雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明書碩士學(xué)位論文

1、學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密 ，在_年解密后

2、適用本授權(quán)書。2、不保密 。作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目 錄摘要3前言4第1章 緒論511 課題的來源、研究背景及意義51.2 相關(guān)課題的發(fā)展歷史61.2.1 dcs的發(fā)展歷程61.2.2 plc的誕生和發(fā)展71.2.3 pc技術(shù)推動了工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展71.2.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)81.3 國內(nèi)外的主要研究工作和研究成果81.4 本文主要開展的研究工作9第2章 方案設(shè)計101.1 直流調(diào)速方法101.2 直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源101.3晶閘管整流裝置電路接線聯(lián)結(jié)型式的選擇101.4 觸發(fā)電路的選擇111.5 調(diào)速系統(tǒng)的類型111.5.1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)111.5.2

3、 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)121.6 方案選擇14第3章 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)153.1 系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制的要求153.2 調(diào)速性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)）16第4章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理174.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成174.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性174.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與性能分析204.3.1 晶閘管觸發(fā)電流和整流裝置的數(shù)學(xué)模型204.3.2電流與電壓間、感應(yīng)電勢與電流之間的數(shù)學(xué)模型214.3.3 測速、電流反饋環(huán)節(jié)224.3.4 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖224.3.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓時的起動過程234.3.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能25第5章 主電路計算255.1 變

4、壓器參數(shù)計算255.2 晶閘管參數(shù)計算275.2.1 晶閘管額定電壓275.2.2 晶閘管額定電流27第6章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計296.1 確定系統(tǒng)時間常數(shù)296.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計296.2.1 電流環(huán)的簡化296.2.2確定時間常數(shù)306.2.3選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)306.2.4 傳遞函數(shù)參數(shù)計算316.2.4 校驗近似條件326.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容326.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計336.3.1 確定時間常數(shù)：336.3.2 結(jié)構(gòu)選擇336.3.3 傳遞函數(shù)參數(shù)計算346.3.4 校驗近似條件和性能指標(biāo)346.3.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容35第7章 調(diào)速系統(tǒng)的仿真367.1 仿真模型

5、的建立367.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計38致謝42參考文獻(xiàn)43基于v-m的雙閉環(huán)直流運動控制系統(tǒng)設(shè)計及校正學(xué) 生：黃覺鴻指導(dǎo)教師：曾孟雄 教學(xué)單位：機(jī)械與材料學(xué)院摘要：本文主要介紹電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，在設(shè)計中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。首先確定整個設(shè)計的方案和框圖。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計，同時對其參數(shù)計算。最后，重點設(shè)計直流電動機(jī)調(diào)速控制器電路，在系統(tǒng)中設(shè)置電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計各元部件，并對其參數(shù)的計算，最后采用matlab/simulink對整個調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán)； 電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ma

6、tlab/simulink；仿真 double-loop；the current regulator；the speed regulator；matlab/simulink；simulationwhat this article elaborates is the design of “the rotational speed, the electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system” . in the design, the main circuit control system using t

7、hree-phase full controlled bridge rectifier circuit as electricity supply1. firstly , determined the design scheme and diagram. then determined the structure of power circuit and the design of components and the parameter calculation . finally, focused on the design of dc motor speed controller circ

8、uit, the current regulator and speed regulator is set up in the system, at first determined its structure , the design of various components, and the calculation of its parameters. finally, used matlab/simulink to carry on simulation analysis of the whole control system.2前言電機(jī)自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化

9、工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動機(jī)作原動機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時間里，直流電動機(jī)幾乎是唯一的一種能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機(jī)，直流電動機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機(jī)具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機(jī)不斷受到交流電動機(jī)及其它電動機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機(jī)仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。直流電動機(jī)因具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。晶閘管問

10、世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱v-m系統(tǒng)）3。采用速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可以充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快的動態(tài)過程，調(diào)速范圍廣，精度高，和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性，動態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)可以自動限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響；且采用雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。盡當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中v-

11、m系統(tǒng)的應(yīng)用還是有相當(dāng)?shù)谋戎?。所以以此為課題進(jìn)行研究具有一定的實用價值。近30年來，電力拖動系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但技術(shù)革新是永無止盡的，為了進(jìn)一步提高電動機(jī)自動控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開：1）采用新型電力電子器件2）應(yīng)用現(xiàn)代控制理論3）采用總線技術(shù)4）內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動機(jī)控制領(lǐng)域本課題基于w-m的雙閉環(huán)直流運動控制系統(tǒng)設(shè)計及校正所涉及的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。該調(diào)速方法可以實現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。但電機(jī)的開環(huán)運行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降

12、落的有效途徑。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式?？梢獙崿F(xiàn)高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動機(jī)的運動方程可知，加速度與電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩又與電動機(jī)的電流成正比。因而同時對速度和電流進(jìn)行控制，成為實現(xiàn)高動態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。4第1章 緒論11 課題的來源、研究背景及意義許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)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)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖

13、動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電

14、流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。 隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了

15、解和研究。本次設(shè)計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2 相關(guān)課題的發(fā)展歷史控制系統(tǒng)其實從20世紀(jì)40年代就開始使用了，早期的現(xiàn)場基地式儀表和后期的繼電器構(gòu)成了控制系統(tǒng)的前身?，F(xiàn)在所說的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進(jìn)行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)，以plc和dcs為代表，從70年代開始應(yīng)用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中獲得迅猛的發(fā)展。從90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、基于pc的控制系統(tǒng)等。1.2.1 dcs的發(fā)展歷程70年代中期，由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參 數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等

16、，使已經(jīng)普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下，業(yè)內(nèi)廠商經(jīng)過市場調(diào)查，確定開發(fā)的dcs產(chǎn)品應(yīng)以模擬量反饋控制為主，輔以開關(guān)量的順序控制和模擬量開關(guān)量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。 1975年前后，在原來采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器(ddc)的自控和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng) (dcs)。由于當(dāng)時計算機(jī)并不普及，所以開發(fā)dcs應(yīng)強(qiáng)調(diào)用戶可以不懂計算機(jī)就能使用dcs;同時，開發(fā)dcs還應(yīng)強(qiáng)調(diào)向用戶提供整個系統(tǒng)。此外，開發(fā)的dcs應(yīng)做到與中控室的常規(guī)儀表具有相同的技術(shù)條件

17、，以保證可靠性、安全性。在以后的近30年間，dcs先與成套設(shè)備配套，而后逐步擴(kuò)大到工藝裝置改造上，與此同時，也分成大型dcs和中小型dcs兩類產(chǎn)品，使其性能價格比更具有競爭力。dcs產(chǎn)品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術(shù)的進(jìn)步、外界環(huán)境變化和需求的改變，共出現(xiàn)了三代dcs產(chǎn)品。1975年至80年代前期為第一代產(chǎn)品，80年代中期至90年代前期為第二代產(chǎn)品，90年代中期至21世紀(jì)初為第三代產(chǎn)品。1.2.2 plc的誕生和發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來

18、實現(xiàn)的。1968年美國gm（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺plc。由于第一代plc是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術(shù)的發(fā)展的大門。在很短的時間，plc就迅速擴(kuò)展到食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使plc增加了運算、數(shù)據(jù)傳

19、送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時的plc為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機(jī)（簡稱pc）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為programmable logic controller（plc）。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是plc發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30-40%。在這時期，plc在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得

20、到大幅度提高，plc逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的dcs系統(tǒng)。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 1.2.3 pc技術(shù)推動了工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展 歷史上，vme總線工業(yè)控制機(jī)一直是許多嵌入式應(yīng)用的首選機(jī)型。1981年，mostek、motorola、philip和signetics公司發(fā)明了vme總線，1996年的新標(biāo)準(zhǔn)vme64(ansi/vita1-1994)將總線數(shù)據(jù)寬度提升到64位，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為80mbps。由force c

21、omputers制定的vme64x總線規(guī)范將總線速度提高到了320mbps。vme總線工控機(jī)是實時控制平臺，大多數(shù)運行的是實時操作系統(tǒng)，并由os制造商提供專用的軟件開發(fā)工具開發(fā)應(yīng)用程序。vme總線最新產(chǎn)品已經(jīng)采用了500mhz的pentium 處理器。 由于用戶希望使用與所熟悉的桌面pc機(jī)相同的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具，導(dǎo)致了開放式桌面pc在工業(yè)環(huán)境中的直接應(yīng)用。除了vme總線工控機(jī)外，產(chǎn)生了一系列基于pc的、與isa/pci總線標(biāo)準(zhǔn)兼容的嵌入式工控機(jī)，其中比較有代表性的是compactpci/pxi總線、at96總線、std總線、std32總線、 pc/104和pc/104-plus總線嵌入式工業(yè)

22、控制機(jī)。1995年6月pci sig正式公布了pci 局部總線規(guī)范2.1版，同時picmg推出了第一個標(biāo)準(zhǔn)pci/isa無源背板總線標(biāo)準(zhǔn)。為了將pci sig的pci總線規(guī)范用在工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)，1995年11月pci工業(yè)計算機(jī)制造者聯(lián)合會(picmg)頒布了compactpci規(guī)范1.0版。由于cpci總線工控機(jī)良好地解決了可靠性和可維護(hù)性問題，而且基于microsoft的軟件和開發(fā)工具的價位比較低，所以，cpci工控機(jī)得以迅速打入嵌入式產(chǎn)品市場。但相對于pci/isa加固型工控機(jī)而言，由于總體成本高、技術(shù)開發(fā)難度大、無源背板定義并不完全統(tǒng)一導(dǎo)致模板配套性差、電磁兼容性設(shè)計要求高等因素，c

23、ompactpci工控機(jī)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域并未得到實際應(yīng)用，反而在電信市場獲得廣泛應(yīng)用。1.2.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)是從80年代后期誕生的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，經(jīng)歷十幾年左右的發(fā)展，國際上出現(xiàn)了幾個有代表性的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和幾個系列產(chǎn)品，較流行的有:1) profibus現(xiàn)場總線 它是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用osi模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。2) 控制局域網(wǎng)(control area network，can)控制網(wǎng)絡(luò) 最早由德國bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信。 此外還值得一提的

24、是，可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路(highway addressable remote transducer，hart)協(xié)議，它是由美國rosemount公司最早推出的一種兼容420ma模擬信號和調(diào)制數(shù)字信號的現(xiàn)場總線協(xié)議。在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)的競爭力，得到了較快的發(fā)展。3) 基金會現(xiàn)場總線(foundation fieldbus)在現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的研究制訂過程中，出現(xiàn)過多種企業(yè)集團(tuán)或組織，通過不斷的競爭，到1994年在國際上基本上形成了兩大陣營，一個以fisher-rosemount公司為首，聯(lián)合foxboro、橫河、abb、西門子等80家公司制訂的isp協(xié)議；另一個以honeywell公司為

25、首，聯(lián)合歐洲150家公司制訂的world fip協(xié)議。這兩大集團(tuán)于1994年合并，成立現(xiàn)場總線基金會(fieldbus foundation,ff)，致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。4) lonwork(local operating network局部操作網(wǎng))現(xiàn)場總線 它是由美國echelon公司于1990年正式推出的。它采用iso/osi模型的全部7層協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其最大傳輸速率為1.5mbps,傳輸距離為2700m，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。1.3 國內(nèi)外的主要研究工作和研究成果近30年來，電力拖動

26、系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但技術(shù)革新是永無止盡的，為了進(jìn)一步提高電動機(jī)自動控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開：1）采用新型電力電子器件電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（ipm）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動機(jī)自動控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。傳統(tǒng)直流電動機(jī)的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢，但其控制復(fù)雜，對散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（gtr）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其

27、性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（pwm）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。2）應(yīng)用現(xiàn)代控制理論在過去，人們感到自動控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應(yīng)用方面卻不盡人意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運算得以實時完成。第二是在辨識，參數(shù)估值以及控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。3）采用總線技術(shù)現(xiàn)代電動機(jī)自動控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢，總線化使得各種電動機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。4）內(nèi)

28、含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動機(jī)控制領(lǐng)域當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時代，信息化的電動機(jī)自動控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺上工作，控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。1.4 本文主要開展的研究工作根據(jù)本課題的實際情況，宜從以下幾個方面入手分析：1）直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型；2）雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計；3）應(yīng)用matlab軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正；本設(shè)計要求基于v-m的雙閉環(huán)直流運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和校正，從

29、要求出發(fā)，本文先介紹各種調(diào)速方案中選擇電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原因，再重點闡述該系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能和結(jié)構(gòu)特點。運用所給定的參數(shù)對系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計計算并校驗，最后通過建立調(diào)速系統(tǒng)的模型應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真測試。第2章 方案設(shè)計1.1 直流調(diào)速方法直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法主要有以下幾種：1） 改變電樞回路電阻調(diào)速法保持直流電動機(jī)外加電樞電壓與勵磁磁通為額定值，改變電樞回路電阻而實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速過程中，直流電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變，但在相同的轉(zhuǎn)矩下，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速降落將隨外加電阻的增大而增大，機(jī)械特性的斜率就越大。2） 減弱磁通調(diào)速法 保持電樞電壓為額定值，電樞回路不加入附加電阻，而減小直流電

30、動機(jī)的勵磁電流以減弱磁通。弱磁調(diào)速只能在額定轉(zhuǎn)速以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。3） 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法 保持直流電動機(jī)的磁通為額定值，電樞回路不串入外加電阻，僅改變電動機(jī)電樞外加電壓，實現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。以上3種調(diào)速方法，改變電樞回路電阻調(diào)速只能對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速作有極的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低。弱磁調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)壓調(diào)速所得到的認(rèn)為機(jī)械特性與電動機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以下實現(xiàn)平滑調(diào)速。所以直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時才輔以弱磁調(diào)速。根據(jù)負(fù)載性質(zhì)來選定。對起動、制動及調(diào)速有較

31、高要求的 產(chǎn)機(jī)械，宜選用直流他勵時電動機(jī)；而需要較大起動轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的機(jī)械(如電車，蓄電池車，牽引機(jī)械等)常用直流串勵電動機(jī)或直流復(fù)勵電動機(jī)。由于該設(shè)計對起動、制動及調(diào)速精度要求較高，故選用直流他勵電動機(jī)。51.2 直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機(jī)-電動機(jī)系統(tǒng)，簡稱g-m系統(tǒng)。2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。51.3晶閘管整

32、流裝置電路接線聯(lián)結(jié)型式的選擇一般說來，在整流器功率很小時（4kw以下），用單相整流；功率較大時，用三相整流電路，故選用三相整流電路6。在三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點是電路簡單，用的晶閘管少、觸發(fā)器少，對需要220v電壓的用電設(shè)備直接用380v電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器2。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸也電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變電器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過負(fù)載電流，在零線截面小時壓降大，往往需要從車間變壓器單獨敷設(shè)零線。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時，電源相電壓可較三相零整流電路小一半，困此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，

33、變壓器二次繞組電流中沒有直流分量、利用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可小一些。三相橋式整流電路的缺點是整流器件用得多，全控橋需要六個觸發(fā)電路，需要220v電壓的設(shè)備也不能用380v電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合，故在要求較高的場合應(yīng)選擇三項全控橋式整流電路。 由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動機(jī)額定電壓為220v，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器,將電源電壓降低，為避三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變

34、壓器采用/y接法。1.4 觸發(fā)電路的選擇門極電壓又叫觸發(fā)電壓。晶閘管7的觸發(fā)電路種類很多，為使線路簡單、工作可靠、裝置體積小宜選用kj004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。其優(yōu)點是體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定；缺點是移相范圍小于180，為保證觸發(fā)脈沖對稱度，要求高流電網(wǎng)波形畸變率小于5%，廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。1.5 調(diào)速系統(tǒng)的類型1.5.1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)中，只通過改變觸發(fā)或驅(qū)動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，都屬于開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出的轉(zhuǎn)速并不影響

35、控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。已知系統(tǒng)當(dāng)電流連續(xù)時，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5%的要求，更何況滿足調(diào)速范圍最低轉(zhuǎn)速的情況以及考慮電流斷續(xù)時的情況。如果要滿足d=10，s=5%的要求，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落可以根據(jù)公式求得顯然，簡單的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)機(jī)械工藝要求，這就應(yīng)采用負(fù)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。從電動機(jī)運行特性的立場分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時可通過閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖1-1所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)

36、系得到理解。 圖1-1閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系1.5.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1）轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速： 圖1-2帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖是帶有比例放大器的轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。（1）只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。從靜特性中可以看到閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能比開環(huán)系統(tǒng)有了很大的提高，而提高的程度與閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)k有關(guān)。（2）閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對于一切被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動作用，都能被反饋控制系統(tǒng)有效地加以抑制。（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度。高精度的調(diào)速系統(tǒng)

37、必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源和高精度的檢測原件。應(yīng)用電流截止負(fù)反饋，能夠解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，引入了限制電樞電流的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵時候維持電流基本不變。引入pi調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)靜特性指標(biāo)和穩(wěn)定性發(fā)生矛盾的情況下，能改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它能同時滿足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。52）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)： 圖 1-3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg轉(zhuǎn)速測量裝置ta電流互感器 upe電力電子變換器為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電

38、流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：（1）使被調(diào)量轉(zhuǎn)速 跟隨給定轉(zhuǎn)速變化，保證穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）其穩(wěn)態(tài)輸出值正比于電動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作電流值（由負(fù)載大小而決定），輸出限幅值取決于電動機(jī)允許最大電流值（或負(fù)載允許最大轉(zhuǎn)矩）。（3）對負(fù)載擾動起抗擾作用。對于電流調(diào)節(jié)器：（1）啟動過程保證電動機(jī)能獲得最大允許的動態(tài)電流。（2）在啟動過程，使電流跟隨電流給定值而變化。（3）對交流電網(wǎng)電壓的波動有較強(qiáng)的抗擾能力。（4）有自動過載保護(hù)作用，且在過載故障消失后

39、能自動恢復(fù)正常工作。1.6 方案選擇方案一采用直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由以上的計算得知，不能滿足要求。方案二采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。應(yīng)用了pi調(diào)節(jié)器后可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，應(yīng)用了電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動對轉(zhuǎn)速的影響。所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。但是在調(diào)速系統(tǒng)忠有兩類情況對電流的控制提出了要求：一是啟、制動的時間控制問題，二是負(fù)載擾動的電流控制問題。方案三采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證

40、了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。1）速度閉環(huán)中，速度反饋回路如開路，轉(zhuǎn)速將升至該系統(tǒng)設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速，俗稱飛車。2）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。3）系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過渡過程。為了獲得近似理想的過度過程，并

41、克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案三作為設(shè)計的最終方案。而由于電機(jī)上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。第3章 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)3.1 系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制的要求1）調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2）穩(wěn)速：以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速：頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的

42、機(jī)械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。3.2 調(diào)速性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)）直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)是衡量調(diào)速性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和實際運行中考核的主要指標(biāo)。直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)兩部分。 （1）調(diào)速范圍d。調(diào)速范圍d是指電動汽車電機(jī)在額定負(fù)載下，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，即： 其中和一般指額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。(2)靜差率s。靜差率s是指電動機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，常用百分?jǐn)?shù)表示。 顯然，靜

43、差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。5第4章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。在啟、制動過程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過渡過程時間。一旦達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用，而電流內(nèi)環(huán)則其跟隨作用使實際電流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出），以保持轉(zhuǎn)速恒定。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖所示，其中，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)器一般都采用pi

44、調(diào)節(jié)器。在圖上標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照觸發(fā)裝置gt的控制電壓ur,為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅(飽和)電壓是u*im，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓是uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性如圖所示為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，圖中帶限幅的輸出特性表示了pi調(diào)節(jié)器a為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ，b 為電流反饋系數(shù)。圖 4-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)分析靜特性的關(guān)鍵是掌握帶輸出限幅

45、pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。存在兩種狀況：（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和在正常負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，電流調(diào)節(jié)器也不飽和，穩(wěn)態(tài)時，依靠調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，他們的輸入偏差電壓都是零。因此系統(tǒng)具有絕對硬的靜特性（無靜差），即得 且從而得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖中的 a段。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，所以。這表明， a段靜特性從理想空載狀態(tài)（=0）一直延續(xù)到電流最大值，而一般都大于電動機(jī)的額定電流。這是系統(tǒng)靜特性的正常運行段。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載電流上升時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出也將上升，當(dāng)上升到某一數(shù)值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再影響。此時只剩下

46、電流環(huán)起作用，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)變?yōu)橐粋€電流無靜差的單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時因而是所對應(yīng)的電樞電流最大值，由設(shè)計者根據(jù)電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度選定。這時的靜特性為圖中的a-b段，呈現(xiàn)很陡的下垂特性。由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時asr起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到之后，asr飽和，acr起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。這就是采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外連個閉環(huán)的效果，這樣的靜特性顯然比帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要強(qiáng)得多。圖4-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定

47、值和反饋值可計算出相應(yīng)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與性能分析4.3.1 晶閘管觸發(fā)電流和整流裝置8的數(shù)學(xué)模型晶閘管觸發(fā)與整流裝置的放大系數(shù)可以通過兩種方法得到。分析放大系數(shù)的方法的前提是把整個調(diào)速范圍工作點都落在晶閘管觸發(fā)和整流裝置的特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的調(diào)節(jié)余量。1)實驗法。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是，輸出量是，則放大系數(shù) 圖4-4晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性2)估算法。根據(jù)裝置的參數(shù)估算，在設(shè)計中，取控制電壓uc的調(diào)節(jié)范圍是010v，對應(yīng)的整流電壓ud的變化范圍是0220v，則可取晶閘管觸發(fā)和整流裝置是一個純滯后環(huán)節(jié)，其

48、滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。通過輸入階躍信號1（t），得到晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系式，再經(jīng)過拉式變換得到其原始傳遞函數(shù)是一個非最小相位系統(tǒng)，最后依據(jù)工程近似處理的原則，忽略高次項，可把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-5所示。圖4-5晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.3.2電流與電壓間、感應(yīng)電勢與電流之間的數(shù)學(xué)模型如圖表示了他勵直流電動機(jī)在額定勵磁下的等效電路，假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程為：圖 4-6 他勵直流電動機(jī)在額定勵磁下的等效電路式中r主電路的總電阻，l主電路的總電感，在額定勵磁下，忽略摩擦力和彈性變形，電

49、力拖動系統(tǒng)運動的微分方程為 式中te電磁轉(zhuǎn)矩（）,包括電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）,電力拖動系統(tǒng)這算到電動機(jī)軸上的飛輪慣量（）。在額定勵磁條件下，式中電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。再定義電樞回路電磁時間常數(shù)，電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)。它們分別表示了電氣與機(jī)械慣性的影響。應(yīng)用以上各式，再運用拉式變換9，即可得到電流與電壓間的傳遞函數(shù)為感應(yīng)電勢與電流之間的傳遞函數(shù)為4.3.3 測速、電流反饋環(huán)節(jié)測速、電流反饋環(huán)節(jié)的響應(yīng)時間是瞬時的，傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即4.3.4 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖用和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)10，應(yīng)用得到的各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所

50、示?？紤]到，增加了一個比例環(huán)節(jié)。圖 4-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.3.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓時的起動過程1)過程分析。設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程。因此有必要探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓；由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖。圖4-8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以i、和iii。 第1階段0一t1是電流上升的階段。突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不

51、會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流id迅速上升。當(dāng)ididm時，uiuim，電流調(diào)節(jié)器的作用使id不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，asr由不飽和很快達(dá)到飽和，而acr一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第階段t1t2是恒流升速階段。從電流升到最大值imd開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中， asr一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定u*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流id恒定(電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù))，因而拖動系

52、統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反電動勢正也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，ud0和ud也必須基本上按線性增長，才能保持id恒定。由于電流調(diào)節(jié)器acr是pi調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，id應(yīng)略低于idm。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電壓ud0m也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計中必須注意的。第iii階段t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓

53、相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，asr輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即acr的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流id也因而下降。但是，由于id仍大于負(fù)載電流idl，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到id=idl時，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流id也出現(xiàn)一段小于idl的過程，直到穩(wěn)定(設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好)。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，asr與acr都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，asr處于主導(dǎo)地位，而acr的作用則是力圖使id盡快地跟隨

54、asr的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程的特點特點一：飽和非線性控制。隨著asr的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng)asr飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)asr不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。分析過渡過程時，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不

55、變，過渡過程還是不一樣的。特點二：準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。起動過程中主要的階段是第階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能最快。這個階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。但整個起動過程與理想快速起動過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第i、iii兩段電流不是突變。不過這兩段的時間只占全部起動時間中很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。特點三：轉(zhuǎn)速超調(diào)。由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進(jìn)入第段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照pi調(diào)節(jié)器的