施鵬

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與基本工作原理，并對(duì)雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速、直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開分析論述，闡明了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型仿真。

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán);直流調(diào)速系統(tǒng);仿真

直流電動(dòng)機(jī)因易于控制，起、制動(dòng)、運(yùn)行方便等特征在生活中的應(yīng)用范圍較廣。近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)推動(dòng)了該調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中的進(jìn)一步發(fā)展，很多高性能高調(diào)速設(shè)備均需使用該系統(tǒng)（包括直流電力推進(jìn)、海洋鉆機(jī)、金屬切割機(jī)床、紡織、造紙、軋鋼、高層電梯、礦山采掘等），設(shè)備運(yùn)行時(shí)，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的性能要求均較高，需弄清雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，使其更好為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展服務(wù)。

1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成與工作原理

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，即電流ACR調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速ASR調(diào)節(jié)器，兩種調(diào)節(jié)器可對(duì)系統(tǒng)的電流與設(shè)備轉(zhuǎn)速造成影響，若二者串聯(lián)，且均帶輸出限幅電路，限幅值依次可為Usim與Ucm。因調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵性被控量為轉(zhuǎn)速，因而需將轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)視作外環(huán)，這可讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)誤的跟隨給定電壓，再將電流負(fù)反饋生成的環(huán)視作內(nèi)環(huán)，以讓設(shè)備在最大電流節(jié)約下，使得整個(gè)轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程得到最佳控制。整個(gè)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖如下所示：

圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理

從上圖中雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與給定電壓之間的關(guān)系緊密，且受給定電壓影響，調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓即△usr=usn-ufn，ASR的輸出電壓usi可視作整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定信號(hào)，電流調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓計(jì)算公式即為△ucr=-usi+ufi，ACR的輸出電壓Uc可視作直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電壓。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若控制電壓Uc改變，就可直接影響觸發(fā)器控制角α與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓Udo，進(jìn)而改變和控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可自由調(diào)節(jié)、改變其運(yùn)行速度[1]。

2.雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速、直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在調(diào)速系統(tǒng)中，若要保證轉(zhuǎn)速與電流負(fù)反饋均各自發(fā)揮相應(yīng)作用，就應(yīng)在系統(tǒng)的正確位置處安裝兩個(gè)調(diào)節(jié)器，用以快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與電流，并將二者串聯(lián)。此后將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出視作電流調(diào)節(jié)ACR的輸入，并用電流調(diào)節(jié)器來(lái)管控品閘管整流器觸發(fā)裝置GT，從圖1中可看出由內(nèi)環(huán)、外環(huán)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)已初步形成。

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（一）電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

若需校正典型I型系統(tǒng)，即需通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，那么其最終的傳遞函數(shù)可為：

（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

從電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能來(lái)看，為了保證轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速控制環(huán)的干擾點(diǎn)前需有一個(gè)積分環(huán)節(jié)。而從電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能來(lái)看，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性更受關(guān)注，但典型Ⅱ系統(tǒng)的抗擾性明顯優(yōu)于I系統(tǒng)[2]。可見(jiàn)，若要保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，還應(yīng)選擇典型Ⅱ系統(tǒng)，并選擇PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，傳遞數(shù)可為：

3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)抗干擾分析

因系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)均采用了PI調(diào)節(jié)器，靜態(tài)無(wú)誤差，動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性較強(qiáng)。

（一）受電網(wǎng)擾動(dòng)

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)位于電流環(huán)中，若電壓變化會(huì)引起電流變化，在電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)即已調(diào)節(jié)。

（二）負(fù)載擾動(dòng)

負(fù)載擾動(dòng)是發(fā)生在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，可見(jiàn)負(fù)載擾動(dòng)主要是靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。這又分為兩種情況：

（1）當(dāng)電流正常時(shí)，若：負(fù)載增加→速度n減弱→Ufn減弱→△uSR更負(fù)→在PI的推動(dòng)下，Uc持續(xù)變大→最終轉(zhuǎn)速n回升，直至轉(zhuǎn)速無(wú)差。

（2）若電動(dòng)機(jī)過(guò)載（Id≥Idm），并表現(xiàn)出Id>Idm→ufi變大→usi迅速變大，AuCR為正值→PI積分效果導(dǎo)致Uc值變小→Udo變小→n快速降低，直至堵轉(zhuǎn)。

4.小結(jié)

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲取良好的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，即電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，若受電機(jī)過(guò)載能力影響，就會(huì)出現(xiàn)較快的動(dòng)態(tài)跟隨性，若系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)改變，也會(huì)直接改變其特性。在仿真時(shí)，需注意，若波形超調(diào)量過(guò)高，建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，是不符合調(diào)速系統(tǒng)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快“特征的。可見(jiàn)，在仿真時(shí)，還應(yīng)對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證其能更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，最終完成對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可逆運(yùn)行，均顯示出了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張健，孫海旺，岳敬國(guó).狀態(tài)觀測(cè)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014（3）：42-43

[2]陳德海，潘興賓.模糊自整定PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模及仿真分析[J].價(jià)值工程，2014（22）：57-60

[3]吳燕翔，張朝君，周超群，霍海波.基于參數(shù)自整定模糊PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013（2）：136-139