本發(fā)明涉及一種空化器抗飽和PID傳動(dòng)半物理仿真系統(tǒng)。

技術(shù)背景

水下超高速航行體以其極高的航行速度和精確的打擊能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他常規(guī)航行體，而水下超高速航行體運(yùn)動(dòng)控制一直是國(guó)家的重要課題。對(duì)水下超高速航行體運(yùn)動(dòng)控制仿真可以采用半物理仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)。半物理仿真是利用水下超高速航行體模型來(lái)代替實(shí)際航行體進(jìn)行各種控制實(shí)驗(yàn)，比如空化器控制、尾舵控制、俯仰控制等等。水下超高速航行體半物理仿真系統(tǒng)采用實(shí)物與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的仿真方式，可以有效節(jié)省人力物力資源，為水下超高速航行體的實(shí)際航行提供科學(xué)的依據(jù)。

傳動(dòng)裝置通常有機(jī)械式和自動(dòng)控制式，而自動(dòng)控制式有開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式。機(jī)械式和開(kāi)環(huán)式對(duì)控制量進(jìn)行控制時(shí)，不能將被控量進(jìn)行檢測(cè)，從而控制精度較低。本發(fā)明采用自動(dòng)控制式的閉環(huán)方式，能夠有效地克服閉環(huán)控制中的電流飽和問(wèn)題，提高控制精度，方便進(jìn)一步對(duì)水下超高速航行體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性及控制特性的學(xué)習(xí)與研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種能夠精確進(jìn)行空化器轉(zhuǎn)角控制仿真的空化器抗飽和PID傳動(dòng)半物理仿真系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種空化器抗飽和PID傳動(dòng)半物理仿真系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、電流互感器、電力電子變換器、角度傳感器，空化器轉(zhuǎn)角角度給定角度電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅電壓信號(hào)；限幅電壓信號(hào)確定電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器輸出的限幅電壓限制電力電子變換器的最大輸出電壓；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中外面的閉環(huán)起到轉(zhuǎn)速的反饋及調(diào)節(jié)作用，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器；內(nèi)環(huán)為電流調(diào)節(jié)環(huán)，對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞電流起到限制作用，同時(shí)能對(duì)執(zhí)行電機(jī)起到保護(hù)作用，電流調(diào)節(jié)器采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器；在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間串級(jí)連接；把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，系統(tǒng)將輸出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分運(yùn)算，并將積分運(yùn)算的結(jié)果反饋到角度給定端，與給定角度電壓信號(hào)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端。

本發(fā)明的有益效果在于：

所述的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、電流互感器、電力電子變換器是設(shè)計(jì)安裝在一塊電路板上的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、電流互感器、電力電子變換器和空化器實(shí)現(xiàn)空化器的角度設(shè)置變化，可以根據(jù)水下超高速航行體的航行狀態(tài)合理調(diào)整空化器角度，進(jìn)而改變超高速航行體的水動(dòng)力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)航行體航行狀態(tài)的改變，提高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的靈活性；本發(fā)明采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速，電樞電流以及轉(zhuǎn)角的控制，既能夠保證控制精度又很大程度上降低了成本；本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)電流及轉(zhuǎn)速的抗飽和控制，對(duì)執(zhí)行電機(jī)提供了有效的保護(hù)；本發(fā)明體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且易于實(shí)現(xiàn)，可以安裝在水下超高速航行體的模型之內(nèi)，可作為試驗(yàn)裝置批量生產(chǎn)，向研究人員及學(xué)習(xí)者演示水下超高速航行體空化器運(yùn)動(dòng)對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)特性及航行姿態(tài)的影響。本發(fā)明的使用方法簡(jiǎn)單，只需將本發(fā)明固定在航行體的前端內(nèi)部，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的模型仿真。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。

圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、電流互感器、電力電子變換器、角度傳感器。空化器轉(zhuǎn)角角度給定角度電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅電壓信號(hào)。限幅電壓信號(hào)決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器輸出的限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中外面的閉環(huán)起到轉(zhuǎn)速的反饋及調(diào)節(jié)作用，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器。內(nèi)環(huán)為電流調(diào)節(jié)環(huán)，對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞電流起到限制作用，同時(shí)能對(duì)執(zhí)行電機(jī)起到保護(hù)作用，電流調(diào)節(jié)器也采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器。

為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。為了最終實(shí)現(xiàn)空化器轉(zhuǎn)角的控制，將輸出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分運(yùn)算，并將積分運(yùn)算的結(jié)果反饋到角度給定端，與給定角度電壓信號(hào)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端。

結(jié)合圖1至圖2，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電力電子變換器、直流電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、晶閘管、電流互感器。

為了防止轉(zhuǎn)速和電流突變，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速給定電壓與轉(zhuǎn)速反饋電壓進(jìn)行比較，將結(jié)果輸出給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)電壓進(jìn)行運(yùn)算輸出電流給定電壓，該電流給定電壓信號(hào)與電流負(fù)反饋電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，之后將運(yùn)算結(jié)果輸入到電流調(diào)節(jié)器中按照控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果輸入到電力電子變換化器中，電力電子變換器將信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q后加到電動(dòng)機(jī)兩端，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸連接，因此通過(guò)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并以電壓信號(hào)反饋到轉(zhuǎn)速給定端。

本發(fā)明還包括以下結(jié)構(gòu)特征：

兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器輸出的限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入與輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器能使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓的變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠減小轉(zhuǎn)速誤差，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制；對(duì)負(fù)載變化能起到抗擾作用；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定了電動(dòng)機(jī)允許的最大電流值。在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，電流調(diào)節(jié)器使電流跟隨電流給定電壓的變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起實(shí)時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器能夠限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。當(dāng)故障消失，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常。

該系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)采用三閉環(huán)形式，最內(nèi)環(huán)限制電流的突變，中間環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟隨與調(diào)節(jié)，最外環(huán)對(duì)空化器的轉(zhuǎn)角進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)。由于兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)，所以均可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。

本發(fā)明主要工作過(guò)程及原理如下：

為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)處于不飽和狀態(tài)，因此系統(tǒng)的工作過(guò)程只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。

當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都處于不飽和狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)的轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。

在系統(tǒng)的輸入端為空化器轉(zhuǎn)角的電壓給定信號(hào)轉(zhuǎn)角電壓給定信號(hào)與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得的空化器轉(zhuǎn)角電壓信號(hào)U_θ進(jìn)行比較輸出為轉(zhuǎn)速電壓給定信號(hào)該給定信號(hào)與測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)U_n進(jìn)行比較，比較后輸入到限幅PI調(diào)節(jié)器1，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中進(jìn)行運(yùn)算，輸出為電流給定的電壓信號(hào)該給定信號(hào)與電流電壓信號(hào)U_i進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸入到限幅PI調(diào)節(jié)器2中，即電流調(diào)節(jié)器。經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過(guò)比例放大器Ks運(yùn)算之后得到的電壓信號(hào)U_d0與等效電流與等效電阻的乘積I_dR進(jìn)行運(yùn)算后加到直流電動(dòng)機(jī)的兩端，直流電動(dòng)機(jī)等效為一個(gè)常數(shù)環(huán)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n乘以轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α反饋到轉(zhuǎn)速給定電壓端。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算轉(zhuǎn)化為角度信號(hào)，經(jīng)過(guò)角度反饋系數(shù)γ反饋到角度給定電壓端，從而形成三閉環(huán)控制系統(tǒng)。

該傳動(dòng)系統(tǒng)及裝置的工作流程為初始化開(kāi)始環(huán)節(jié)，判斷轉(zhuǎn)速電壓與轉(zhuǎn)速反饋電壓之差是否等于零，如果等于零直接進(jìn)入下一判斷環(huán)節(jié)；如果不等于零，信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行處理，而后判斷電流給定電壓與電流反饋電壓之差是否等于零，如果等于零，電壓信號(hào)直接加到直流電動(dòng)機(jī)兩端；如果不等于零，信號(hào)進(jìn)入電流調(diào)節(jié)器運(yùn)算而后經(jīng)過(guò)電力電子變換器，加到直流電動(dòng)機(jī)兩端，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量直流電動(dòng)機(jī)兩端的電壓得到空化器的轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分得到空化器的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。