定濾波環(huán)節(jié)，兩者時間常數(shù)均為Ton(取10ms)。整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6(a)所示，不考慮負(fù)載擾動時，通過簡化得到圖6(b)，簡化條件為2TΣiTons2＜＜1。

圖6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化處理

為增強(qiáng)抗擾性能，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計，故ASR也選擇PI調(diào)節(jié)器。令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為KN，fn=1，得(6)式。校驗轉(zhuǎn)速環(huán)近似處理條件，均滿足。

4 串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真測試及其輸出波形效果圖的比較

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

圖7 串級調(diào)速系統(tǒng)主電路模型

各模塊參數(shù)均按應(yīng)用舉例數(shù)據(jù)來設(shè)置，有部分電機(jī)參數(shù)可通過等效電路換算獲得。

然后，將主電路建立為一個子系統(tǒng)，按照串級調(diào)速系統(tǒng)動態(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)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)仿真圖

比例積分調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置有兩種方法:一是經(jīng)驗調(diào)試方法，二是工程設(shè)計方法。據(jù)經(jīng)驗調(diào)整控制器參數(shù)，從而獲得輸出波形如圖9所示。據(jù)工程設(shè)計方法調(diào)整控制器參數(shù)(Ki=1.6、τi=72.73ms、Kn=15.674、τn=0.087s)，獲得輸出波形如圖10所示。比較兩者可知，運用工程設(shè)計方法的調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了相當(dāng)高的靜動態(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)驗調(diào)試方法的串級調(diào)速效果圖

圖10 工程設(shè)計方法的串級調(diào)速效果圖

5 結(jié)束語

可以看出，將實踐經(jīng)驗與理論計算有機(jī)融合在一起的工程設(shè)計方法，當(dāng)基于控制對象的精確模型時，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)試過程。它來源于實踐，又高于實踐，將之應(yīng)用于串級調(diào)速系統(tǒng)控制器的一次嘗試是成功的;展望一下，在控制器的硬件和軟件方面，該方法均可應(yīng)用。

［1］吳小丹，吳鵬飛.新型雙IGBT串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國科技投資，2013(26):191.

［2］陳沖，胡國文.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］.計算機(jī)仿真，2013(04):364-368.

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

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

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

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