黃朝林的單閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要： 主要運(yùn)用電機(jī)學(xué)與自動(dòng)控制原理所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)直流電機(jī)和測(cè)速電機(jī)、自動(dòng)控制等部分的參數(shù)的變化控制整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。此系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器、功放、晶閘管整流電路、直流發(fā)電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等模塊組成，來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直流調(diào)速。系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定性，調(diào)速范圍廣，便于控制，因此在許多具有調(diào)速要求的電力領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)行總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后確定各個(gè)參數(shù)，當(dāng)明確了系統(tǒng)傳函之后，再進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 再運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真，得知設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合要求。關(guān)鍵詞：速度調(diào)節(jié)器、晶閘管整理電路、直流發(fā)電機(jī)、閉環(huán)直流調(diào)速、Matlabl

2、e仿真Abstract： The main use of the motor and the principle of automatic control of the knowledge, conducting thyristor DC single closed loop speed control design. Based on the DC motor and speed of motor, automatic control and other parts of the parameters control of the speed regulation system. This

3、system is composed of speed regulator, power amplifier, thyristor rectifier circuit, a DC generator, tachometer generator module. To realize closed loop DC speed regulation. The system has good stability, wide range of speed regulation, easy to control, so in many has the speed required by electric

4、fields have a wide range of applications. First the overall system design, and then to determine the various parameters, when the system transfer function, then the stability analysis, using Matlable simulation, that whether it meets the requirements of design results.Keywords： speed regulator, SCR

5、processing circuit, DC generator, closed loop DC speed regulation, Matlab simulation.目 錄一、前言1二、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)22.1、調(diào)速方案的比較和選擇22.2、晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)42.3、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5三、系統(tǒng)的性能指標(biāo)參數(shù)63.1、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算63.2、動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算7四、穩(wěn)定性分析94.1、運(yùn)用經(jīng)典自動(dòng)控理論分析94.2、利用MATLAB輔助分析9 4.2.1、利用根軌跡分析94.2.2、在頻域內(nèi)分析11五、系統(tǒng)校正115.1、系統(tǒng)的校正分析與計(jì)算135.1.1、系統(tǒng)校正的工具135.1

6、.2、調(diào)節(jié)器的選擇135.1.3、校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)145.2、校正后系統(tǒng)的驗(yàn)證14 5.2.1、驗(yàn)證校正后的相位裕量15 5.2.2、利用Simulink仿真系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行情況15六、總結(jié)與體會(huì)17七、參考文獻(xiàn)18八、參考文獻(xiàn)19一、 前言 調(diào)速系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域，在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)機(jī)械在不同的生產(chǎn)場(chǎng)合，對(duì)機(jī)械的運(yùn)行速度有不同的要求，以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、張力系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)等。而各種系統(tǒng)往往是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng)。要求具有速度調(diào)節(jié)功能的生產(chǎn)機(jī)械很多，如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、起重運(yùn)輸設(shè)

7、備、造紙機(jī)、紡織機(jī)等等。在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，且要具有良好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。不同的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求不同所選擇的調(diào)速方案也不同，常用的調(diào)速方法有機(jī)械的、電氣的、液壓的、氣動(dòng)的幾種。在使用機(jī)械與電氣調(diào)速上，也往往采用電氣與機(jī)械配合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，在純機(jī)械方法的調(diào)速設(shè)備中，驅(qū)動(dòng)用電機(jī)一般運(yùn)行在固有機(jī)械特性的一個(gè)轉(zhuǎn)速上。在純電氣方法調(diào)速中，電機(jī)運(yùn)行在一個(gè)固有的機(jī)械特性或人為機(jī)械特性上。在電氣與機(jī)械配合的調(diào)速設(shè)備中，可用電動(dòng)機(jī)來(lái)得到多種轉(zhuǎn)速，這是的機(jī)械調(diào)速機(jī)構(gòu)就變得十分簡(jiǎn)單。電氣調(diào)速系統(tǒng)又可分為交流調(diào)速和直流調(diào)速，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，直流調(diào)速系統(tǒng)具有極好運(yùn)

8、動(dòng)性能和控制特性，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但一直以來(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)占?jí)艛嗟匚?，廣泛用于軋鋼、礦山開采、海洋鉆探、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力的拖動(dòng)場(chǎng)合，因?yàn)橹绷髡{(diào)速是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)、在理論和實(shí)踐上都更為成熟。本次設(shè)計(jì)采用的是晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速，運(yùn)用了速度調(diào)節(jié)器、觸發(fā)電路、正橋功放、三相全控整流、直流電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等等，加上運(yùn)用了反饋電路，調(diào)速范圍廣和穩(wěn)定，且可實(shí)現(xiàn)通過(guò)反饋信號(hào)采取來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速，可應(yīng)用于要求自動(dòng)調(diào)速的生產(chǎn)領(lǐng)域。 在1980年前后，美國(guó)的Cleve博士在大學(xué)講授線代代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其他高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便，就構(gòu)思并開

9、發(fā)了Matlab，它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在大學(xué)進(jìn)行了幾年的使用后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得日常容易。 在Matlab軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算與工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算方面提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，Matlab提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè)工程領(lǐng)域，并且不斷加以完善。本題通過(guò)把放大環(huán)節(jié)看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)看成一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)-即一節(jié)慣性環(huán)節(jié)，額定直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，測(cè)速發(fā)電機(jī)看成一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，然后再得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖和相關(guān)參數(shù)，就可應(yīng)用Matlab進(jìn)行仿真進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。二、 晶閘

10、管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1、調(diào)速方案的比較和選擇2.1.1、方案的介紹直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為(1)式中 Ua電樞供電電壓（V）；Ia 電樞電流（A）；勵(lì)磁磁通（Wb）；Ra電樞回路總電阻（）；Ce電勢(shì)系數(shù)，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。由式1可以看出，式中Ua、Ra、三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：a改變電樞回路總電阻Ra；b改變電樞供電電壓Ua；c改變勵(lì)磁磁通。方案一： 改變電樞回路電阻調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)其電樞回路傳入調(diào)節(jié)電阻Rw后，電樞回路的總電阻為Ra+Rw，使得機(jī)械特性的

11、斜率增大，串不同的Rw就可得到不同斜率的機(jī)械特性，與負(fù)載的機(jī)械特性相較于不同的A、B、C三點(diǎn)。電樞電阻如圖2.1所示，其機(jī)械特性如圖2.2所示。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為 式中Rw為電樞回路中的外接電阻（）。圖2.1 改變電樞電阻調(diào)速電路 圖2.2 改變電樞電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。 特點(diǎn)：為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般約為2：1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。方案二: 改變電樞電壓調(diào)速改變電樞供電電壓的方法有兩種：a采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；b采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系

12、統(tǒng)。而圖a方法因設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。下面就介紹方法b。圖2.3 晶閘管供電的調(diào)速電路 圖2.4 晶閘管供電時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性晶閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖2.3所示。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖2.4中。圖2.4中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角a時(shí)，特性呈一簇平行的直線。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。 特點(diǎn)：為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，

13、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍廣，便于控制，可以做到無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50:1150：1,甚至更大。方案三：弱磁調(diào)速 調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路傳入的調(diào)節(jié)電阻，改變勵(lì)磁電流If，即改變磁通，為使電機(jī)不至于過(guò)飽和，因此磁通只能由額定值減小。由于減小，機(jī)械特性的升高，斜率增大，如果負(fù)載不是很大，則可使得轉(zhuǎn)速升高。減小越多，轉(zhuǎn)速升高得越高，不同的v可得到不同的機(jī)械特性曲線。 特點(diǎn)：雖然能量損失較小，但轉(zhuǎn)速只能由額定磁通時(shí)對(duì)應(yīng)的速度向高調(diào)，而電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速要受到電機(jī)本身的機(jī)械強(qiáng)度及換向的限制。2.1.2、方案的選擇 通過(guò)對(duì)方案一、方案二、方案三的介紹，我們知道了他們調(diào)速的各自特點(diǎn)，再考慮到本次設(shè)計(jì)

14、的要求（采用晶閘管單閉環(huán)直流調(diào)速），所以選擇方案二，即改變電樞電壓調(diào)速（采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)）。2.2、晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 通過(guò)在2.1對(duì)調(diào)速方案的確定， 再根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的無(wú)極平滑調(diào)速。設(shè)計(jì)如下的原理圖：=圖2.5單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中的G為直流電機(jī)，TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)，通過(guò)它不斷地對(duì)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，并將測(cè)得的結(jié)果反饋到參考輸入端并相減，產(chǎn)生偏差信號(hào)U,經(jīng)過(guò)放大器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是輸出轉(zhuǎn)速完全按照參考輸入的要求變化。該系統(tǒng)受到內(nèi)界或者外界擾動(dòng)，可以通過(guò)負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差作為控制信號(hào)，去消

15、除輸出量預(yù)期期望值之間的誤差，這種控制原理稱為反饋控制原理。當(dāng)直流電機(jī)邊接負(fù)載時(shí)，可以補(bǔ)償由于負(fù)載增大所造成的電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，使轉(zhuǎn)速w近似保持不變，從而提高機(jī)械生產(chǎn)效率。圖2.6單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖2.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖有了系統(tǒng)原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié)構(gòu)圖表示，就可得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖2.7單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)自動(dòng)控制原理知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)。再根據(jù)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性得到各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結(jié)構(gòu)圖形式，就可得到了系統(tǒng)

16、的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖2.8單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)三、參數(shù)計(jì)算上面得到了單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，我們就可以根據(jù)傳遞函數(shù)與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)動(dòng)態(tài)的參數(shù)設(shè)計(jì)。先設(shè)定一些相關(guān)的參數(shù)：電動(dòng)機(jī)：PN=4.4kw UN=220v =20A nN=1000r/min Ra=1晶閘管整流裝置：二次線電壓E2l=220v Ks=30主回路總電阻：R=2測(cè)速發(fā)電機(jī)：PNc=22w UNc=110v =0.2A nNc=1500r/min系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分：飛輪矩GD2=10Nm2 設(shè)計(jì)要求：生產(chǎn)機(jī)械D=20 ； s5 ； 60°輸入的參考電壓Un*=15v3.1靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算A、空載到額定負(fù)載的速降n

17、N由公式： （其中D，s已知） 得：nd2.63 r/minB、系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)K由公式：為了保持穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足顯然，系統(tǒng)不能在滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下運(yùn)行。C、測(cè)速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù)a測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Cec = UNc/ nNc=0.073Vmin/r測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電位器RP2分壓系數(shù)a2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，人為選定a2=0.2則a=Cec a2=0.0146注：a2正確性的驗(yàn)證：反饋通道的輸出用于和給定比較，參照?qǐng)D2.7的標(biāo)注，Un略小于Un*即可，當(dāng)a2=0.2時(shí)，Un=14.6v 滿足要求D、運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp由公式 （其中即a） Kp 2.53取Kp=2.533

18、.2、動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算在經(jīng)典控制論中，動(dòng)態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳函，所以要求出傳函并根據(jù)已知求的傳函中的未知參數(shù)，再用勞斯判據(jù)得出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、準(zhǔn)、快指標(biāo)平衡在要求范圍內(nèi)的值上。由圖2.8得系統(tǒng)開環(huán)傳函其中,Ts晶閘管裝置滯后時(shí)間常數(shù) ； Tm機(jī)電時(shí)間常數(shù) ；Tl電磁時(shí)間常數(shù)為保證電機(jī)的運(yùn)行時(shí)連續(xù)的，去此時(shí)的電流為額定電流的5%-10% ，計(jì)算出直流電機(jī)電路所串電感應(yīng)為：在三相橋式整流電路里UN =2.34COS（a），取a=30°，得=108.56v，取=120v電磁時(shí)間常數(shù) Tl = L / =0.04158/2 =0.021S 機(jī)電時(shí)間常數(shù):

19、對(duì)于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為 Ts = 0.0 16s 系統(tǒng)開環(huán)傳函為： 計(jì)算相位裕量：計(jì)算剪切頻率：當(dāng)函數(shù)的幅值L(w)為零時(shí)，就可得出剪切頻率?？伤愠鱿辔辉Ａ浚?不符合設(shè)計(jì)的要求。四、穩(wěn)定性分析穩(wěn)定是系統(tǒng)首要的條件，是一個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行否認(rèn)基礎(chǔ)，一切的分析只有建立在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上才有意義。4.1運(yùn)用經(jīng)典自動(dòng)控理論分析根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳函特征方程應(yīng)用三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是： 代入整理得：即：得出：所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。4.2利用MATLAB輔助分析4. 2.1利用根軌跡分析系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可化為： 系統(tǒng)傳函化為標(biāo)準(zhǔn)型： 此處對(duì)原傳遞函數(shù)稍作了處理，把

20、分母的首項(xiàng)化為1，其它項(xiàng)的系數(shù)也作了近似的處理。1.求零極點(diǎn)：程序： >> num=1616496.6;>> den=1 110.12 3316.32 21258.5;>> z,p,k=tf2zp(num,den);>> z,p,k=tf2zp(num,den)Z=Empty matrix: 0-by-1p = -62.5032 -38.8656 -8.7511k = 1.6165e+06由運(yùn)行的結(jié)果p知，系統(tǒng)的極點(diǎn)全在虛軸的左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。 2.繪制根軌跡:程序：>> p=-62.5 -8.75 -38.86;z=;k=1616

21、496.6;>> g=zpk(z,p,k);>> figure(1);pzmap(g)>> figure(2);rlocus(g)得零極點(diǎn)圖和根軌跡圖如下： 圖4.1系統(tǒng)的根軌跡圖4.2系統(tǒng)的零極點(diǎn)圖從根軌跡圖和零極點(diǎn)圖可以看出在虛軸右半面沒(méi)有極點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定。4.2.2在頻域內(nèi)分析1.奈氏曲線：程序：>> p=-62.5 -8.75 -38.86;z=;k=1616496.6;>> g=zpk(z,p,k);運(yùn)行結(jié)果： 圖4.3系統(tǒng)的奈奎斯特圖2.系統(tǒng)bode圖和幅值裕度、相角裕度以及對(duì)應(yīng)的頻率程序：>> num=1616

22、496.6;>> den=1 110.12 3316.32 21258.5;>> margin(num,den)；運(yùn)行結(jié)果： 圖4.4系統(tǒng)伯德圖和幅值裕度、相角裕度以及對(duì)應(yīng)的頻率從上面的圖4.4知相角裕量，不符合設(shè)計(jì)要求中的60°。因此需要加超前校正裝置。五、系統(tǒng)校正5.1、系統(tǒng)的校正分析與計(jì)算由上面的仿真知系統(tǒng)穩(wěn)定，但相位裕量不滿足設(shè)計(jì)的要求，因此需加調(diào)節(jié)器校正的方法來(lái)調(diào)整系統(tǒng)。5.1.1、系統(tǒng)校正的工具在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是Bode圖，即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)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)

23、態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。因此，Bode圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。 圖 5.1Bode圖伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系a： 中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；b：截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；c：低頻段的斜率陡、增益高，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；d：高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。相角裕度g 和以分貝表示的增益裕度 Gm。一般要求：g = 30° 60°GM > 6dB校正裝置的傳遞函數(shù)的確定，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的最終要求的傳函與校正前的傳函相除得到。5.1

24、.2、調(diào)節(jié)器的選擇P調(diào)節(jié)器：采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。I調(diào)節(jié)器：采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。 PI調(diào)節(jié)器：比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。5.1.3、校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)設(shè)超前校正裝置的傳函為：因?yàn)閷?duì)校正后的剪切頻率Wc出要求，因此從相位裕量出發(fā)。首先通過(guò)下式確定：式中的為超

25、前校正裝置的最大超前相角校正后要求的相位裕量；為校正前系統(tǒng)的相位裕量；為考慮到（Wc< Wc）所減少的角度而增加的補(bǔ)償角。一般取50 -100。這里可算出=600-（-30.30）+100=95.30。最后在校正前系統(tǒng)的L(w)=-10lg所對(duì)應(yīng)的頻率，就是校正后系統(tǒng)的剪切頻率Wc，且Wn=Wc，在利用下面公式就可算出T2。因此可以推出超前進(jìn)校正的傳遞函數(shù)為： 校正后的總傳遞函數(shù)為：5.2系統(tǒng)驗(yàn)證5.2.1、驗(yàn)證校正后相位裕量是否達(dá)到要求:程序：>> num=1616496.6 28924209.28;>> den=1 2307.92 2423336.3 7309

26、866.59 4963731.3;>> margin(num,den)運(yùn)行結(jié)果：圖5.2系統(tǒng)的伯德圖和幅值裕度、相角裕度以及對(duì)應(yīng)的頻率由上圖只相位裕量=60.6 0>600，因此以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。5.2.1、利用Simulink仿真系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行情況系統(tǒng)可以作如下連接：5.3操作系統(tǒng)連接圖給定：Un*=15v圖5.4單位階躍響應(yīng)由單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)是能夠穩(wěn)定的運(yùn)行的，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速穩(wěn)定在1000rpm，符合要求。，6總結(jié)與體會(huì)此次通過(guò)對(duì)晶閘管單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的全面設(shè)計(jì)，提高了自己運(yùn)用自控理論結(jié)合電機(jī)學(xué)等相關(guān)知識(shí)來(lái)分析和解決問(wèn)題的能力。明白了電路設(shè)計(jì)的重要性，它不僅鍛煉了我

27、們的發(fā)展思維，也的鞏固了自動(dòng)控制原理、電機(jī)學(xué)、matlab等的相應(yīng)知識(shí)，加深了自動(dòng)控制原理基本概念、開環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)的理解，以及運(yùn)用matlab來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性、相位裕量等指標(biāo)的分析。通過(guò)運(yùn)用matlab仿真系統(tǒng)，讓自己熟練地掌握了margin（num，den）、figure（1）；nyquist（num，den）、figure（2）；bode（num，den）、pzmap（g）、rlocus（g）等函數(shù)的運(yùn)用。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)讓我深刻的認(rèn)識(shí)到了他們的工作原理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能，以及在實(shí)際生活中多方面的應(yīng)用。此調(diào)速系統(tǒng)完全可以應(yīng)用在生產(chǎn)機(jī)械需要自動(dòng)調(diào)速的生產(chǎn)中，將大大提高生產(chǎn)的工作效率與質(zhì)量。在此次調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，通過(guò)大膽的設(shè)想，提出了若干種設(shè)計(jì)思路，不同電路模塊通過(guò)和其他元件搭配都能完成通同一種功能。這些都加深了自己對(duì)知識(shí)的了解。在設(shè)計(jì)中也遇到一些困難。如：在參數(shù)計(jì)算時(shí)找不到簡(jiǎn)易的公式，計(jì)算復(fù)雜，以及公式用錯(cuò)，通過(guò)仿真時(shí)