雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計91524

1、雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計（matlab simuli nk仿真）.、八、-刖言許多生產(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)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的

2、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)態(tài)運行。

3、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。For pers onal use only in study and research; not for

4、 commercial use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

5、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)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。 可以說， 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 .一、設(shè)計目的1通過對實際綜合實驗的培養(yǎng)，加強學(xué)生的實際動手能力。For personal use only in study and research; not for commercial use2學(xué)習(xí)仿真軟件 M

6、atlab 的應(yīng)用。3熟悉相關(guān)實驗裝置。4加深對電力拖動自動控制系統(tǒng)這一課程的認識，培養(yǎng)學(xué)生綜合專業(yè)知識的能力。5. 了解雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理 , 組成及各主要單元部件的原理 .For personal use only in study and research; not for commercial use二、設(shè)計要求1電流超調(diào)量S % 5%2過渡過程盡可能3. 中頻寬 h=5三、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

7、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。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Idcr 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

8、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。Id 八nId "nIdmIdm（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

9、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Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，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(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

10、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)器的輸岀當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸岀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 ASF和AC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。轉(zhuǎn)速和電壷取閉環(huán)直曲

11、調(diào)連系址原理圖圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中Un、Un 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓U i、Uj 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岀雙閉環(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：飽和一一輸岀達到限幅值；不飽和一一輸岀未達到限幅值。當調(diào)節(jié) 器飽和時，輸岀為恒值，輸入量的變化不再影響輸岀，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 :U在穩(wěn)太時總是為零。圖3Un +實際上，在正常

12、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(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)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 WASr(S)和WACr(S)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)。為了引岀電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流| d顯露岀來。圖4 :5.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um*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；其輸岀限幅值決定允許的最大電流。2)電流

13、調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓U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。四、仿真軟件介紹利用MATLA下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直 觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時將結(jié)果在示波器上顯示出來。 掌握了強大的SIMULINK工具后，會大大增強用戶系統(tǒng)仿真 的能力。M

14、ATLAB下的SIMULINK軟件具有強大的功能，而且在不斷地得到發(fā)展，隨著它的版本的更新，各個 版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但本書所采用的都是基本仿真模塊，可以在有關(guān)的組中找到，在 進一步地學(xué)習(xí)和應(yīng)用 SIMULINK軟件的其它模塊后，會為工程設(shè)計帶來便捷和精確。在工程設(shè)計時，首先根據(jù)典型I型系統(tǒng)或典型H型系統(tǒng)的方法計算調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLABF的SIMULINK軟件進行仿真，靈活修正調(diào)節(jié)器參數(shù)，直至得到滿意的結(jié)果。也可用MATLAB仿真軟件包的設(shè)計工具箱設(shè)計其它各種控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器，鑒于篇幅不一一展開。電子計算機的岀現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 的巨大成就之一。它對科學(xué)計術(shù)的幾乎

15、一切領(lǐng)域，特別對數(shù)值計算，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析，人工智能以及 自動控制等方面產(chǎn)生了極其深遠的影響。熟練掌握利用計算機進行科學(xué)研究和工程應(yīng)用的技術(shù)，已經(jīng)成為 廣大科研設(shè)技人員必須具備的基本能力之一。大部分從事科學(xué)研究和工程應(yīng)用的讀者朋友可能都已經(jīng)注意到并為之所困擾的是，當我們的計算涉及矩陣運算或畫圖時，利用FORTRAI和C語言等計算機語言進行程序設(shè)計是一項很麻煩的工作。 Matlab 正是為了免除無數(shù)類似上述的尷尬局面而產(chǎn)生的。在 1980 年前后， 美國的 Cleve 博士在 NewMexico 大學(xué)講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級語言編程極為不便，便構(gòu)思 并開發(fā)了 Matlab （MAT

16、rix LABoratory ，即矩陣實驗室） ，它是集命令翻譯，科學(xué)計算于一身的一套交互式 軟件系統(tǒng)， 經(jīng)過在該大學(xué)進行了幾年的試用之后， 于 1984年推出了該軟件的正式版本， 矩陣的運算變得異 常容易。為了準確的把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，1990 年MathWorks 軟件公司為 Matlab 提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為 Simulnk ，該工具 很快在控制界得到了廣泛的應(yīng)用。但因其名字與著名的軟件Simula 類似，所以在 1992 年正式改名為Simulink 。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標器

17、在模型窗口上畫出所需要的控制 系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復(fù)雜系統(tǒng)的 輸入變得相當容易。Simulink的出現(xiàn)，更使得Matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在 CAD中的應(yīng)用打開了嶄新 的局面。目前的 Matlab 已經(jīng)成為國際上最為流行的軟件之一， 它除了傳統(tǒng)的交互式編程外， 還提供了豐富可的 矩陣運算，圖形繪制，數(shù)據(jù)處理，圖像處理，方便的 Windows 編程等便利工具，由各個領(lǐng)域的專家學(xué)者相 繼推出了以 Matlab 為基礎(chǔ)的實用工具箱工具箱 , 其中主要有信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、 魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計、系統(tǒng)辨識、最

18、優(yōu)化、卩分析與綜合、模糊邏輯、小波、樣條等工具箱，而且工具箱還在不斷增加。借助其強大的功能， Matlab 廣泛應(yīng)用于自動控制、圖像信號處理，生物醫(yī)學(xué)工 程，語音處理，雷達工程，信號分析，振動理論，時序分析與建模，化學(xué)統(tǒng)計學(xué)，優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域，并表 現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點在仿真模型建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后，要設(shè)計一種算 法以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再將其編制成程序在計算機上運行，因此，建模通常需要很長一 段時間， 同時仿真結(jié)果的分析必須依賴有關(guān)專家， 而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)。 Matlab 提供的動態(tài)系統(tǒng)仿 真工具 Simulink 可

19、有效解決上述仿真技術(shù)問題。 在 Simulink 中，建立系統(tǒng)模型，可以隨意改變仿真參 數(shù)，即時得到修改后的仿真結(jié)果。 Matlab 中的分析與可視化工具多種多樣且易于操作。 利用 Simulink 對 動態(tài)系統(tǒng)做適當仿真和分析，可以在實際做出系統(tǒng)之前進行，以便對不符合要求的系統(tǒng)進行適時校正，增 強系統(tǒng)性能， 減少系統(tǒng)反復(fù)修改的時間， 實現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目標。 動態(tài)仿真結(jié)果用圖形方式顯示在示波 器的窗口或?qū)?shù)據(jù)以數(shù)字方式顯示出來。 常用的 3 種示波器為 Scope， XY Graph 和 Display 。為了準確 地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計算機 ， 然后對之進行進一步的分析與仿真

20、，MathWorks 公司為 MATLAB 提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具 ，并定名為 Simulink 。MATLAB軟件的Toolbox工具箱與Simulink仿真工具，為控制系統(tǒng)的計算與仿真提供了一個強有力的 工具，使控制系統(tǒng)的計算與仿真的傳統(tǒng)方式發(fā)生了革命性的變化。MATLAB經(jīng)成為國際、國內(nèi)控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的計算與仿真軟件。Simulink 有兩個明顯的功能 :仿真與連接 ，亦即可以利用鼠標器在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型 ， 然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。 很明顯 , 這種做法使得一個很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當 容易。Simulink的出現(xiàn)，更使得Mat

21、lab為控制系統(tǒng)的仿真與其在 CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包 , 不僅界面友好且支持更靈活的模型 描述手段。用戶既可直接用方塊圖來輸入仿真模型，也可用Matlab語言編寫M-文件來輸入。既可以純圖形方式輸入 ， 也可以純文本方式來輸入。 還可將上述兩種方法交叉混合使用。 既可對連續(xù)系統(tǒng)也可對離散系統(tǒng) 進行仿真 ， 還適合于采樣保持系統(tǒng)。同時 ， 它也具有能在仿真進行的過程中動態(tài)改變仿真參數(shù)的功能。因此 可以不難理解它自推出以后 ， 就一直受到歐美和日本等國家或地區(qū)的控制界學(xué)者的青睞。Simulink 為用戶提供了方框圖進行建模

22、的圖形接口 ， 采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容 易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比 ， 具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。 Simulink 包含 有 Sinks（ 輸出方式 ） 、Source（ 輸入源 ）、Linear（ 線性環(huán)節(jié) ） 、Nonlinear（ 非線性環(huán)節(jié) ） 、Connections（ 連接 與接口 ） 和 Extra （ 其它環(huán)節(jié) ）子模型庫 ， 而且每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng) 建用戶自已的模塊。用 Simulink 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu) ， 因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。 用戶可以從最高級開始觀

23、看模型 ，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊 ，來查看其下一級的內(nèi)容 ，以此類推，從 而可以看到整個模型的細節(jié) ， 幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個模型以后 ， 用戶可以通過 Simulink 的菜單或 Matlab 命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。 菜單方式對于交互工作非常方便 ， 而命令行方式對于運行一類仿真非常有用。 采用 Scope 模塊和其它的畫圖 模塊，在仿真進行的同時 ，就可觀看到仿真結(jié)果。 除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生 的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到 Matlab 的 Workspace（ 工作空間 ） 里做事后處理。由于 Ma

24、tlab 和 Simulink 是集成在一起的 ， 因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自已的模型進行仿真、分析和修改。控制系統(tǒng)仿真，就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，主要用數(shù)學(xué)模型代替實際的控制系統(tǒng)，以計算機為工 具，對控制系統(tǒng)進行實驗和研究的一種方法。通常控制系統(tǒng)仿真的過程按以下步驟進行： 第一步，建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。描述系統(tǒng)諸變 量間靜態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，稱為靜態(tài)模型；描述自控系統(tǒng)諸變量間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，稱為動態(tài)模 型。常用最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程，根據(jù)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、 化學(xué)基

25、本定律， 例如牛頓定律、克?；舴蚨伞?運動動力學(xué)定律、焦耳楞次定律等來列寫出變量間的數(shù)學(xué)模型。這是解析法建立數(shù)學(xué)模型。對于很多復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須通過實驗方法并利用系統(tǒng)辨識技術(shù)，考慮計算所要求的精度，略去一些 次要因素， 使模型既能準確地反映系統(tǒng)的動態(tài)本質(zhì)， 又能簡化分析計算的工作。 這是實驗法建立數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的主要依據(jù)。 第二步，建立自控系統(tǒng)的仿真模型原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比如微分方程，并不能用來直接對系統(tǒng)進行仿真。還得將其轉(zhuǎn)換為能夠?qū)ο到y(tǒng)進行仿真的模型。對于連續(xù)控制系統(tǒng)而言，有像微分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換，求得自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)

26、模型。以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)，等效變換為狀態(tài)空間模型，或者將其圖形化為動 態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，這些模型都是自控系統(tǒng)的仿真模型。對于離散控制系統(tǒng)而言，有像差分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型以及類似連續(xù)系統(tǒng)的各種模型，這些模型 都可以對離散系統(tǒng)直接進行仿真。第三步，編制自控系統(tǒng)仿真程序?qū)τ诜菍崟r系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級語言，例如Basic、Fortran或C等語言編制仿真程序。對于快速的實時系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當然也可以直接利用仿真語言。如果應(yīng)用MATLAB勺Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是MATLAB仿真?？刂葡到y(tǒng)的MATLAB方真是控制系統(tǒng)計算機仿

27、真一個特殊軟件工具的子集。第四步，進行仿真實驗并輸岀仿真結(jié)果進行仿真實驗，通過實驗對仿真模型與仿真程序進行檢驗和修改，而后按照系統(tǒng)仿真的要求輸岀仿真結(jié)果。五、仿真設(shè)計（附仿真圖A4紙打?。┛筛鶕?jù)老師的要求設(shè)置參數(shù)，書上有列題，設(shè)計后的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖如下：由于本文只進行了理論性設(shè)計，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統(tǒng)在階躍輸入和負載擾動情況下的動態(tài)響應(yīng)（主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。根據(jù)例題修改

28、的 gain ga in1 step step1Gain11.7D 337sIGfiinl1 D133 32sT*s rsfwSttcmStec fSte= T仿真后波形圖上部為電機轉(zhuǎn)速曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。 進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。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-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

29、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(dǎo)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，.Un極性發(fā)生了變化，- Un 0，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勺調(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

30、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

31、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 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

32、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(xué)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(xué)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?畫出對應(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。本次設(shè)計的時間比較倉促，但我在 * 老師的指導(dǎo)下和同學(xué)們得幫助下，克服了很