本發(fā)明涉及一種空化器抗飽和PID傳動半物理仿真系統(tǒng)。

技術背景

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，遠遠超越了其他常規(guī)航行體，而水下超高速航行體運動控制一直是國家的重要課題。對水下超高速航行體運動控制仿真可以采用半物理仿真來實現(xiàn)。半物理仿真是利用水下超高速航行體模型來代替實際航行體進行各種控制實驗，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)采用實物與數(shù)學模型相結合的仿真方式，可以有效節(jié)省人力物力資源，為水下超高速航行體的實際航行提供科學的依據(jù)。

傳動裝置通常有機械式和自動控制式，而自動控制式有開環(huán)式和閉環(huán)式。機械式和開環(huán)式對控制量進行控制時，不能將被控量進行檢測，從而控制精度較低。本發(fā)明采用自動控制式的閉環(huán)方式，能夠有效地克服閉環(huán)控制中的電流飽和問題，提高控制精度，方便進一步對水下超高速航行體進行運動特性及控制特性的學習與研究。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種空化器抗飽和PID傳動半物理仿真系統(tǒng)，包括轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、測速發(fā)電機、電流互感器、電力電子變換器、角度傳感器，空化器轉角角度給定角度電壓信號，轉速調節(jié)器輸出限幅電壓信號；限幅電壓信號確定電流給定的最大值，電流調節(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；轉速調節(jié)部分采用雙閉環(huán)結構，其中外面的閉環(huán)起到轉速的反饋及調節(jié)作用，相應的調節(jié)器采用帶限幅的PI調節(jié)器；內環(huán)為電流調節(jié)環(huán)，對電動機電樞電流起到限制作用，同時能對執(zhí)行電機起到保護作用，電流調節(jié)器采用帶限幅的PI調節(jié)器；在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，兩個調節(jié)器之間串級連接；把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器，電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)，系統(tǒng)將輸出的轉速進行積分運算，并將積分運算的結果反饋到角度給定端，與給定角度電壓信號進行比較，將比較結果作為轉速調節(jié)器的輸入端。

本發(fā)明的有益效果在于：

所述的轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、測速發(fā)電機、電流互感器、電力電子變換器是設計安裝在一塊電路板上的。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明使用轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、測速發(fā)電機、電流互感器、電力電子變換器和空化器實現(xiàn)空化器的角度設置變化，可以根據(jù)水下超高速航行體的航行狀態(tài)合理調整空化器角度，進而改變超高速航行體的水動力參數(shù)，實現(xiàn)航行體航行狀態(tài)的改變，提高機動運動的靈活性；本發(fā)明采用轉速電流雙閉環(huán)控制轉速，電樞電流以及轉角的控制，既能夠保證控制精度又很大程度上降低了成本；本發(fā)明能實現(xiàn)電流及轉速的抗飽和控制，對執(zhí)行電機提供了有效的保護；本發(fā)明體積小、結構簡單、成本低且易于實現(xiàn)，可以安裝在水下超高速航行體的模型之內，可作為試驗裝置批量生產，向研究人員及學習者演示水下超高速航行體空化器運動對航行體運動特性及航行姿態(tài)的影響。本發(fā)明的使用方法簡單，只需將本發(fā)明固定在航行體的前端內部，可以實現(xiàn)真實的模型仿真。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)原理圖。

圖2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖。

圖3為本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明包括轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、測速發(fā)電機、電流互感器、電力電子變換器、角度傳感器?？栈鬓D角角度給定角度電壓信號，轉速調節(jié)器輸出限幅電壓信號。限幅電壓信號決定了電流給定的最大值，電流調節(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。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和。轉速調節(jié)部分采用雙閉環(huán)結構，其中外面的閉環(huán)起到轉速的反饋及調節(jié)作用，相應的調節(jié)器采用帶限幅的PI調節(jié)器。內環(huán)為電流調節(jié)環(huán)，對電動機電樞電流起到限制作用，同時能對執(zhí)行電機起到保護作用，電流調節(jié)器也采用帶限幅的PI調節(jié)器。

為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實現(xiàn)串級連接。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)。為了最終實現(xiàn)空化器轉角的控制，將輸出的轉速進行積分運算，并將積分運算的結果反饋到角度給定端，與給定角度電壓信號進行比較，將比較結果作為轉速調節(jié)器的輸入端。

結合圖1至圖2，本發(fā)明包括轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、電力電子變換器、直流電動機、測速發(fā)電機、晶閘管、電流互感器。

為了防止轉速和電流突變，采用雙閉環(huán)結構，采用轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器分別對轉速和電流進行反饋調節(jié)。轉速給定電壓與轉速反饋電壓進行比較，將結果輸出給轉速調節(jié)器，轉速調節(jié)器對電壓進行運算輸出電流給定電壓，該電流給定電壓信號與電流負反饋電壓信號進行比較運算，之后將運算結果輸入到電流調節(jié)器中按照控制規(guī)律進行計算，將計算的結果輸入到電力電子變換化器中，電力電子變換器將信號進行適當?shù)淖儞Q后加到電動機兩端，驅動直流電動機轉動。直流電動機與直流測速發(fā)電機同軸連接，因此通過直流測速發(fā)電機測得直流電動機的轉速并以電壓信號反饋到轉速給定端。

本發(fā)明還包括以下結構特征：

兩個調節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調節(jié)器。轉速調節(jié)器輸出的限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節(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。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入與輸出間的關系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。

轉速調節(jié)器能使轉速很快地跟隨給定電壓的變化，穩(wěn)態(tài)時能夠減小轉速誤差，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)無差控制；對負載變化能起到抗擾作用；轉速調節(jié)器的輸出限幅值決定了電動機允許的最大電流值。在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，電流調節(jié)器使電流跟隨電流給定電壓的變化。對電網(wǎng)電壓的波動起實時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當電動機發(fā)生堵轉時，電流調節(jié)器能夠限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。當故障消失，系統(tǒng)自動恢復正常。

該系統(tǒng)的閉環(huán)結構采用三閉環(huán)形式，最內環(huán)限制電流的突變，中間環(huán)對轉速進行跟隨與調節(jié)，最外環(huán)對空化器的轉角進行監(jiān)測與調節(jié)。由于兩個調節(jié)器均采用PI調節(jié)，所以均可以實現(xiàn)無差調節(jié)。

本發(fā)明主要工作過程及原理如下：

為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，電流調節(jié)器應處于不飽和狀態(tài)，因此系統(tǒng)的工作過程只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。

當轉速調節(jié)器不飽和時，兩個調節(jié)器都處于不飽和狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。當轉速調節(jié)器飽和時，轉速調節(jié)器達到限幅值，轉速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對轉速環(huán)不再產生影響。雙閉環(huán)的轉速電流調節(jié)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。最大電流取決于電動機的容許過載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。

在系統(tǒng)的輸入端為空化器轉角的電壓給定信號轉角電壓給定信號與直流測速發(fā)電機測得的空化器轉角電壓信號U_θ進行比較輸出為轉速電壓給定信號該給定信號與測得的轉速信號U_n進行比較，比較后輸入到限幅PI調節(jié)器1，即轉速調節(jié)器。在轉速調節(jié)器中進行運算，輸出為電流給定的電壓信號該給定信號與電流電壓信號U_i進行比較，比較結果輸入到限幅PI調節(jié)器2中，即電流調節(jié)器。經(jīng)過電流調節(jié)器進行運算，運算結果經(jīng)過比例放大器Ks運算之后得到的電壓信號U_d0與等效電流與等效電阻的乘積I_dR進行運算后加到直流電動機的兩端，直流電動機等效為一個常數(shù)環(huán)節(jié)直流電動機的轉速n乘以轉速反饋系數(shù)α反饋到轉速給定電壓端。直流電動機的轉速信號經(jīng)過積分運算轉化為角度信號，經(jīng)過角度反饋系數(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)。

該傳動系統(tǒng)及裝置的工作流程為初始化開始環(huán)節(jié)，判斷轉速電壓與轉速反饋電壓之差是否等于零，如果等于零直接進入下一判斷環(huán)節(jié)；如果不等于零，信號經(jīng)過轉速調節(jié)器進行處理，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，電壓信號直接加到直流電動機兩端；如果不等于零，信號進入電流調節(jié)器運算而后經(jīng)過電力電子變換器，加到直流電動機兩端，直流電動機帶動直流測速發(fā)電機轉動，測量直流電動機兩端的電壓得到空化器的轉速，對轉速進行積分得到空化器的轉動位移。