畢業(yè)設(shè)計 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(matlab仿真設(shè)計)

1、東北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計論文雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(matlab simulink 仿真)前言許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(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，相當長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(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

2、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，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，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，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)

3、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)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分。按電機的類型不同,電氣傳動又分交流調(diào)速和直流調(diào)速。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

4、作機械的要求。從機械特性上看,就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。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。另一方面，需要指出的是電氣傳動與自動控制有著密切的關(guān)系。調(diào)

5、速傳動的控制裝置主要是各種電力電子變流器，它為電動機提供可控的直流或交流電流，并成為弱電控制強電的媒介?？梢哉f，電力電子技術(shù)的進步是電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的有力地推動。把這兩者結(jié)合起來研究直流調(diào)速系統(tǒng)，更有利于對直流調(diào)速系統(tǒng)的全面認識.三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(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)速負反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差

6、。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，只有電流截止負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允

7、許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，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）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。idlntidoidmidlntidoidmidcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖1 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用

8、某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，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，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)

9、環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，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)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器asr和acr一般都采用pi調(diào)節(jié)器。因為pi調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用pi調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中u*n、un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 u*i、ui電流給定電壓和電流反饋電壓 asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測速發(fā)電機 ta電流互感器 upe電力電子變換器3雙

10、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結(jié)構(gòu)圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，pi作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。圖3ks a 1/ceu*nuctidenud0un+-asr+u*i-idr r b acr-uiupe實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)

11、學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(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4所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖4：u*na uct-idlnud0un+-b -uiwasr(s)wacr(s)ks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e5. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，當偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差；對負載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。2)電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其

12、給定電壓變化；對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動；當電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。1.電機轉(zhuǎn)速曲線在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr飽和，電流調(diào)節(jié)器acr起主要作用。轉(zhuǎn)速一直上升。當?shù)竭_恒流升速階段時，asr一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機轉(zhuǎn)速呈線性增長直至給定轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)在最短時間內(nèi)完成啟動。當轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時，asr的輸入偏差為0，但

13、其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，極性發(fā)生了變化，則asr推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉(zhuǎn)速在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉(zhuǎn)速有所下降，此時經(jīng)過asr和acr的調(diào)節(jié)作用后，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負載能力很強。2.電機電流曲線直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr飽和，達到限幅值，迫使電流急速上升。當電流值達到限幅電流時，由于電流調(diào)節(jié)器acr的作用使電流不再增加。當負載突然

14、增大時，由于轉(zhuǎn)速下降，此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr起主要的調(diào)節(jié)作用，因此，電流調(diào)節(jié)器acr電流有所下降，同啟動時一樣，當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr飽和，達到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達到限幅電流時，電流調(diào)節(jié)器acr的作用使電流不再增加。當擾動取電以后，電流調(diào)節(jié)器acr電流又有所增加，此后，電動機在負載的阻力作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。七、設(shè)計結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如仿真波形所示。由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從啟動時間上看，第二階段恒流升速是主要

15、的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶pi調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，asr的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)是無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。acr的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓的波動。通過仿真可知：啟動時，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動電流保持最大，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流。八、總結(jié)與體會通過本設(shè)計，我

16、對自動控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對自動控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、思路、有一定的了解與認識。在課程設(shè)計過程中，我都按照自動控制系統(tǒng)課上學到的設(shè)計步驟來做，首先熟悉系統(tǒng)的工藝，進行對象的分析，設(shè)計總體方案，其間與同學進行幾次方案的討論、修改，再討論、再修改，最后定案，確定最終方案，然后設(shè)計硬件部分，通過查資料選取適當?shù)挠布?，畫出對?yīng)的電路圖，接著設(shè)計控制器，以及各部分的功能模塊的實現(xiàn)。在設(shè)計完成后進行仿真，我們利用matlab仿真，把電路連好設(shè)定好參數(shù)就可以進入?yún)?shù)調(diào)試，仿真。調(diào)試的主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的故障和錯誤。調(diào)試階段，找出硬件、參數(shù)間不相匹配和有錯的地方，反復(fù)修改，直到符合設(shè)計要求。本次

17、設(shè)計的時間比較倉促，但我在*老師的指導下和同學們得幫助下，克服了很多困難圓滿完成這次設(shè)計。通過這個設(shè)計我同時也體會到了團隊合作的樂趣。但是，通過設(shè)計我也明白一點，我們上課所學到的知識在做本設(shè)計時是遠遠的不夠的，只是設(shè)計的一點皮毛而已。平常我們應(yīng)該擴大自己得知識面。經(jīng)過這次的課程設(shè)計，不僅在書上學到的知識得到了鞏固，而且還在設(shè)計過程中拓展了其他沒有學過的知識。這次的課程設(shè)計從查找資料，到確定方案，最后再到用軟件仿真，我們組都團結(jié)協(xié)作，互相幫助，并且得到老師的關(guān)懷。我們以前學習的知識都漸漸離我們遠去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。這次課程設(shè)計，通過自己查找資料，了解情況，讓

18、我們清楚我們學的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)之間的聯(lián)系，使得我們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時，在團隊的協(xié)作中使我們在與人共事之中學會交流學會合作。因為在今后的工作中一個人獨立完成不與別人合作，是基本不可能的，所以在這次課程設(shè)計中也鍛煉了我們的團隊的協(xié)作精神，為今后的學習和工作積累了經(jīng)驗，是一筆難得的財富。九、參考文獻1王兆安，等.電力電子技術(shù)m.北京：機械工業(yè)出版社，2000.2張廣溢，等.電機學m.重慶：重慶大學出版社，2002.3王軍.自動控制原理m.重慶：重慶大學出版社，2008.4導向科技.protel dxp電子電路設(shè)計培訓教程m.北京：人民郵電大學出版社，2003.5周淵深.交直流調(diào)速系

19、統(tǒng)與matlab仿真m.北京：中國電力出版社，2004.6陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版）m.北京： 機械工業(yè)出版社. 2005陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第3版） 機械工業(yè)出版社105858東北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計論文摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。

20、在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設(shè)計要求。采用matlab軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設(shè)計,并用simulink進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.關(guān)鍵詞 直流電機 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真目 錄摘 要iabstractii第一章 緒 論11.1 直流調(diào)速概念11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史11.3 研究

21、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義21.4 本文的研究內(nèi)容3第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)42.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標42.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理42.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標42.1.3 動態(tài)性能指標62.2 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析82.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理82.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性82.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析112.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立112.3.2 起動過程分析122.3.3 動態(tài)抗干擾性分析152.4 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法152.4.1 pi調(diào)節(jié)器152.4.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計

22、方法162.4.3 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較162.4.4 轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定172.5 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計182.5.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用182.5.2 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計18第三章 pwm脈寬調(diào)制223.1 pwm基本介紹223.2 脈寬調(diào)制變換器223.3 橋式可逆pwm變換器23第四章 直流電動機數(shù)學模型的建立264.1 數(shù)學模型的建立264.1.1 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換264.1.2 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖274.2 本設(shè)計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算31第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真335.1 matlab簡介335.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真3

23、3結(jié) 論36致 謝37參 考 文 獻38附 錄3858第一章 緒 論1.1 直流調(diào)速概念直流調(diào)速1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。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機電樞或磁場回路電阻實現(xiàn)有級調(diào)速。1930年以后出現(xiàn)電機放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機組供電給直流電動機（由交流電動機m和直流發(fā)電機

24、g構(gòu)成，簡稱gm系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實現(xiàn)了直流傳動的無接點控制。其特點是利用了直流電動機的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機，從而方便地實現(xiàn)調(diào)速。但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。1957年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動中占主導地位。由于電力電子技術(shù)與器件的進步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟性不斷提高，在20世紀相當長的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。今天正在逐步推廣應(yīng)

25、用的微機控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達到較高的性能指標。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達1：10000以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間已縮短到幾毫秒以下。在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉(zhuǎn)速度。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點。 長期以來，直流電動機由

26、于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點廣泛的應(yīng)用于工程過程中。直流電動機在額定轉(zhuǎn)速以下運行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。直流電動機具有良好的運行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。自19世紀80年代起至19世紀末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機一直以直流電動機為唯一方式。到了19世紀末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單

27、，堅固耐用的交流籠型電動機以后，交流電動機傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對變速傳動裝置是一項基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級）調(diào)速的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。雖然直流電動機可以滿足這些要求，但由于直流電動機在容量、體積、重量、成本、制造和運行維護方面都不及交流電動機，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機代替直流電動機。從60年代起，國外對交流電動機調(diào)速已開始重視。隨著電力電子學與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導體器件的發(fā)展，使得采用半導體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70年代

28、以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用

29、。直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機交換信息； (7) 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)

30、首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究和探索1。1.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法

31、相比，得出該設(shè)計方法的優(yōu)點，即計算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題，等等。通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域。1.4 本文的研究內(nèi)容本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動

32、態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。本文的主要工作：1. 掌握電機傳動的工作原理及應(yīng)用；2. 設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。3. 建立數(shù)學模型，計算其參數(shù)；4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計；5. 完成相關(guān)實驗。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管直流電動機(vm)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳

33、動自動化控制系統(tǒng)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)1，6。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（21）表示 （21）式中 n電動機轉(zhuǎn)速；u電樞供電電壓； i電樞電流； r電樞回路總電阻，單位為 由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。在上式中， 是常數(shù)，電流i是由負載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓u；（2） 減弱勵

34、磁磁通；（3） 改變電樞回路電阻r。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。靜態(tài)調(diào)速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力?？箶_動性是指

35、系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運行時，應(yīng)盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響1，6。一、靜態(tài)性能指標1）調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用符號d表示 （22）2）靜差率靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù)s來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分數(shù)表示為 （23）顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大，越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對

36、于圖21中的線1和線2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落=，但由于，因此。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min時，電動機就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。由圖21可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。 圖21事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求。任何

37、調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。2.1.3 動態(tài)性能指標生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。一、跟隨性能指標在給定信號（或稱參考輸入信號）r(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量c(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量c(t)與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達到

38、的時間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間：1）上升時間在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖22。圖222）超調(diào)量 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量： （24）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。 3）調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存

39、在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖22。二、抗擾性能指標一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖23。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)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載

40、擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落。 2）恢復(fù)時間 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進入某基準量的范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間，其中稱為抗擾指標中輸出量的基準值。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。圖232.2 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析2.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理: 電動機在啟動階段,電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作

41、為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流

42、的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行1，5，6，8。2.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖24所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖24 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：asr

43、-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr-電流調(diào)節(jié)器 tg-測速發(fā)電機 ta-電流互感器 upe-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析圖25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，pi的作用使輸入偏差電壓u在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實際上，在正常運行時，電流調(diào)

44、節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況1，5，6，8。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，= = = =由第一個關(guān)系式可得：n=從而得到圖2-5所示靜特性曲線的ca段。與此同時，由于asr不飽和，可知，這就是說，ca段特性從理想空載狀態(tài)的id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：=其中，最大電流取決于電

45、動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的ab段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果,則,asr將退出飽和狀態(tài). 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負載電流達到時,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出,這時,電流調(diào)節(jié)器起主要調(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.這就是采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖26中虛線。圖26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參

46、數(shù)計算由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：=上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定，asr的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決 于n和，或者說，同時取決于 和。pi調(diào)節(jié)器輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要pi調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的

47、反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：= /;電流反饋系數(shù)：= /;兩個給定電壓的最大值、由設(shè)計者給定，受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析2.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說明。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓uct與整流輸出電壓ua0的關(guān)系為：其中：a-整流器系數(shù)； -整流器輸入交流電壓； -整流器觸發(fā)角； -觸發(fā)器移項控制電壓；k-觸發(fā)器移項控制斜率；整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)

48、為：k=。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖27 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.3.2 起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖28所示。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、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的、三個階段。第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（n=0），轉(zhuǎn)速負反饋電壓，這時，很大，使asr的輸出突增為，acr的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當增加到（負

49、載電流）時，電動機開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對應(yīng)的最大值（在這過程中的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與acr的給定電壓基本上是相等的，即 式中，電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。 第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，asr一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)

50、節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，asr的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使asr退出飽和，其輸出電壓（也就是acr的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中asr與acr同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，asr處于

51、主導地位，而acr的作用則力圖使盡快地跟隨asr輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負載電流，asr和acr的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。asr的輸出電壓為 acr的輸出電壓為 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，asr處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時asr發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。圖28 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電

52、壓、電流、轉(zhuǎn)速波形綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線形控制：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)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr采用pi調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。（3）準時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中

53、電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。2.3.3 動態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。1 抗負載擾動由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設(shè)計asr時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。2 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變

54、化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。在圖27所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會小得多。2.4 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法2.4.1 pi調(diào)節(jié)器pi調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式1，2，3：由圖可得：pi調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)：pi調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：2.4.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定

55、時間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。2.4.3 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較