双闭环直流调速系统的动态仿真分析

简介：
本研究对双闭环直流调速系统进行了深入的动态仿真分析，探讨了其在不同工况下的性能表现和调节特性。 ### 双闭环直流调速系统及其动态仿真 #### 一、引言 双闭环直流调速系统因其良好的动静态特性和抗扰性能，在工业领域有着广泛的应用，尤其是在龙门刨床、可逆轧钢机、造纸、印染设备以及其他需要精密控制转速的直流调速系统中。本段落将详细介绍双闭环直流调速系统的组成、工作原理、抗干扰能力，并通过动态仿真实验来验证其性能。 #### 二、双闭环系统的组成与工作原理 ##### 2.1 组成 双闭环系统主要包括两个核心组件：转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）。这两个调节器通过串级连接实现对转速和电流的精确控制。其中，转速负反馈环作为外环，确保电动机转速能够准确跟踪给定电压；电流负反馈环作为内环，在最大电流限制下提供最优控制。 ##### 2.2 工作原理 - **转速调节器（ASR）**：输入偏差电压为ΔuSR = uSN - uFN，即给定转速与实际转速之间的差值。ASR的输出电压uSI作为ACR的给定信号。 - **电流调节器（ACR）**：输入偏差电压为ΔuCR = -uSI + uFI，即电流给定信号与反馈电流之间的差值。ACR的输出电压UC作为触发电路的控制电压。 - **动态响应**：在启动过程中，由于转速低，实际转速接近于零，导致ΔuSR较大，使得ASR处于输出限幅状态。此时，uSI加到ACR输入端使整流输出电压Ud0增加，电流Id迅速上升至最大值Idm。随着转速逐渐增加，ASR退出限幅状态，转速负反馈开始起作用；同时uSI减小，导致电流Id下降。 #### 三、双闭环系统的抗干扰分析 ##### 3.1 电网电压扰动 电网电压扰动位于电流环内。当电压变化时，通过电流负反馈环节可以快速调节并抑制其影响。 ##### 3.2 负载扰动 负载扰动发生在电流环之外、转速环之内。主要依靠转速负反馈进行调节：在正常工作状态下，增加的负载会导致转速下降；调整后可恢复至无差状态。严重过载时（即电流超过Idm），则由电流调节器起主导作用以保护电机免受损害。 #### 四、双闭环直流调速系统的动态仿真及其分析 ##### 4.1 实验条件 本节基于EL-MC-Ⅱ型电气控制综合实验台进行了双闭环直流调速系统动态仿真实验。使用355W，110V, 4.1A, 1500r/min的直流电动机和三相全控桥式整流装置。 ##### 4.2 数据采集与分析 利用计算机实验软件及数据采集系统对双闭环直流调速系统的转速n(t)和电流i(t)进行了采样。通过调整ASR和ACR参数（KP, Ki, Kd），得到波形图。仿真结果显示，在启动初期，由于低转速导致速度调节器ASR处于限幅状态；而随着电机转速上升，ASR退出限幅状态，并且电流逐渐下降至稳定值。 #### 五、结论 双闭环直流调速系统通过引入转速和电流两个闭环控制，实现了高精度的转速控制及较强的抗干扰能力。动态仿真结果显示，在启动与负载变化时均能保持良好的动态性能；合理设置调节器参数后，可在不同工况下获得满意效果，进一步证明了该系统的实用价值。