多繩摩擦式提升機雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

孫慧峰，彭秋紅

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山 467001）

多繩摩擦式提升機雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

孫慧峰，彭秋紅

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山 467001）

為保證設(shè)計的提升機直流調(diào)速控制系統(tǒng)的可靠性，對設(shè)計的直流調(diào)速控制系統(tǒng)進行仿真研究，仿真方式是基于SIMU?LINK中動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的仿真，仿真步驟是按照控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則，首先對電流內(nèi)環(huán)進行仿真，并根據(jù)一定的近似條件，將電流內(nèi)環(huán)從雙閉環(huán)中獨立出來，然后配置數(shù)據(jù)進行仿真，從仿真結(jié)果中觀察提升機控制系統(tǒng)的跟隨性。對雙閉環(huán)直流調(diào)速模型的仿真是在電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上進行的，用來觀察提升機直流傳動系統(tǒng)的起動過程中檢驗提升機系統(tǒng)的整體性能指標，包括動態(tài)性能指標和抗擾性能指標。

多繩摩擦式；提升機；雙閉環(huán)；直流調(diào)速系統(tǒng)；仿真研究

0 引言

為保證設(shè)計的提升機直流調(diào)速控制系統(tǒng)的可靠性，本文主要從調(diào)速系統(tǒng)電氣控制原理設(shè)計、調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能分析及調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)仿真等幾方面進行論述，仿真結(jié)果表明，設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是合理的，能滿足提升機工作時的各項性能要求。

1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣控制原理設(shè)計

結(jié)合提升系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)分別對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)進行設(shè)置，并運用SINMULIK工具箱中的傳遞函數(shù)對其進行動態(tài)仿真的設(shè)計。直流調(diào)速系統(tǒng)電氣控制原理設(shè)計時按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其濾波環(huán)節(jié)包括電流濾波、轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波，然而增加低通濾波環(huán)節(jié)后，在抑制交流分量的同時濾波環(huán)節(jié)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(shù)的慣性環(huán)節(jié)，其作用是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)钠ヅ?，從而保證仿真效果與實際的一致性。由于測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)給定濾波環(huán)節(jié)。為滿足以上所說環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，設(shè)計的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)電路原理如圖1；轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 調(diào)速控制系統(tǒng)電路原理圖

2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能分析

在直流調(diào)速提升機調(diào)速動態(tài)系統(tǒng)中，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能?？箶_性能主要包括抗電網(wǎng)電壓擾動和抗負載擾動兩方面。

2.1 抗電網(wǎng)電壓擾動

在圖2所示的調(diào)速控制系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這就使系統(tǒng)不僅具備了單閉環(huán)抗負載擾動的優(yōu)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(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、電流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 抗負載擾動

結(jié)合圖2可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。因此在設(shè)計ASR時應(yīng)選用有較好抗擾性能指標的元件。

2.3 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用

2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差調(diào)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(diào)節(jié)器的作用

（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；

（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用；

（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；

（4）當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)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(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。

2.4 控制系統(tǒng)的動態(tài)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(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當(dāng)給定信號變化時，輸出響應(yīng)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(yīng)（動態(tài)輸出量）稱作階躍響應(yīng)。

2.4.2 抗擾性能指標

在系統(tǒng)穩(wěn)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(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。

（1）動態(tài)降落：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)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(tài)降落，調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降。

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

實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)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(tǒng)動態(tài)仿真

3.1 仿真方法

仿真步驟是先按照計算結(jié)果選用相關(guān)元件制作仿真模型，然后選擇仿真數(shù)據(jù)，把仿真數(shù)據(jù)輸入到仿真模型后，得出仿真結(jié)果，分析仿真結(jié)果就可得出相關(guān)結(jié)論。

3.2 仿真數(shù)據(jù)

（1）提升機數(shù)據(jù)：采用?4 m×4 m直聯(lián)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(qū)動輪直徑為D=4 m；導(dǎo)向輪直徑為D=4 m；鋼絲繩股數(shù)為4；主軸轉(zhuǎn)速n=47.75 r/min；給定速度如圖3所示。系統(tǒng)變位到滾筒邊緣的變位質(zhì)量∑m=114 463 kg。

圖3 提升機給定速度圖

（2）電動機數(shù)據(jù)：GLC8165-79116型；額定功率為2 100 kW；額定電流為2 675 A；額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)：仿真速度數(shù)據(jù)詳見圖3。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 提升機系統(tǒng)動態(tài)仿真

提升機直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，為了使系統(tǒng)簡潔，將圖2中的ASR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用同樣的PI調(diào)節(jié)器，并采用了同樣的限幅環(huán)節(jié)，最大限幅設(shè)為10，最小定為-10。將轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)代入仿真軟件，即得到提升機直流雙閉環(huán)動態(tài)系統(tǒng)的仿真圖。

圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖

3.3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

（1）模型仿真參數(shù)設(shè)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(tǒng)。在SIMULINK環(huán)境下運行圖4，即得到轉(zhuǎn)速的動態(tài)仿真波形圖和電樞電流的動態(tài)仿真波形圖，為了便于觀察，將輸出轉(zhuǎn)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(tǒng)仿真波形如圖6，抗電網(wǎng)電壓擾動特性仿真波形如圖7。

4 結(jié)語

通過如上的仿真分析，可得出如下結(jié)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(tǒng)對于起動特性來說，已達到預(yù)期目的。

圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速轉(zhuǎn)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(tǒng)仿真輸出波形如圖6所示。由圖6可知，在突加負載后系統(tǒng)速度下降△n= 0.27 r/min，恢復(fù)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(tǒng)仿真波形

（3）抗電網(wǎng)電壓波動性能分析。在t=5 s時，在變流環(huán)節(jié)SCR的后面突減△U=200 V，系統(tǒng)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(xiàn)波動，但轉(zhuǎn)速幾乎無變化，只下降了0.06 r/min，恢復(fù)時間t=0.29 s，由此可知系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓波動性能也合乎要求。

圖7 抗電網(wǎng)電壓擾動特性仿真波形圖

因此認為，該提升機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣控制原理設(shè)計是合理的，能滿足實際使用的基本要求。

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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(lǐng)域：電氣自動化。

(編輯：向 飛)

2013－07－08