雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)仿真

1、- 1 -題目：題目：雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)仿真目錄目錄第一章 概 述.- 1 -1.1 仿真意義.- 1 -1.2 本設計內容及要求.- 2 -第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理.- 3 -2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹 .- 3 -2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 .- 4 -2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 .- 5 -2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程分析 .- 6 -2.5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 .- 8 -2.6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 .- 10 -2.7 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的頻域分析 .- 12 -第三章 雙閉

2、環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型.- 14 -3.1 直流電動機建模 .- 14 -3.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù) .- 16 -3.3 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器 .- 18 -3.3.1 電流調節(jié)器的設計.- 18 -3.3.2 轉速調節(jié)器的設計.- 22 -第四章 SIMULINK 環(huán)境中的系統(tǒng)建模、仿真結果及分析.- 27 -4.1 電流環(huán)的 MATLAB 計算及仿真 .- 28 -4.1.1 電流內環(huán)的 SIMULINK 動態(tài)結構圖.- 28 -4.1.2 電流環(huán)階躍響應的 MATLAB 計算及仿真.- 28 -4.1.3 電流環(huán)抗擾動響應過程的 MATLAB 計算機仿真.-

3、30 -4.1.4 電流環(huán)頻域分析的 MATLAB 計算及仿真.- 32 -4.2 轉速環(huán)的 MATLAB 計算及仿真 .- 33 -4.2.1 轉速外環(huán)的 SIMULINK 動態(tài)結構圖.- 33 -4.2.2 轉速環(huán)階躍響應的 MATLAB 計算及仿真.- 34 -4.2.3 轉速環(huán)抗擾動響應過程的 MATLAB 計算機仿真.- 35 -4.2.4 轉速環(huán)頻域分析的 MATLAB 計算及仿真.- 37 -第五章 結論.- 39 -參考文獻.- 40 -致謝.- 41 -附錄.- 42 -第一章第一章 概述概述1.1 仿真意義對于那些在實際調試過程中存在很大風險或實驗費用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許

4、對設計好的系統(tǒng)直接進行實驗。然而沒有經(jīng)過實驗研究是不能將設計好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實際中去的。因此就必須對其進行模擬實驗研究。當然有些情況下可以構造一套物理裝置進行實驗，但這種方法十分費時而且費用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計算機的迅速發(fā)展，采用計算機對控制系統(tǒng)進行數(shù)學仿真的方法已被人們采納。 - 3 -但是長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿

5、真結果的分析也必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導，這樣就大大阻礙了仿真技術的推廣應用。MATLAB 提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術中的問題。在 Simulink 中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結果。另外，使用 MATLBA 中的各種分析工具，還可以對仿真結果進行分析和可視化。直流電機具有良好的起制動性能，易于在較廣范圍內平滑調速，在許多高性能可控電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛應用，如軋鋼機、龍門刨床、高層電梯、高精度機床等。直流

6、調速系統(tǒng)在理論上與實踐上都比較成熟，從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調速的基礎，但是雙閉環(huán)調速，雙閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng)結構復雜，在研究和設計的過程中，許多參數(shù)的選擇需要反復調試，運用計算機仿真技術對系統(tǒng)進行仿真，將會為研究和設計工作提供有力的支持，在計算機仿真系統(tǒng)時，可以方便地對參數(shù)進行設置，得到合理的參數(shù)組合，為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供條件。1.2 本設計內容及要求本課題主要是對雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行設計，在 Simulink 環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行輔助設計，具體內容有：對電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器進行工程設計；在 SimuLink 環(huán)境中對電流環(huán)和轉速環(huán)進行時域和頻域分析；對調速系統(tǒng)進行跟隨

7、性和抗擾性分析。直流調速系統(tǒng)是一個復雜的運動控制系統(tǒng)，在設計和調試過程中有大量的參數(shù)需要計算和調整。運用傳統(tǒng)的設計方法工作量大，系統(tǒng)調試困難。隨著計算機技術的發(fā)展，在軟件和硬件方面提供了良好的設計平臺。此次論文運用MATLAB 軟件建立了調速系統(tǒng)的仿真模型。利用 Simulink 中仿真功能對系統(tǒng)進行了仿真，仿真的結果證明了該方法的可行性、合理性。利用仿真技術可以很大程度地減少雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計和調試強度。第二章第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它

8、具有動態(tài)響應快、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。采用轉速負反饋和 PI 調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。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dcrI的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時

9、的電流和轉速波形如圖 2-1a 所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，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起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖 2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnna)b)圖 2-1 調速系

10、統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程 b)理想快速起動過程- 5 -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，dmI采用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，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.2 雙閉環(huán)

11、直流調速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)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，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖 2-2 所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(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和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，

12、采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。i 內環(huán)nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPEL-MTG+圖 2-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)ASR轉速調節(jié)器 ACR電流調節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器n外環(huán)2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 2-3，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握 PI 調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)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，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI 作用使輸入

13、偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。U Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE圖2-3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1. 轉速調節(jié)器不飽和此時兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都為零，即nUUnn*diiIUU*由得：nUUnn*0*nUnn- 7 -n0IdIdmIdNOnABC圖 2-4 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性從而得到圖 2-4 靜特性的 CA 段。ASR 不飽和,得：，CA 段*imiUUdmdII靜

14、特性從理想空載狀態(tài)一直延續(xù)到，而一般都大于額定電流0dIdmdIIdmI的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平特性。dNI2. 轉速調節(jié)器飽和此時，ASR 輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)*imU不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時有：dmimdIUI*從而得到圖2-4靜特性的AB段。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，轉速負反dmI饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要dmI調節(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。2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程分析設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要

15、獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過程如圖 2-5 所*iU示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的 I、II、III 三個階段。第第 I 階段（階段（0t1）是電流上升階段）是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個調節(jié)器的跟隨作用，使、都上升，*nUcU0dUdI但是在沒有達到負載電流之前，電動機還不能轉動。當后，電動機開dIdLIdLdII始轉動。由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器 A

16、SR 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞nnnUUU*imU電流迅速上升。直到，,電流調節(jié)器很快就壓制了不再迅速增dIdmdII*imiUUdI長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR 很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR 一般不飽和。第第 II 階段（階段（t1t2）是恒流升速階段。）是恒流升速階段。恒流升速階段是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR 始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上*imU保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長（圖 2-5）。與此同時，dI電動機的反電動勢 E 也按線性增長，對電流

17、調節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持 Id恒定。0dUcU當 ACR 采用 PI 調節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。此外還應指出，iimiUUU*dIdmI為了保證電流環(huán)的這種調節(jié)作用，在起動過程中 ACR 不應飽和。- 9 -第第 III 階段（階段（t2 以后）是轉速調節(jié)階段。以后）是轉速調節(jié)階段。當轉速上升到給定值時，轉速調節(jié)器 ASR 的輸入偏差減少到零，但其0*nn 輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在最大電流下加速，必然*imU使轉速超調。轉速超調后，ASR

18、輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，輸出電壓和主電流也因而下降。但是，由于仍大于負載電流，轉速將在一*iUdIdIdLI段時間內繼續(xù)上升。直到=時，轉矩=，則 dn/dt=0，轉速 n 才能到達峰值。dIdLIeTLT此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應,電流出現(xiàn)一段小于的過程,直dLI到穩(wěn)定。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的三個特點：(1) 飽和非線性控制當 ASR 飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR 不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。(2) 轉速超調由于 PI 調節(jié)器的特性，只有使轉速超調，即在轉速調節(jié)階段

19、，ASR 的輸入偏差電壓為負值，才能使 ASR 退出飽和。所以采用 PI 調節(jié)器的雙閉環(huán)直流調速nU系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調。(3) 準時間最優(yōu)控制nOOttIdm IdLId IIIIIIt4 t3 t2 t1 *n圖 2-5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最大值，并保持恒定，使系統(tǒng)最快起動，即在電流受限制條件下使系統(tǒng)最短時間內起動。2.5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。動態(tài)性能可分為動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能兩種。其中動態(tài)抗擾性能對于調速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。（一

20、）動態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。在設計 ACR 時，應強調具有良好的跟隨性能。（二）動態(tài)抗擾性能1抗負載擾動由圖 2-6a 可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調節(jié) ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在突加（突減）負載時，必然會引起動態(tài)速降（速升）。為了減少動態(tài)速降（速升），所以要求 ASR 具有較好的抗擾性能。eC1sTRm1SsTK1/1sTRlU*n-IdL-Un+- ASR nUd0Id-E a)eC1sTRm1/1sTRl1SsTKU*nnU

21、d0Un+- ASR ACR U*iUi-EUd-IdLIdb)圖 2-6 直流調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用a) 單閉環(huán)系統(tǒng) b) 雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動在可控電源電壓上的反映 - 11 -2抗電網(wǎng)電壓擾動 由于電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動在系統(tǒng)結構圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它們的動態(tài)抗擾效果就不同。如圖 2-6b 所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動和負載dU擾動都作用在被轉速負反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對它們dLI的抗擾效果是一樣的。從動態(tài)性能上看，負載擾動作用在被調量 n 的前面，可dLI以通過測速發(fā)電機檢測出來，使負載擾動通過轉速負反饋得到及時調節(jié)。而電網(wǎng)電壓擾動作用在離被調量 n

22、 更遠的位置，轉速調節(jié)器 ASR 不能及時對它進行調節(jié)，但是因為它作用在被電流負反饋環(huán)包圍的前向通道上，使電壓波動可以直接通過電流反饋得到及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能高。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉速動態(tài)變化比起單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(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輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標兩類。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標以跟隨性能為主。（一）跟隨性能指標在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟)(tR)(tC隨性能指標來描述。當給定信

23、號變化方式不同時，輸出響應也不一樣。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，這時的輸出量動態(tài)響應稱作階躍響應，如圖 2-7 所示。圖 2-7 典型的階躍響應曲線和跟隨性能指標一般希望在階躍響應中輸出量與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達到的)(tCCC時間越短越好。常用的階躍響應跟隨性能指標下列各項：1上升時間rt圖 2-7 繪出了階躍響應的跟隨過程，圖中的是輸出量 C 的穩(wěn)態(tài)值。在跟隨C過程中，輸出量從零起第一次上升到所經(jīng)過的時間稱作上升時間，它表示動態(tài)C響應的快速性。2.超調量與峰值時間pt在階躍響應過程中，超過以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時間時達rtpt到

24、輸出量最大值，然后回落。超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，maxCmaxCC用百分數(shù)表示，叫做超調量，即%100maxCCC超調量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調量越小，相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)。3.調節(jié)時間st調節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到才穩(wěn)定，但實際上由于存在各種非線性因素，過t渡過程到一定時間就終止了。為了在線性系統(tǒng)階躍響應曲線上表示調節(jié)時間，認定穩(wěn)態(tài)值上下5%(或取2%)的范圍為允許誤差帶，以響應曲線達到并不再超出該誤差帶所需的時間定義為調節(jié)時間。顯然，調節(jié)時間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。（二）抗擾性能

25、指標- 13 -控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加一個使輸出量降低的擾動量 F 以后，輸出量由降低到恢復的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖 2-8 所示。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間。1動態(tài)降落%maxC系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標準負擾動量，所引起的輸出量最大降落值稱作動態(tài)降落。一般用占輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)maxCmaxC1C來表示（或用某基準值的百分數(shù)來表示）。%1001maxCCbC%100maxbCC輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值，（）是系統(tǒng)在該擾2C21CC動作用下的穩(wěn)態(tài)降落，即靜差。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調速系統(tǒng)突加額定負載時轉速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降。%

26、maxn2恢復時間vt從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進入某2C基準值的5%（或取2%）范圍之內所需的時間，定義為恢復時間，見圖 2-bCvt4b。其中稱作抗擾指標中輸出量的基準值，視具體情況選定。如果允許的動態(tài)降bC落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值作為基準值。如果允許的動態(tài)降落較小，則按進入5%2C范圍來定義的恢復時間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個比新穩(wěn)態(tài)2C值更小的作為基準。bC圖 2-8 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標2.7 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的頻域分析在設計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（Bode Diagram）如圖 2-9 所示，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的

27、漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。正因為如此，伯德圖是自動控制系統(tǒng)設計和應用中普遍使用的方法。在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，從上圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：(1)中頻段以的斜率穿越線，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，decdB/20dB0則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。(2)截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好。c(3)低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。(4)高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾

28、的能力越強。以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應，又容易引入高頻干擾；如此等等。設計時往往須在穩(wěn)、準、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結果。0L/dBc/s -1-20dB/dec高頻段低頻段中頻段圖 2-9 典型的控制系統(tǒng)伯德圖- 15 -在伯德圖中，穩(wěn)定裕度是衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度（即相對穩(wěn)定性）的重要指標，穩(wěn)定裕度包括以分貝表示的增益裕度和相角裕度 ，一般要求：GM6、 =GMdB3060保留適當?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實際系統(tǒng)在各環(huán)節(jié)

29、參數(shù)發(fā)生變時不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。穩(wěn)定裕度也能間接地反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動態(tài)過程振蕩、超調小。第三章第三章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)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的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖 3-1 所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反)(sWASR)(sWACR饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。dIeC1sTRm1/1sTRi1sTKssU*n Uct-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)U*iId+E圖

30、3-1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖3.1 直流電動機建模晶閘管直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構框圖（V-M 系統(tǒng)），如圖 3-1 所示。圖中他勵直流電機數(shù)據(jù)有：=10kW,=220V,=53.5,=1500r/min,電樞電nomPnomUnomIAnomn阻=0.31，回路總電阻=0.4,回路總電感=5.12，運動部分的飛輪慣aRRLmH=7，允許的過載倍數(shù)，晶閘管的放大系數(shù)為。2GD2mN 5 . 130SK他勵直流電機在額定勵磁下的等效電路如圖 3-2，其中電樞回路的總電阻 R 包括電力電子器件內阻、電樞電阻以及主電路中接入的其他電阻；電感包括電感和L主電路中接入的電感，規(guī)定的正方向 如

31、圖 3-1 所示 假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為： （3-EtILRIUddddd01）如果忽略粘性磨檫及彈性轉矩，電機軸上動力學方程為： （3-tnGDTTdd3752Le2）-MUd0+-E LneidTLM圖 3-2 他勵直流電機在額定勵磁下的等效電路額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為： （3-nCEe3） （3-dmeICT 4）式中 包括電機空載轉矩在內的負載轉矩（）；LTmN 電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量（）；2GD2mN - 17 -電機額定勵磁下的轉矩系數(shù)；=eCnomanomnomenRIUCrV min/=0.1356；150031. 03 .53220r

32、V min/額定勵磁下電動機轉矩系數(shù),=1.295。mCmCeC3014. 31356. 030AmN/再定義下列時間常數(shù)：電樞回路時間常數(shù)， =0.0128s；lTlTRL4 . 000512. 0電力拖動系統(tǒng)機電時間常=0.042s。mTmTCeCmRGD3752295. 11356. 03754 . 07代入式（31）和式（32），并考慮式（33）和式（34），整理后得 （3-)dd(dd0dtITIREUl5） （3-tERTIIddmdLd6）式中，為負載電流(A), 。dLImLdLCTI在零初始條件下，取等式兩邊的拉式變換，得到電壓與電流的傳遞函數(shù)： (3-7)1/1)()(0)

33、(sTRSEsUdsIdl電流和電動勢的傳遞函數(shù)： （3-sTRsIdlsIdSEm)()()(8）式（3-7）和式（3-8）的動態(tài)結構框圖分別畫在圖 3-3 a、b 中。把兩圖和在一起，并考慮到，即得額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構框圖，如圖 3-1c 所示。CeEn/由圖 3-1 可看出，直流電機有兩個輸入量，一個是加在電樞上理想空載電壓，另一個是負載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。0dUdLI 1/1sTRl-E(s)Ud0+Id (s)a)1/1sTRlsTRmeC1Ud0IdL (s) E(s)Id (s)Un+-c)圖 33 額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構框圖a) 電壓電流

34、間的結構框圖 b) 電流電動勢間的結構框圖c) 直流電動機的動態(tài)結構框圖3.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)在進行調速系統(tǒng)的分析設計時，可把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)看待。動態(tài)過程中晶閘管觸發(fā)和整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應是由晶閘管失控時間引起的。各種整流電路失控時間可參考表 3-1。相對整個系統(tǒng)的響應時間，是不大的，在一般情況下，可取平均值 sT，并認為是常數(shù)。max2/1ssTT 表 3-1 各種整流電路的失控時間（）ZHf50整流電路形式最大失控時間msTs/max平均失控時msTS/單相半波2010sTRmId (s)IdL(s)+-E (s)b)- 19 -

35、單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67若用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關系為)( 1scs0dTtUKU利用拉氏變換的位移定理，則晶閘管裝置傳遞函數(shù)為 （3-sTKsUsUsWse)()()(sc0ds9）由于式（3-9）包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)。為了簡化現(xiàn)將該sTse指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（3-9）變成33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT考慮到很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)。sT （3-sTKsWsss1)(10）其動態(tài)結構框圖示于圖 3

36、-4。3.3 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器本節(jié)將運用工程設計方法來設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器。按照設計多環(huán)控制系統(tǒng)先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙sTsseKUc(s)Ud0(s)a)b） 圖3-4 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構圖 a)準確的 b)近似的Uc(s)Ud0(s)1sTKss閉環(huán)系統(tǒng)中應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖如圖 3-5 所示，框圖中給出了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了使它不影響調

37、節(jié)器的輸入，增加了低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號oiT為準。然而在濾平交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這一作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延遲，是二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而得到設計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向波紋，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數(shù)為onT的給定濾波環(huán)節(jié)。onT3.3.13.3.1 電流調節(jié)器的設計電流調節(jié)器的設計(一）電流結構框圖的化

38、簡在圖 3-2 電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給實際工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于電機時間常數(shù)，因此轉速的變化往往比電流變化慢lTmT得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流瞬間變化過程中，1/1sTRleC1sTRm1sTKSS1sToi1sTon11sToi11sTon-IdL(s)Ud0+Un+-+-UiACRU*iUcId+)(SEASRU*nn圖 3-5 轉速雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖電流反饋濾波時間常數(shù)，轉速反饋濾波時間常數(shù)oiTonT- 21 -可以認為反電動勢基本不變，即。

39、這樣按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不0E考慮反電動勢變化的動態(tài)影像，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，如圖 3-6a 所示可以證明忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是 （3-lmciTTw1311）式中的電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截至頻率。ciw1sToi1/1sTRl1sTKss1sToiUd0(s)+-Ui (s)ACRU*i(s)Uc (s)Id (s)a) 1)(1(/sTsTRKlss11sToi)(sUi+-ACRUc (s)Id (s)b)(sUi) 1)(1(/sTsTRKils+-ACRUc (s)Id (s)c)圖 3-6 電流環(huán)的動態(tài)機構框圖及其

40、化簡a) 忽略反電動勢的動態(tài)影響 b) 等效成單位負反饋系統(tǒng)c) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都都等效的移到環(huán)內，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖（3-6b）所示，從這里可以/ )(sUi看出兩個濾波時間常數(shù)取值的方便之處。最后，由于和一般比小的多，可以當作小慣性群而近似的看作是一個慣sToiTlT性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為= (3-12)iToisTT 則電流環(huán)結構框圖最終化簡成圖 3-6c，簡化的近似條件為 (3-13)oisciTTw131（二）電流環(huán)的結構選擇首先考慮應把電流環(huán)校正成那一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉

41、特性，由圖 3-6c 可以看出，采用典 I 型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。因此，電流環(huán)以跟隨性能為主，即應選用典 I 型系統(tǒng)。圖 3-6c 表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要矯正成典 I 型系統(tǒng)，顯然應采用 PI 型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成= (3-14) )(sWACRssKiii) 1(式中 電流調節(jié)器的比例系數(shù)；電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。iKi為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 (3-15) liT則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成為

42、圖 3-7a 所示的典型形式，其中= IKRKKiSi圖 3-7b 繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)頻域特性。（三）電流調節(jié)器的參數(shù)計算由式（3-14）可以看出，電流調節(jié)器的參數(shù)是和,其中已選定，見式（3-iKii15）待定的只有比例系數(shù)，可根據(jù)所需的動態(tài)性能指標選取。在一般情況下，希iK望電流的超調量由表 3-2，可選，則%5i707. 05 . 0iITK = （3-16IKciwiT21）- 23 -再利用式（3-16）和（3-15）得到= iKislTKRT2)(2ilSTTKR) 1(sTsKiI)(sUia)Id (s)+-b)圖 3-7 校正成典型 I 型系統(tǒng)的電流環(huán)a)動態(tài)結構框圖

43、 b)開環(huán)對數(shù)幅頻特性-40dB/decL/dBiT1-20dB/dec /s-10ci表 3-2 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系KT02503905006910阻尼比100807070605超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間rt6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間pt8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率cw0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T增加參數(shù)：電流反饋系數(shù)；設計要求：設計電流調節(jié)器，要求超AV /072. 0調量5%。i1確定時間常數(shù)1) 整

44、流裝置滯后時間常數(shù)，參考表(3-1)三相橋式整流電路的平均失控時間ST=0.0017 。sTs2) 電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是 3.3，為了基本oiTms濾平波頭，應有，因此取=2=0.002 。msToi3 . 3)21 (oiTmss3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取iT+=0.0037s。SiTToiT2根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設計電流%5i調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用 PI 型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式（3-14）。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型 I 型49. 30037. 0/0128. 0/ss

45、TTil系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。3計算電流調節(jié)器參數(shù)電流環(huán)調節(jié)器超前時間常數(shù)：。sTli0128. 0電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，取，因此%5i5 . 0iITK于是，ACR 的比例系數(shù)為=11 .1350037. 0/5 . 0/5 . 0sTKiI)/(SiIiKRKK=0.32072. 030/4 . 00128. 01 .1354檢驗近似條件：電流環(huán)截止頻率：。11 .135sKIci1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足近似條件；ciSssT11 .196)0017. 03/(1)3/(12) 忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：)/(13lmTTs 滿足近似條

46、件。4 .129)0128. 0042. 0/(13ss1ci3) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：)/(13oiSTT，滿足近似條件。cisss18 .180)002. 00017. 0/(133.3.23.3.2 轉速調節(jié)器的設計轉速調節(jié)器的設計（一）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)- 25 -電流環(huán)簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出他的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖（3-7a）可知)(1sWic= (3-17)(clisW/ )()(*idsUsI) 1(1) 1(iIiIsTsKsTsK111I2IisKsKT忽略高次項，可降階近似為 (3-18)(clisW)(clisW111sKI近似條件 (

47、3-19)iIcnTKw31式中轉速環(huán)開環(huán)頻域特性的截止頻率。cnw接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等)(sUi效為=)()(*idsUsI)(clisW111IsK這樣原來雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加IK/1快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內環(huán)）控制的一個重要功能。（二）轉速調節(jié)器結構的選擇用電流環(huán)的的等效環(huán)節(jié)代替圖（3-1）中的電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖（3-8a）所示和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號

48、改成，再把時間常數(shù)為和兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個/ )(sUnIK/1onT時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中= (3-20)nTnTonITK1則轉速環(huán)的結構框圖可簡化成圖（3-8b）。為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中（見圖 3-8b）?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典 II 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調較大，那是線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低，因此可見，ASR 也應該采用 PI 調

49、節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-21)ssKWnnnASR) 1(式中轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。nKn這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為=)(nsW) 1() 1(nmennnsTsTCRssK) 1() 1(n2mennnsTsTCsRK令轉速環(huán)開環(huán)增益為 (3-22）NKmennNTCRKK則 (3-23) 1() 1()(n2nNnsTssKsW不考慮負載擾動時，校正后的調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖如圖 3-8c 所示。Un (s)sTCRme1sTon11sTonIdL (s)U*n(s)n (s)+-ASRId (s)-U*n(s)111sKI+-a)(sUnsTCRme1/sT

50、nn (s)+-ASRId (s)U*n(s)+-IdL (s) b)- 27 -n (s)+-)(sUn) 1() 1(2sTssKnnNc)圖 3-8 轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖及其簡化a)用等效環(huán)代替電流環(huán) b)等效成為單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理c)校正后成為典型 II 型系統(tǒng)（三）轉速調節(jié)器參數(shù)計算轉速調節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型 II 型系統(tǒng)的參數(shù)關系，有nKn （2-nn hT24） （3-2n2N21ThhK25）因此 （3-nmen2) 1(RThTChK26）無特殊要求時，一般以選擇中頻寬=5 為好。h除已給數(shù)據(jù)外增加加數(shù)據(jù)如下：轉速反饋系數(shù)。rV min/0067. 01確

51、定時間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)，由電流調節(jié)器設計已取，則IK/15 . 0iITKssTKiI0074. 00037. 022/12) 轉速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取。onTsTon01. 03) 轉速環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取nT。sssTKTonIn0174. 001. 00074. 0/12選擇轉速調節(jié)器的結構按照設計要求，將轉速環(huán)校正成典型 II 型系統(tǒng)，選用 PI 調節(jié)器，其傳遞函數(shù)如式：。ssKWnnnASR) 1(3計算轉速調節(jié)器的參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時間常數(shù)為，sshTnn087. 00174. 05轉

52、速環(huán)開環(huán)增益為：，2222224 .3960174. 052621ssThhKnNASR 的比例系數(shù)為：3 . 50174. 04 . 00067. 052042. 01356. 0072. 062) 1(nmenTRhTChK4檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為 。1115 .34087. 04 .396/ssKNcn1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：滿足簡化條件。,7 .630037. 01 .135)3/1 (/)3/1 (11cniIssTK2) 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：滿足近似條件。,7 .3801. 01 .135)3/1 (/)3/1 (11cnonIssTK總結：本章節(jié)對雙閉環(huán)的

53、調速系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)進行計算，按照工程設計方法設計雙閉環(huán)調節(jié)器，得出雙閉環(huán)調節(jié)器的參數(shù)。為下一章節(jié) Simulink 下建立仿真模型奠定基礎。 - 29 -第四章第四章 SimulinkSimulink 環(huán)境中的系統(tǒng)建模、仿真結環(huán)境中的系統(tǒng)建模、仿真結果及分析果及分析晶閘管直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)（V-M 系統(tǒng)）的 Simulink 動態(tài)結構圖。在第三章中已整定相應參數(shù)，如圖 4-1 所示。圖中直流電機數(shù)據(jù)有：=10kW，=220V，=53.5A，=1500r/min，電樞電阻nomPnomUnomInomn=0.31，路總電阻 R=0.4，電樞回路電磁時間常數(shù)=0.0128s，三相橋平均失

54、aRlT控時間=0.00167s；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)=30；系統(tǒng)運動部分飛輪矩相應sTsK的機電時間常數(shù)=0.042s，系統(tǒng)測速反饋系數(shù)=0.0067Vmin/r，系統(tǒng)電流反饋系mTtK數(shù)=0.072V/A，電流環(huán)濾波時間常數(shù)=0.002s；轉速環(huán)濾波時間常數(shù)iKoiT=0.01s。忽略系統(tǒng)的非線性，分別對系統(tǒng)的電流內環(huán)與轉速外環(huán)進行穩(wěn)態(tài)與動態(tài)onT的仿真。圖 4-1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的 Simulink 動態(tài)結構圖說明幾個問題1) 線性系統(tǒng)的疊加原理根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，結構圖上雖然同時繪制有多個信號作用，但在討論其中一個信號的作用時，其它所有信號可以認為不存在，并且在結構圖上必須將其去

55、除，只留下討論的一個。這樣的仿真圖形才是最明確清楚的。2) 設置限幅裝置為保證電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器中的運算放大器工作在線性特性段以及保護調速系統(tǒng)的各個元件，部件與裝置不致?lián)p壞，在電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的輸出端都設置有限幅裝置(限幅模塊上下限幅+5 與-5)。4.1 電流環(huán)的 MATLAB 計算及仿真電流內環(huán)動態(tài)結構圖的若干考慮：采用工程慣用方法，已將可控硅及觸發(fā)裝置近似為一階慣性環(huán)節(jié)。添加低通濾波措施，濾波時間常數(shù)已經(jīng)確立為=2ms=0.002s。因為反饋濾波oiT同時也給反饋信號帶來延遲，為了平衡這一延遲作用，在給定信號通道也添加一個與反饋濾波相同的時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，以使給定信號和反饋信

56、號同樣的延遲。其傳遞函數(shù)為：。11sToi電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)：(s)ACRW=,=0.32，=0.0128=。pKsTsTii1ss04. 010128. 0pKiTlT4.1.1 電流內環(huán)的電流內環(huán)的 SIMULINKSIMULINK 動態(tài)結構圖動態(tài)結構圖圖 4-2 中給出了電流環(huán)的實際參數(shù)，也畫出了仿真時給定信號與兩個典型擾動信號作用點的位置。擾動 1 指代諸如電動機里的各種參數(shù)變化引起的擾動；擾動信號 2 指代諸如電網(wǎng)電壓的波動變化引起的擾動以及晶閘管整流與移向觸發(fā)裝置參數(shù)變化所引起的擾動等。圖中未考慮反電動勢的動態(tài)作用，因為反電動勢信號不在環(huán)內。另外，圖中在電流調節(jié)器輸出端已經(jīng)設置了

57、限幅裝置。圖 4-2 帶參數(shù)電流環(huán)的 SIMULINK 動態(tài)結構圖- 31 -4.1.2 電流環(huán)階躍響應的電流環(huán)階躍響應的 MATLABMATLAB 計算及仿真計算及仿真電流環(huán)的校正主要是對晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置的放大倍數(shù)進行校正，sK校正前=20，構成動態(tài)結構圖模型 mx010a.mdl；校正后=30，構成動態(tài)結構圖sKsK模型 mx010.mdl。其他參數(shù)不變，校正前、后的動態(tài)結構圖模型只是的值不一樣，sK所以在此只給出校正后的 mx010.mdl 文件的動態(tài)結構圖的模型，如圖 4-3 所示。圖 4-3 帶參數(shù)電流環(huán)的 SIMULINK 模型 mx010.mdl 根據(jù)要求，用 Linmo

58、d（）與 step（）函數(shù)命令編寫的 MATLAB 程序 L157.m% MATLAB PROGRAM L157.ma1,b1,c1,d1=linmod(mx010);s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);hold ona2,b2,c2,d2=linmod(mx010a);s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)y,t=step(s1);mp,tf=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sgm=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf)運行該程序可得模型 mx010.mdl 與 mx010a.m

59、dl 的單位階躍響應曲線如圖 4-4的(a)與(b)所示,并對于圖 4-4 的(a)圖求出性能指標：超調量：=4.4403%,峰值時%間：=0.0209s。pt圖 4-4 (b)是=20 時的系統(tǒng)單位階躍響應，階躍響應曲線單調上升，完全無超sK調，并且在 0.04s 內響應即結束。這樣的電流環(huán)階躍響應很理想,但是電機的加速起動不夠快。圖 4-4(a)是=30 時的系統(tǒng)單位階躍響應，響應曲線略有超調 4.4403%，符合sKI 型系統(tǒng)超調量小的特點，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間（0.0209s）非常短，電流立即下降至恒定并在 0.04s 內響應即結束，這樣的階躍響應是很理想的。 a) b)圖 4-

60、4 電流環(huán)階躍響應 Simulink 曲線a)=30 b)=20sKsK結論：這正好驗證了典型 I 型系統(tǒng)設計電流環(huán)其超調量會很小的事實。對于電流環(huán)，比較此二者，電流稍微超調的可取，因為這有利于電機的加速起動，電機又不受什么影響。4.1.3 電流環(huán)抗擾動響應過程的電流環(huán)抗擾動響應過程的 MATLABMATLAB 計算機仿真計算機仿真 對絕大數(shù)機器設備，控制系統(tǒng)抗擾動性能指標是至關重要的，它比起系統(tǒng)跟隨性能指標更為人們所關注。對于電流環(huán)，正如圖 4-2 中所給的兩個作用點之擾動信號，分別代替了工程實際的一些擾動因素。繪制單位階躍擾動響應曲線并計算其性能指標- 33 -在圖 4-2 中兩個擾動信號