雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真畢業(yè)設(shè)計

1、 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（題 目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真摘 要直流電動機具有良好的起制動性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，并通過試驗的方法獲得雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的各項參數(shù)，采用的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計好電流環(huán)后將其等效成速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再對速度環(huán)進行設(shè)計。采用工程設(shè)計方法對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行輔助設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進行參數(shù)計算和近似校驗。在matlab中建立仿真模型，最后采用matlab中的power system工具箱對所設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真,得到了比較理想的運行曲線。分析轉(zhuǎn)速和

2、電流的仿真波形，并進行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于完善、合理。 關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)器;雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng);matlab仿真abstract the direct current electric motor has the good braking quality, easy in widespread scope smooth velocity modulation, in needed in the domain which the high performance controllable electric power drove to obtain the widespread appli

3、cation.this paper introduces the double closed-loop dc sr systems principle. and passing the test method access the double closed-loop dc sr system parameters. design from the inner to outer loop first design of the central current loop will be equivalent to the speed loop of a ring link, design cen

4、tral to further speed loop. engineering design method for dual closed loop speed control system for dc-aided design, choice of device structure, parameter calibration and approximate calculation. it uses the power system toolbox in the matlab to the system which designs to carry on the simulation，an

5、d obtain the satisfactory operation curve. analysis of the speed and current waveform simulation, and debugging, so that the double closed-loop dc sr system perfect, reasonable. keywords: regulator; double closed-loop dc sr system; matlab simulation目 錄 引 言- 1 -第一章 調(diào)速系統(tǒng)與matlab概述- 2 -1.1運動控制系統(tǒng)概述- 2 -1

6、.2直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況- 2 -1.3控制系統(tǒng)的計算機仿真- 3 -1.4matlab簡介- 3 -1.4.1matlab的優(yōu)勢與特點- 3 -1.4.2matlab的simulink簡介- 4 -1.5本設(shè)計主要內(nèi)容- 4 -第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理及參數(shù)的測定- 6 -2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理- 6 -2.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理及原理圖- 6 -2.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖- 7 -2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的測定- 7 -2.2.1參數(shù)測定試驗的系統(tǒng)組成和工作原理- 7 -第三章 電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計- 15 -3.1電流環(huán)的設(shè)計- 15

7、 -3.1.1電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖- 15 -3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計- 17 -第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真- 21 -4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模- 21 -4.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型- 21 -4.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中的參數(shù)設(shè)置- 21 -4.2系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出- 25 -4.3仿真結(jié)果分析- 26 -結(jié) 論- 27 -參考文獻- 28 -謝 辭- 29 -引 言本文采用的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計好電流環(huán)后將其等效成速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再對速度環(huán)進行設(shè)計。 目前廣泛應(yīng)用的直流調(diào)速設(shè)計方法是基于某些標準形式進行的，其優(yōu)

8、點是簡單方便，但設(shè)計的系統(tǒng)性能指標是相同的，實際系統(tǒng)所要求的指標往往是不同的，所以采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法不一定都能得到滿意的結(jié)果。如果我們在按上述設(shè)計法確定調(diào)節(jié)器形式的基礎(chǔ)上，再找出調(diào)節(jié)器參數(shù)改變時對應(yīng)系統(tǒng)性能指標的變化趨勢，那么在實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試時就可以根據(jù)得到的變換趨勢，按系統(tǒng)性能指標的要求來調(diào)整和選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，從而獲得實際系統(tǒng)要求的動態(tài)響應(yīng)。 在設(shè)計中，基于理論設(shè)計的基礎(chǔ)上根據(jù)實際的系統(tǒng)情況作參數(shù)的調(diào)整是非常重要的，也是必不可少的。這是因為實際系統(tǒng)的參數(shù)，往往與計算值或銘牌數(shù)據(jù)有一定的差別，系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)的非線性影響等因素存在，使系統(tǒng)在配置設(shè)計參數(shù)后并不能馬上獲得預(yù)期的性能指標

9、。因此本文采用計算機仿真技術(shù)。應(yīng)用matlab軟件建立數(shù)字仿真模型，觀測轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并進行調(diào)試。模仿被仿真對象的運行狀態(tài)及其隨時間變化的過程。通過對數(shù)字仿真模型的運行過程的觀察和設(shè)計，得到被仿真系統(tǒng)。第一章 調(diào)速系統(tǒng)與matlab概述1.1運動控制系統(tǒng)概述運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備電動機為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。運動控制系統(tǒng)的種類繁多，用途各異。1. 按被控物理量分。以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)叫調(diào)速系統(tǒng)；以角位移或直線

10、位移為被控量的系統(tǒng)叫位置隨動系統(tǒng)，有時也叫伺服系統(tǒng)。2. 按驅(qū)動電動機的類型分。用直流電動機帶動生產(chǎn)機械的為直流傳動系統(tǒng)；用交流電動機帶動生產(chǎn)機械的為交流傳動系統(tǒng)。3. 按控制器的類型分。以模擬電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)成為模擬控制系統(tǒng)；一數(shù)字電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)成為數(shù)字控制系統(tǒng)。另外，按照控制系統(tǒng)中閉環(huán)的多少，也可分為單環(huán)控制系統(tǒng)、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)；按控制原理的不同也可分很多種。對于一種具體的運動控制系統(tǒng)可能使這些分類的交集，如用8051單片及實現(xiàn)的雙環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就

11、是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)相應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的pwm控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可靠性、經(jīng)濟性

12、不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能。在高性能的拖動技術(shù)中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢

13、主要有以下幾個方面：1. 提高調(diào)速系統(tǒng)的單機容量。2. 提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。3. 提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護、診斷及自復(fù)原等多種功能。1.3控制系統(tǒng)的計算機仿真控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的綜合性新型學(xué)科。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機為工具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實際系統(tǒng)進行試驗和研究，而計算機仿真能夠為各種試驗提供方便、廉價、靈活可*的數(shù)學(xué)模型。因此，凡是要用模型進行試驗的，幾乎都可以用計算機仿真來研究被仿真系統(tǒng)的工作特點、選擇最佳參數(shù)和設(shè)計最

14、合理的系統(tǒng)方案。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真越來越多的取代純物理仿真，他為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計以及自動控制系統(tǒng)的計算機輔助教學(xué)提供了快速、經(jīng)濟、科學(xué)及有效的手段。目前，比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是matlab，使用matlab對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用matlab 的simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。1.4matlab簡介1.4.1matlab的優(yōu)勢與特點matlab具有如下的優(yōu)勢與特點：1. 友好的工作平臺和編程環(huán)境2. 簡單易用的程序語言3. 強大的科學(xué)計算機數(shù)據(jù)處理能力4. 出色的圖形處理功能5. 應(yīng)用廣泛的模塊

15、集合工具箱6. 實用的程序接口和發(fā)布平臺7. 模塊化的設(shè)計和系統(tǒng)級的仿真由于matlab具有以上其他計算語言無法比擬的優(yōu)勢，目前它已作為工程和科學(xué)教育界的一種行業(yè)標準。隨著他日益風(fēng)靡全球，我國也掀起了學(xué)習(xí)matlab的熱潮。1.4.2matlab的simulink簡介simulink是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具。它是matlab的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真工作平臺。它一般可以附在nmatlab上同時安裝，也有獨立安裝版。simulink使用模塊組合的方法來實用戶能夠快速、準權(quán)的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別對于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。simulink模

16、型可以用來模擬線性或者非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。另外，simulink還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個過程。simulink沒有單獨的語言，但他提供了s函數(shù)規(guī)則。所謂的s函數(shù)可以是一個m文件、fortran程序、c或c+語言程序等，通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被simulink模型或模塊調(diào)用。s函數(shù)使simulink更加充實、完備，具有更強的處理能力。同matlab一樣，simulink也不是封閉的，它允許用戶可以很方便的定制自己的模塊和模塊庫。同時simulink也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時

17、找到對應(yīng)模塊的說明，便于應(yīng)用。綜上所述，simulink就是一種開放性的，用來模擬線性或非線性的一級連續(xù)或離散的或者兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)的強有力的系統(tǒng)級仿真工具。目前，隨著軟件的不斷升級換代，simulink在軟硬件的接口方面有了長足的進步，使用simulink已經(jīng)可以很方便的進行實時的信號控制和處理、信息通信以及dsp處理。世界上須都大公司已經(jīng)使用simulink作為他們產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的強有力工具。1.5本設(shè)計主要內(nèi)容 本設(shè)計的主要目的是更好的學(xué)習(xí)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，了解直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用狀況，并對matlab軟件有進一步的認知。本設(shè)計根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備的情況，利用實驗手

18、段測定和計算出實驗室電動機的各項參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計仿真方案，最后采用matlab中的power system工具箱對所設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真,得到了比較理想的運行曲線。分析轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并進行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理、完善。第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理及參數(shù)的測定2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理2.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理及原理圖在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的 觸發(fā)裝置。 電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原

19、理圖如下圖21所示。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用 pi 調(diào)節(jié)器。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)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器 使 電流緊緊跟隨其 給定電壓變化，對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用，在 轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中能夠獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程， 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。圖21雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖asr 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 acr 電流調(diào)節(jié)器 gt 觸發(fā)裝置m 直流電動機 tg 測速發(fā)電

20、機 ta 電流互感器 整流裝置原理圖如圖22所示圖22整流裝置原理圖2.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示圖23雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的測定已知的數(shù)據(jù)和調(diào)速要求:直流電動機m03: 額定功率=185w, 額定電壓=220v, 額定電流=1.1a, 額定轉(zhuǎn)速=1600r/min調(diào)速指標:調(diào)速范圍d=10;靜差率s5% 2.2.1參數(shù)測定試驗的系統(tǒng)組成和工作原理主要通過晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)來測定雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中所需的各項參數(shù)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由整流變壓器、晶閘管整流裝置、平波電抗器、電動機測功機組等組成

21、。整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓作為觸發(fā)器的移相控制電壓，改變的大小即可改變控制角，從而獲得可調(diào)的直流電壓，以滿足實驗要求。實驗系統(tǒng)的組成原理圖如圖24所示。圖24 實驗系統(tǒng)原理圖為研究晶閘管電動機系統(tǒng)，須首先了解電樞回路的總電阻r、總電感l(wèi)以及系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)與機電時間常數(shù)，這些參數(shù)均需通過實驗手段來測定，具體方法如下：1. 電樞回路總電阻r的測定電樞回路的總電阻r包括電機的電樞電阻、平波電抗器的直流電阻及整流裝置的內(nèi)阻，即 (2-1)由于阻值較小，不宜用歐姆表或電橋測量，因是小電流檢測，接觸電阻影響很大，故常用直流伏安法。為測出晶閘管整流裝置的電源內(nèi)阻須測量整流

22、裝置的理想空載電壓，而晶閘管整流電源是無法測量的，為此應(yīng)用伏安比較法，實驗線路如圖25所示。圖25伏安比較法實驗線路圖將變阻器、接入被測系統(tǒng)的主電路，測試時電動機不加勵磁，并使電機堵轉(zhuǎn)。合上、，調(diào)節(jié)給定使輸出直流電壓在30%70%范圍內(nèi)，然后調(diào)整使電樞電流在80%90%范圍內(nèi)，讀取電流表a和電壓表的數(shù)值為、，則此時整流裝置的理想空載電壓為 (2-2)調(diào)節(jié)使之與的電阻值相近，拉開開關(guān)，在的條件下讀取電流表、電壓表的數(shù)值、，則 (2-3) 求解(2-2)、(2-3)兩式，可得電樞回路總電阻: (2-4)如把電機電樞兩端短接，重復(fù)上述實驗，可得 (2-5)則電機的電樞電阻為 (2-6) 各數(shù)據(jù)的測量

23、與計算數(shù)據(jù)見表21。表21 測定電樞回路總電阻r次序（a） (v)電樞短接電抗器短接80id0.96901019060id0.72971069737.5258.334.1730id0.3611011010427.7816.675.565.55平均值32.6420.836.944.862. 電樞回路電感l(wèi)的測定電樞回路總電感包括電機的電樞電感、平波電抗器電感和整流變壓器漏感，由于數(shù)值很小，可以忽略，故電樞回路的等效總電感為 (2-7)電感的數(shù)值可用交流伏安法測定。實驗時應(yīng)給電動機加額定勵磁，并使電機堵轉(zhuǎn)，實驗線路如圖26所示。圖26 測量電樞回路電感的實驗線路圖實驗時交流電壓由djk01電源輸出

24、，接djk10的高壓端，從低壓端輸出接電機的電樞，用交流電壓表和電流表分別測出電樞兩端和電抗器上的電壓值和及電流i,從而可得到交流阻抗和，計算出電感值和，計算公式如下: (2-8) (2-9) (2-10) (2-11) 取三次計算的平均值，為實驗系統(tǒng)各部分的電感值。表22 測量回路電感l(wèi)次序（a） (v) (v)(mh)(mh)10.526.565.814440220.420.050.415741930.318.446.9184499平均值1624403. 直流電動機-發(fā)電機-測速發(fā)電機組的飛輪慣量的測定電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為 (2-12)式中，為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為；為負載轉(zhuǎn)矩，空

25、載時即為空載轉(zhuǎn)矩，單位為，n為電機轉(zhuǎn)速，單位為, 為飛輪慣量，單位為。電機空載自由停車時，=，則運動方程式為: (2-13)從而有 (2-14)式中的單位為； 可由空載功率 (單位為w)求出: (2-15) (2-16) dn/dt可以從自由停車時所得的曲線求得，其實驗線路如圖2-7圖27 測定時的實驗線路圖電動機加額定勵磁，將電機空載啟動至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，測量電樞電壓和電流,然后斷開給定，使電機自由停車，將示波器達到慢掃描擋，根據(jù)示波器的時標，計算出電機由穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下降到零時間，將所得數(shù)據(jù)記錄于表23中。由于空載轉(zhuǎn)矩不是常數(shù)，可以以轉(zhuǎn)速n為基準選擇若干個點，測出相應(yīng)的和dn/dt，以求得的平均值。

26、由于本實驗裝置的電機容量比較小，應(yīng)用此法測時會有一定的誤差。表23 直流電動機-發(fā)電機-測速發(fā)電機組的飛輪慣量 的測定n0.80.60.50.4測量值(v)22518614211590(a)0.0750.0740.0740.0740.073t(s)3.73.22.72.42.1計算值(w)16.7513.6510.3948.3966.459(nm)0.10.1020.1030.10.096()3.513.584.344.123.6()3.854. 電樞回路電磁時間常數(shù)的測定采用電流波形法測定電樞回路電磁時間常數(shù)，電樞回路突加給定電壓時，電流按指數(shù)規(guī)律上升: (2-17)其電流變化曲線如圖2-8

27、所示。當(dāng)t=時，有 (2-18)圖2-8 電流上升曲線 實驗線路如圖2-9所示。電機不加勵磁，調(diào)節(jié)給定使電機電樞電流在50%90%范圍內(nèi)。然后保持不變，將給定的撥到接地位置，然后撥動給定從接地到正電壓躍階信號，用數(shù)字存儲示波器記錄的波形，在波形圖上測量出當(dāng)電流上升至穩(wěn)定值的63.2%時的時間，即為電樞回路的電磁時間常數(shù)。 圖29 測定td的實驗線路圖5. 電動機電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的測定將電動機加額定勵磁，使其空載運行，通過rp1改變改變電樞電壓，測得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n、電樞電流，記錄于表23中?？捎上率剿愠? (2-19)式中，的單位為。轉(zhuǎn)矩常數(shù)(額定磁通) 的單位為?？捎汕蟪? (2-20)表24

28、 電動機電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)的測定次序n (r/min) (v) (a)1300430.060.141.33728001130.070.1381.318315002100.080.1391.327平均值0.1391.327最后的結(jié)果取三次平均值。6. 系統(tǒng)機電時間常數(shù)的測定系統(tǒng)的機電時間常數(shù)可由下式計算 (2-21)由于，也可以近似地把系統(tǒng)看成是一階慣性環(huán)節(jié)，即 (2-22)當(dāng)電樞突加給定電壓時，轉(zhuǎn)速n將按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)n到達穩(wěn)態(tài)值的63.2%時,所經(jīng)過的時間即為拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。測試時電樞回路中附加電阻應(yīng)全部切除，突然給電樞加電壓，用數(shù)字存儲示波器記錄過渡過程曲線，即可由此確定機電時間

29、常數(shù)。7.和的計算 轉(zhuǎn)速反饋信號 電流反饋信號8. 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性和測速發(fā)電機特性的測定實驗線路如圖27所示，可不接示波器。電動機加額定勵磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓，分別讀取對應(yīng)的、n的數(shù)值若干組，記錄于表25中，即可描繪出特性曲線和。 由曲線可求得晶閘管整流裝置的放大倍數(shù)曲線: (2-23)表25 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性和測速發(fā)電機特性的測定n(r/min)400800100012301500 (v)0.81.51.82.32.9 (v)57115144172209 (v)1.93.94.95.97.2可計算得到ks =73.94取74。第三章 電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計設(shè)計多環(huán)控

30、制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計好電流調(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。3.1電流環(huán)的設(shè)計3.1.1電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖31所示，圖31 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流反饋濾波時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)3.1.2電流環(huán)的設(shè)計1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化圖31中虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。把電流環(huán)單獨拿出來設(shè)計首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋作用，它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。在還沒有設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時，要考慮它的影響自然是比較困難的。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)一般都遠小

31、于機電時間常數(shù)，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢e的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認為e基本不變，即。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖32（a）所示。再反給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，得圖32（b）最后，和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成一個慣性環(huán)節(jié)，取： （31）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖32（c）。圖32 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡近似條件是： （32）式中：為電流環(huán)的截止頻

32、率?，F(xiàn)在研究一下忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件。電流環(huán)中包含反電動勢部分的結(jié)構(gòu)圖如圖33（a）所示。為了簡單起見，假定為理想空載，即，再將反饋引出點移到電流環(huán)內(nèi)，得結(jié)構(gòu)圖如圖3（b）所示，利用反饋連接等效變換，最后得到圖33（c）。當(dāng)時，圖33（c）中第一個方框內(nèi)的傳遞函數(shù)可近似為： （33）這就是圖1中忽略反電動勢作用的情況。近似條件可轉(zhuǎn)化為： （34）2. 按典型i型系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)3. 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇要校正成典型i型系統(tǒng)，采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成： （35）式中：為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇： （

33、36）則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖34（a）所示的典型形式，其中： （37）圖34（b）繪出了電流環(huán)這時的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。時間常數(shù)已選定為，因此： （38）再利用式（36）和式（35）得到： （39）3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （315）轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率一般較低，因此可降階近似為： （316）近似條件求出： （317）若按=0.707，選擇參數(shù)，則： （318）近似條件為： 取整數(shù)： （319）由于輸入信號是，因而上面求出來的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （32

34、0）而在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入信號應(yīng)該是，因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應(yīng)相應(yīng)地改成： （321）2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖4-17中的電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖37（a）所示。和前面一樣，把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，且：， （322）圖37 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理由圖2（b）可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （323）式中：為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。這樣，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞

35、函數(shù)為： （324）其中，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為： （325）不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖37（c）所示。3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，選擇h=5。得： （326）得： （325）asr的比例系數(shù)為： （326）第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模4.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖4-1所示。圖41雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型4.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中的參數(shù)設(shè)置1.三相對稱交流電源的參數(shù)設(shè)置a相交流電源參數(shù)設(shè)置如圖42，b相、c相交流電源參數(shù)設(shè)置除了

36、將初相位設(shè)置成互差外，其它參數(shù)與a相相同。由此可都到三項交流電源。圖42 a相對稱交流電源的參數(shù)設(shè)置2.晶閘管整流裝置的參數(shù)設(shè)置晶閘管整流裝置的參數(shù)設(shè)置如圖43所示。圖43多功能橋模型參數(shù)設(shè)置3.平波電抗器的參數(shù)設(shè)置 平波電抗器的參數(shù)設(shè)置如圖44所示。圖44平波電抗器的參數(shù)設(shè)置4.直流電動機的參數(shù)設(shè)置勵磁電流： （41）勵磁電感在恒定磁場控制時可取零，即電樞電阻，電樞電感，互感系數(shù)： （42）額定負載轉(zhuǎn)矩： （43）轉(zhuǎn)動慣量： （44） 直流電動機的參數(shù)設(shè)置如圖45所示。圖45直流電動機參數(shù)5.同步6脈沖發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置 同步6脈沖發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如圖46所示。圖46 6脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)置6.

37、acr和asr調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置雙閉環(huán)系統(tǒng)有兩個控制器 轉(zhuǎn)速控制器asr 和電流控制器 acr。這兩個調(diào)節(jié)器均采用 pi控制器，參數(shù)設(shè)置分別為：acr:上下限幅值為130,-130asr: 上下限幅值為40,-40限幅器的上下限設(shè)置為：50,-50。圖47acr調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置圖48asr調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置4.2系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖49所示。圖49（a）雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仿真圖形圖49（b）雙閉環(huán)系統(tǒng)電流仿真圖形4.3仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖47所示，從仿真結(jié)果可以看到，啟動過程的第一階段時電流上升階段，突加給定電壓，asr的輸入很大，其輸出很快達到了限幅值，電流上升的也很快，

38、接近其峰值。第二階段，asr飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定值后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平恒，輸入偏差為0，但是由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，asr輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，使它退出了飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，仿真結(jié)果基本上反映了這一點。按照工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的過程中，由于非線性環(huán)節(jié)線性化處理、近似處理、降階處理、調(diào)節(jié)器的飽和非線性等因素導(dǎo)致了工程設(shè)計與性能架求有差距。從而，仿真出來的波形超調(diào)量過大，抗撫性能不是很理想.所

39、以在系統(tǒng)的仿真過程中，必須經(jīng)過大量的調(diào)試，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)，才能得出超調(diào)量較低，抗擾性能較好的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。結(jié) 論轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。在本設(shè)計過程中，對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理進行了分析，通過實驗測取實際電機模型的參數(shù)，采用工程設(shè)計方法對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行輔助設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，進行參數(shù)計算和近似校驗，利用matlab中的power system工具箱進行建模，對系統(tǒng)進行仿真，得到比較理想的曲線。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，我更好的理解掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理并對matlab軟件有了更加深刻的認

40、知，對今后的學(xué)習(xí)工作有很大的幫助，畢業(yè)設(shè)計耗時三個月，期間遇到了很多問題與困難，本次設(shè)計可以說對我的人生是一次很好的歷練，順利完成本次設(shè)計給我的人生留下了一筆寶貴的財富。參考文獻1何建平等主編.電氣傳動.重慶.重慶大學(xué)出版社.2002: 82-982天津電氣傳動設(shè)計研究所編著.電氣傳動自動化技術(shù)手冊.北京.機械工業(yè)出版社.1992: 56-893 洪乃剛等主編.電力電子技術(shù)和電力拖動控制系統(tǒng)的matlab仿真.北京.機械工業(yè)出版社.2006: 102-1244周淵深主編.交直流調(diào)速系統(tǒng)與matlab仿真.北京.中國電力出版社.2003: 69-1255陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京.機

41、械工業(yè)出版社.2003: 67-796王兆安.黃俊主編.電力電子技術(shù).北京.機械工業(yè)出版社.2000: 82-917胡壽松主編自動控制原理.北京.機械工業(yè)出版社.2001: 58-1458張曉華.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與cad.北京.機械工業(yè)出版社.2005: 112-1459 bose b k. dc motors. prenticehall. 1986: 12-3010 w. e. dunn. speed control of a dc electric motor. iee trans. january, 1997: 22123411 leonhard w. control of electrical drives.spring-verlag.1985謝 辭經(jīng)過幾個月的查資料、做實驗、計算機仿真、寫作論文，今天終于可以順利的完成畢業(yè)設(shè)計的論文了，想了很久，寫下這一段謝辭。首先要感謝王志和教授，因為設(shè)計以及論文是在王老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 王老師指導(dǎo)我的畢業(yè)設(shè)計的方向和具體步驟，并對本論文進行多次批閱，指正出其中誤謬之處，使我有了思考的方向，他的