直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)與仿真本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)40論文41

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)BACH ELOR DISSERTATION論文題目：直流電機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士學(xué)科專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：日期：

2、指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、 保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：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(dú)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(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明

3、。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、 使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)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) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)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。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日直流電機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析摘要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)主要包括直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)基本采用直

4、流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，已滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和負(fù)載機(jī)械特性的的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。本文以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，先是分析晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)工作機(jī)械特性，然后分析單閉環(huán)有靜差和無(wú)靜差工作的系統(tǒng)靜特性，以及著重對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的機(jī)械特性設(shè)計(jì)與分析，并應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真研究。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速；晶閘管；單閉環(huán)；雙閉環(huán)；MATLAB 仿真The design and analysis of Thyristor D

5、C motor speed control systemABSTRACTApplication in motion control system is the most common form of automatic speed control system.Automatic speed control system includes AC variable speed DC drive system and the system. Drag in the addition, based on feedback control theory based on the principle o

6、f DC Speed Control Speed Control is the basis of the exchange. DC converter is artificially or automatically change the speed of DC motor , the stable operation of the motor speed change.This paper focuseson the SCR motor speed control system of open-loop mechanical properties of the work, single lo

7、op with static error and poor working system with no static static properties, mechanical properties and the double closed-loop system closed-loop control characteristics were tested. And apply the MATLAB software system model was simulated.Keywords: DC motor speed; thyristor； open loop; double loop

8、; MATLAB simulation目錄摘要IVABSTRACTV目錄VI第 1 章 緒 論11.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述11.2 課題的提出及研究意義11.3 課題分析與論文主要內(nèi)容2第 2 章 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)32.1 晶閘管整流技術(shù)32.2 直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)42.3.直流調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和調(diào)速指標(biāo)8第 3 章 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析93.1 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的組成. 93.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性. 113.3反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析. 123.4單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng) .133.4.1 PI 調(diào)節(jié)器 .14第 4 章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)

9、速系統(tǒng)及特性和設(shè)計(jì). 154.1雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的問(wèn)題的提出. 154.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理. 164.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性. 184.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)分析. 204.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程分析.214.6直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì) .234.6.1直流調(diào)速系統(tǒng)組成及要求 .234.6.2電流環(huán)的設(shè)計(jì) .244.6.3速度環(huán)的設(shè)計(jì) .25第五章 基于 MATLABSIMULINK直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì). 275.1 M ATLAB SIMULINK 簡(jiǎn)單介紹 .275.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置.275.3系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及

10、結(jié)果分析.29結(jié) 論.30參考文獻(xiàn) .31致謝 .32第1章緒論1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 , 以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看 ,就是通過(guò)改

11、變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn) ,使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)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。1.2 課題的提出及研究意義電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織

12、，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(dòng)機(jī)做原動(dòng)機(jī)。 有效地控制電機(jī)， 提高其運(yùn)行性能，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。按照傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來(lái)分，電氣傳動(dòng)油直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩大類。盡管目前各種交流調(diào)速系統(tǒng)得到了普遍的重視和較快的發(fā)展，但因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，以及易于在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的一種主要形式。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 )以上作小范圍的弱磁升速。因

13、此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，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(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系

14、統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照， 設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。 這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。1.3 課題分析與論文主要內(nèi)容本課題以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，第一部分說(shuō)明晶閘管的整流技術(shù)，直流調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題和 V-M 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)特性。為后面研究直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)，雙閉環(huán)特性做基礎(chǔ)。第二部分為單閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)部分， 研究單閉環(huán) (轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 )有靜差和無(wú)靜差工作的系統(tǒng)靜特性并進(jìn)行相關(guān)分析。第三部分為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)部分，完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)控制特性研究，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)分析。第四部分為軟件仿

15、真部分，用MATLAB 軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真研究， 對(duì)仿真結(jié)果分析、 研究，驗(yàn)證控制方案的合理性。第 2 章 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 晶閘管整流技術(shù)晶閘管是 PNPN 四層三端器件 ,分別命名為 p1、n1、p2、n2 四個(gè)區(qū)，共有三個(gè)PN 結(jié)。晶閘管外形、結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)如下圖2-1 所示。圖 2-1 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加反向電壓時(shí)，這時(shí)不管控制極的信號(hào)情況如何，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓時(shí)，若在控制極與陰極之間沒(méi)有電壓或加反向電壓，晶閘管還是不會(huì)導(dǎo)通。只有當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓時(shí)，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶

16、閘管才會(huì)導(dǎo)通。但晶閘管一旦導(dǎo)通，不管控制極有沒(méi)有電壓，只要陽(yáng)極與陰極之間維持正向電壓，則晶閘管就維持導(dǎo)通。整流是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟姽┙o直流用電設(shè)備。整流電路可以分為不可控、半控、全控三種。本論文主要以三相全控整流電路作為可控直流電源供給直流電動(dòng)機(jī)。三相橋式全控整流電路相當(dāng)于一組共陰極的三相半波和一組共陽(yáng)極的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的。 習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號(hào)，共陰極的一組為VT1 、VT3和 VT5 ，共陽(yáng)極的一組為VT2 、VT4 和 VT6 。其電路如圖 2-2 所示圖 2-2 三相橋式全控整流電路原理圖2.2 直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

17、的調(diào)速原理及開(kāi)環(huán)特性晶閘管 - 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ( 簡(jiǎn)稱 V-M 系統(tǒng) ) 整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動(dòng)機(jī) - 發(fā)電機(jī)組等組成，在圖2-3 所示的 V-M系統(tǒng)中，只通過(guò)改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來(lái)改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，它們都屬于開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，稱為開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖中VT 是相控整流器，通過(guò)觸發(fā)器裝置GT的控制電壓 U n* 來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出整流電壓U d ，從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。圖 2-3 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(V-M 系統(tǒng) )的原理圖1，系統(tǒng)的組成及調(diào)節(jié)原理系統(tǒng)的組成圖如 2.5，調(diào)節(jié) U n* 改

18、變移相角 改變 Ud n 改變2，觸發(fā)脈沖的相位控制調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT 輸出瞬時(shí)電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud的數(shù)值。如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud0 和平均值 Ud0 來(lái)表示，瞬時(shí)電壓平衡方程：ud 0di d（2.2）E id R Ldt式中 E 為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)； id 為整流電流瞬時(shí)值； L 為主電路總電感； R 主電路等效電阻；對(duì) ud0 進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。用觸發(fā)脈沖的相位角控制整流電壓的平均值Ud0 是晶閘管整流器的特點(diǎn)。

19、 Ud0 與觸發(fā)脈沖相位角的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0 = f ( ) 可用下式表示：U d0m U m sin cosa（2.3）m式中 a 為從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um 為 = 0時(shí)的整流電壓波形峰值；m 為交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于三相全波整流電路，其中U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值， Um，。= 6U2m=6 U d 0 2.34U 2 cosa當(dāng) 0 << 2時(shí)， Ud0 > 0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng) 2<<max時(shí)， Ud0< 0，

20、裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。3，晶閘管 -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)， V-M 系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為n=11mm（2.4）(Ud0-I dR)=( Um-sincosa- IdR)CeCe式中 Ce = KeN 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。式（ 2.4） 等號(hào)右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范圍如觸發(fā)脈沖相位控制中所述。（ 1）電流連續(xù)情況：改變控制角，得一組平行直線，這和G-M 系統(tǒng)的特性很相似，如圖 2.6 所示。圖中電流較小的部分畫(huà)成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（2.4）已經(jīng)不適用了。上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整

21、流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。圖 2.4 電流連續(xù)時(shí) V-M 系統(tǒng)的機(jī)械特性（ 2）電流斷續(xù)情況：當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的 V-M 系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示：2U 2 cossin(a)sin(a)e cot n=6cot6（2.5）C e (1 e)32U 2cos(a )-cos(a +)-Ce n（2.6）I d=2 R662U 2式中 =arctanl ；為一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。R（ 3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算：當(dāng)阻抗角值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一組電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。對(duì)于每一條特性，

22、求解過(guò)程都計(jì)算到=23為止，因?yàn)榻窃俅髸r(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于= 2 3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖 2.5完整的 V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性圖圖 2.6 斷續(xù)段特性的近似計(jì)算（ 4） V-M 系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)：圖 2.7 繪出了完整的 V-M 系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。機(jī)械特性的近似處理方法：在電流連續(xù)段：把特性曲線與縱軸的直線交點(diǎn) n0 作為理想空載轉(zhuǎn)速。 在斷續(xù)特性比較顯著的情況下， 可以改用另一段較陡的直線來(lái)逼近斷續(xù)段特性?；蛑苯佑眠B續(xù)段特性的延長(zhǎng)線來(lái)逼近斷續(xù)段特性

23、。一般可近似的只考慮連續(xù)段。1（Udo d）0（）n=-I R=n - n2.7C e其中：n 為轉(zhuǎn)速降，n 越小，機(jī)械特性的硬度越大。n= I d，n取決于電樞RCe回路電阻 R 及所加的負(fù)載大小。圖 2.7 斷續(xù)段特性的近似計(jì)算在開(kāi)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(wú)反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率要求不高，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2.3.直流調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和調(diào)速指標(biāo)何一臺(tái)需要控制調(diào)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之

24、間的范圍， 是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速， 再穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：（ 1） 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地 (有級(jí) )或平滑地 (無(wú)級(jí) )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(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的速度波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。（ 3）加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析， 可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)， 叫做

25、 “調(diào)速范圍 ”和 “靜差率 ”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。（ 1）調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速n max 和最低轉(zhuǎn)速 n min 之比叫調(diào)速范圍，用字母D表示，即D= nmax(2.1)nmin其中的 nmax 和 nmin 一般都是指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)床，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。（ 2）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n N ，與理想空載轉(zhuǎn)速n 0 之比，稱作靜差率s，即s=nN(2.2)n0顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的

26、硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時(shí)負(fù)載大小常有波動(dòng)，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過(guò)程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說(shuō)，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍D=2040，靜差率 s5%。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍D=310 時(shí)，保證靜差率s0.2%0.5% 。在這些情況下，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。

27、第 3 章 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析3.1 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的組成開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。根據(jù)自動(dòng)控制原理，為了克服開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。閉環(huán)系統(tǒng)是把反映輸出轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定電壓比較，形成一個(gè)閉環(huán)。由于反饋的作用，系統(tǒng)可以自行調(diào)整轉(zhuǎn)速，這種方式也稱為反饋控制。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電動(dòng)TG ，引出與輸出量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un，與轉(zhuǎn)速給定電壓 Un* 進(jìn)行比較，得到偏差電

28、壓U n ，經(jīng)過(guò)放大器 A，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)裝置的控制電壓U ct ，去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖3-1 所示為采用晶閘管相控整流器供電的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，所以稱為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)由電壓比較環(huán)節(jié)、放大器、晶閘管整流器與觸發(fā)裝置、直流電動(dòng)機(jī)和測(cè)速發(fā)電機(jī)等部分組成。圖 3-1 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性忽略各種非線性因素，各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性；工作在V-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；忽略直流電源和電位器的等效電阻。這樣，圖3-1 所示單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系為：電壓比較環(huán)節(jié)：U

29、nU n * U n ，放大器： U cK P U n ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： U d 0K sU c ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：U d 0K sU c ，V-M 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)U d 0I d RnCe，測(cè)速發(fā)電機(jī)： U nn械特性：以上各關(guān)系式中：K p 放大器的電壓放大系數(shù)；Ks 晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的等效電壓放大倍數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，單位為Vminr ；Ce 電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)；根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系可以畫(huà)出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2 所示。圖 3-2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中各方塊中的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)，或稱傳遞系數(shù)。 運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖的計(jì)算方法，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單

30、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：K p K sU n *RI d(3.1)n=-Ce(1 K )Ce(1K )式中 , KK p K S/ Ce 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系(倍)數(shù)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性： 閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流(或轉(zhuǎn)矩 )的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，因此稱為“靜特性 ”，以示區(qū)別。(2) 從前面對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K 值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。K 越大，穩(wěn)態(tài)速降越小，靜特性就越硬，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越寬。但是，當(dāng)放大器只是比例放大器(Kp 為常數(shù) )，穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除，因?yàn)閚c1RI

31、 d(3.2)Ce (1K )只有當(dāng) K=才能使nc10 ，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)。這種系統(tǒng)正是依靠偏差來(lái)保證實(shí)現(xiàn)控制作用的。3.3 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)：圖 3-3 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖 3-3 可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是W(s)=K（3.3）(Tss 1)(TmTl s2Tm s 1)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為：TmTl Ts s3 +Tm (TlTs ) s2 + TmTs s +1=0（3.4）1 K1 K1K根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯 -古爾維茨判據(jù)穩(wěn)定條件就只有：Tm (TlT

32、s ) - TmTs -TmTl Ts >0，整理后得1 K1K1 KTm (TlTs ) Ts2K<(3.5）Tl Ts式（ 3.5）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) K cr,當(dāng) K K cr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。3.4 單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)上面介紹的采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其控制作用需要用偏差來(lái)維持，屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，只能設(shè)法減少靜差，無(wú)法從根本上消除靜差。對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差。采用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠

33、的穩(wěn)定裕量。將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器之后，不僅改善了動(dòng)態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。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。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。從無(wú)靜差的角度看積分控制優(yōu)于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)就行了，這便是比例積分控制。PI 調(diào)節(jié)器如果

34、既要穩(wěn)態(tài)精度高， 又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快， 只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)就行了，這便是比例積分控制。 在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，線路如圖 3-4 所示。圖 3-4 比例積分（ PI ）調(diào)節(jié)器1 PI 輸入輸出關(guān)系按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得U exR1U in11U in dt（3.6）R0U in dtK pi U inR0 C1式中 K piRi 為 PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；R0 C1 為 PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常R0數(shù)。由此可見(jiàn)， PI 調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。2. PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式（3.6）兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)

35、后，得PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。Wpi (s)U ex( s)1K pi s1（3.7）K pissU in (s)令 ，則傳遞函數(shù)也可以寫(xiě)成如下形式1= K pi =R1C1Wpi ( s)1s 11 s1(3.8)K pi1 ss式 3.8 表明， PI 調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)來(lái)表示，1 是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)，它和積分時(shí)間常數(shù)的物理意義是不同的。第 4 章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及特性和設(shè)計(jì)4.1 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的問(wèn)題的提出反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)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)調(diào)

36、速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流I dcr 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 4-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。實(shí)際工作中 ,在電機(jī)最大電流 (轉(zhuǎn)矩 )受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流 (轉(zhuǎn)矩 )為允許最大值，使

37、電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖 4-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值I dm 的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律， 采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋， 而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端

38、，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)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(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。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(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程(b) 理想快速起動(dòng)過(guò)程圖 4-1 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖 4.2，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、單相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。在啟動(dòng)時(shí)，加入給定電壓U* n， “速度調(diào)節(jié)器(ASR)”，和 “電流調(diào)節(jié)器 (ACR)”，以飽和限幅值限幅值輸出，使得電動(dòng)機(jī)以限定的最大啟動(dòng)電流加速啟動(dòng)，直到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，并在出現(xiàn)超調(diào)后，ASR 和 ACR 退出飽和，最后穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。在調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)，要先給電動(dòng)機(jī)加勵(lì)磁， ASR 的輸出作為 ACR 的輸入，