直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、裝訂線長(zhǎng) 春 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)紙目錄1 緒 論11.1課題研究背景11.2研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義12 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)32.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速32.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)32.2.1靜態(tài)性能指標(biāo)32.2.2動(dòng)態(tài)的性能指標(biāo)42.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成63 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)83.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)83.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)103.3閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)123.4設(shè)計(jì)實(shí)例123.4.1設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器133.4.2設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器154.Matlab仿真174.1仿真結(jié)果分析195 結(jié) 論20參考文獻(xiàn)211 緒 論1.1課題研究背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中

2、發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，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，軍工等行業(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)作原動(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。以上等等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、性能相對(duì)穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù)，在實(shí)際的拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于電機(jī)本身及拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)并不像模型那樣保持不變，而是在某些具體場(chǎng)合會(huì)隨工況發(fā)生改變；與此同時(shí)，電機(jī)作為被控對(duì)象是非線性的，很多拖動(dòng)負(fù)載含有間隙或彈性等非線性的因素

3、。因此被控制對(duì)象的參數(shù)發(fā)生改變或非線性特性，使得線性的常參數(shù)的PID控制器往往顧此失彼，不能使得系統(tǒng)在各種工況下都保持與設(shè)計(jì)時(shí)一致的性能指標(biāo)，常常使控制系統(tǒng)的魯棒性較差，尤其對(duì)模型參數(shù)變化范圍大且具的非線性環(huán)節(jié)較強(qiáng)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器就很難滿足精度高、響應(yīng)快的控制指標(biāo)，往往不能有效克服模型參數(shù)變化范圍大及非線性因素的影響。1.2研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義雙閉環(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)。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。此系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 20世紀(jì)90年代前的大約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎

4、是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。通過對(duì)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(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對(duì)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(chǎng)合，提

5、高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在過去，人們感到自動(dòng)控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應(yīng)用方面卻不盡人意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要?dú)w功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運(yùn)算得以實(shí)時(shí)完成。第二是在辨識(shí)，參數(shù)估值以及控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，應(yīng)用

6、MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。2 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速（1）直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)接通電源以后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程。直流電機(jī)的起動(dòng)條件應(yīng)滿足以下原則：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)電流限制在安全范圍以內(nèi)；起動(dòng)設(shè)備投資要經(jīng)濟(jì)適用，設(shè)備運(yùn)行要安全可靠，起動(dòng)時(shí)間要短。（2）直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié) 改變電樞供電電壓U 減弱勵(lì)磁磁通 改變電樞回路電阻R從以上三種方法的介紹中可知，對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。變電阻只可以實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；弱磁調(diào)速雖然可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但它可調(diào)節(jié)的

7、范圍不太大，經(jīng)常要和調(diào)壓方式配合，在額定轉(zhuǎn)速以上可作較小范圍的弱磁升速。因此，調(diào)壓調(diào)速為自動(dòng)控制系統(tǒng)主要調(diào)速方式，本論文正是采用此方法來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動(dòng)自動(dòng)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(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力?？箶_動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響。2.2.1靜態(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)在額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，提供的最高運(yùn)

8、轉(zhuǎn)速度與最低運(yùn)轉(zhuǎn)速度之比，稱為調(diào)速范圍，用符號(hào)D表示，即 （2-6）（2）靜差率當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)從理想空載轉(zhuǎn)速至額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降落了與理想空載轉(zhuǎn)速之比，叫做靜差率s，即 （2-7）用百分?jǐn)?shù)可表示為 （2-8）由以上可知，靜差率能反映拖動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)調(diào)速的穩(wěn)定性。它與機(jī)械特性的硬度有關(guān)，機(jī)械特性越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度就越高。但是靜差率與特性硬度又是不同的。變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速的情況下機(jī)械特性是相互平行的，對(duì)于相同硬度的機(jī)械特性，理想空載時(shí)轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大，轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定度也越差。由此可見，調(diào)速范圍與靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系不是相互獨(dú)立的，它們必須一起被提

9、出時(shí)才有意義。若調(diào)速的額定速降一樣，則運(yùn)轉(zhuǎn)的越慢，靜差率就越大。在低速的情況下，如果靜差率能符合設(shè)計(jì)要求，那么靜差率在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就更能滿足要求了。所以，在調(diào)速系統(tǒng)中，靜差率指標(biāo)的基準(zhǔn)就是最低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能達(dá)到的參數(shù)。2.2.2動(dòng)態(tài)的性能指標(biāo)拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的性能指標(biāo)是生產(chǎn)工藝流程要求對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求經(jīng)折算與量化后得到的。在自動(dòng)化系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指跟蹤給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和抗擾動(dòng)信號(hào)的魯棒性能指標(biāo)。（1）系統(tǒng)跟隨性指標(biāo)在參考輸入信號(hào)R(t)的作用下，跟隨性能指標(biāo)可用來描述系統(tǒng)輸出量C(t)的變化。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，在階躍變化下的過渡過

10、程中給定信號(hào)作為典型的跟隨過程，這時(shí)的動(dòng)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(dá)到的時(shí)間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間：上升時(shí)間在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時(shí)間稱為階躍響應(yīng)的上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖2-4。圖2-1 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)超調(diào)量在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，超調(diào)量輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示： （2-10）調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢的衡量可以用調(diào)節(jié)時(shí)間來衡量。在原則上，應(yīng)該是從階躍變化開始到輸出量完全穩(wěn)定下來為

11、止所需的時(shí)間。在線性控制系統(tǒng)中，理論上才是真正的穩(wěn)定，然而在實(shí)際系統(tǒng)中，因?yàn)楦鞣N非線性因素的存在，過渡過程到一定時(shí)間就終止了。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取(或取)的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，可見圖2-4。（2）抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo)控制系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程作為典型的抗擾過程，并定義抗擾動(dòng)能力動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如圖2-5所示。常用的抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間：動(dòng)態(tài)降落系統(tǒng)在穩(wěn)定條件下運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速降落的最大值叫做動(dòng)態(tài)降落，常用與輸出量的原穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)來

12、表示（或用某基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)來表示）。在動(dòng)態(tài)降落后輸出量逐漸恢復(fù)，達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值，是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。一般情況下，動(dòng)態(tài)降落大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)在突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落叫做動(dòng)態(tài)降落?；謴?fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)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(jìn)入某基準(zhǔn)量的(或取)范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，其中稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。 圖2-2 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器

13、，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，并引入轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋。在二兩者中采用嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖2-6所示。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器UPE。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，電流環(huán)在里邊，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這樣就構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。圖2-3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器 轉(zhuǎn)速給定電壓轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)，每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。工程設(shè)計(jì)方法遵循先內(nèi)

14、環(huán)后外環(huán)的原則。步驟為：先設(shè)計(jì)電流環(huán)（內(nèi)環(huán)），對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后依照電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一種典型系統(tǒng)，再根據(jù)控制對(duì)象確定其調(diào)節(jié)器的類型，最后根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求來確定其調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成以后，把電流環(huán)看成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。在電流檢測(cè)信號(hào)中常有交流分量，為了不讓它影響調(diào)節(jié)器的輸入，加入了低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié)可以使反饋信號(hào)延遲，為了消除此延遲在給定位置加一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。同理，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓常含有換向紋波，因此也在給定和反饋環(huán)節(jié)加入濾波環(huán)節(jié)。由此，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3

15、-1所示：圖3-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)圖3-3點(diǎn)畫線框內(nèi)的為電流環(huán)，反電動(dòng)勢(shì)對(duì)于電流環(huán)是一個(gè)改變緩慢的干擾，當(dāng)電流的突然變化時(shí)，可以認(rèn)為。這樣，依據(jù)動(dòng)態(tài)性能來設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫時(shí)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。不考慮電機(jī)電樞反感電動(dòng)勢(shì)，對(duì)電流環(huán)干擾的條件是 （3-4）式中 電流環(huán)開環(huán)截止頻率。將給定信號(hào)及反饋濾波同時(shí)移至環(huán)內(nèi)前向通道上，再將給定信號(hào)變成，則電流環(huán)將等效為單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。最后，由于一般情況下和都比小得多，從而可當(dāng)作小慣性群近似地看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 （3-5）則電流環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為 （3-6）（2）電

16、流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從靜態(tài)要求上看，希望電流無靜差。從動(dòng)態(tài)要求上看，電樞電流不允許有太大的超調(diào)。因此，電流環(huán)主要以跟隨性能為主，應(yīng)采用典型型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，校正成型系統(tǒng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器要選用PI型的，其傳遞函數(shù)用如下式子表示 （3-7）式中 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)和調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消，選擇 = （3-8）于是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖變成圖3-4所示的典型形式，其中 （3-9） 圖3-2校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上述結(jié)果是在一系列假設(shè)條件下得到的，這些條件是： 電力電子變換器純滯后的近似處理 （3-10） 不考慮反電

17、動(dòng)勢(shì)的變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響 （3-11）電流環(huán)小慣性群的近似處理 （3-12）（3）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由（3-6）得，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為和，而已經(jīng)選定，需要求的只，可依照所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選取。一般情況下，希望電流超調(diào)量為，由表3-2，可選，則 （3-13）再結(jié)合式（3-6）和式（3-7）可得 （3-14）3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可看作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，需要先求其閉環(huán)的傳遞函數(shù)： （3-15）不考慮高次項(xiàng)，可以降低階次近似表示成 （3-16）近似條件式為 （3-17）式中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一環(huán)節(jié)其輸入量

18、為，于是電流環(huán)可在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)等效成 （3-18）（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和電流環(huán)一樣，將轉(zhuǎn)速給定濾波及反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)移入環(huán)內(nèi)，并將給定信號(hào)變?yōu)椋賹蓚€(gè)時(shí)間常數(shù)為和的小慣性環(huán)節(jié)合并在一起，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （3-19）為了既要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，又想滿足好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)要有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)，也使用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)可表示為： （3-20）式中 轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)；轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。這樣，直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 （3-21）令轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為 （3-22）則 （3-23

19、）上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下： （3-24） （3-25）（3）轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器包含和兩個(gè)參數(shù)。依據(jù)典型型系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)關(guān)系，并由式得 （3-26）再據(jù)式，得 （3-27）于是 （3-28）中頻寬h大小的選擇，需由動(dòng)態(tài)性能的要求來決定，因?yàn)閔=5時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短，跟隨性能及抗擾性能適中，所以，一般情況下選擇h=5為好。3.3閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)在電流環(huán)之外，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出作為電流環(huán)的給定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。電流環(huán)控制電動(dòng)機(jī)的電流，輸出整流觸發(fā)裝置的觸發(fā)電壓，可以通過調(diào)節(jié)電流快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)快速加減速。兩個(gè)控制器均采用PI調(diào)節(jié)器，

20、雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3所示。圖3.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.4設(shè)計(jì)實(shí)例某一個(gè)采用三相橋式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，有關(guān)數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)：，電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，允許過載的倍數(shù)；電樞回路的總電阻：；晶閘管裝置的放大系數(shù)：；時(shí)間常數(shù)：電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)；電流的反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)：。要求：（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差； （2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流的超調(diào)量；空載起動(dòng)到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定時(shí)的轉(zhuǎn)速的超調(diào)量。3.4.1設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器1 時(shí)間常數(shù)的確定（1）整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)。設(shè)計(jì)成三相橋式全控整流電路，其平均失控時(shí)間；

21、電樞回路電感；電樞電阻；（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式全控整流電路的每個(gè)波頭時(shí)間為3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms，于是取=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=+=0.0037s。2選擇電流環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)，因此可用比例積分（PI）型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流環(huán)，其傳遞函數(shù)為。校驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)中電源電壓變化的抗擾性能： ，參看表3-1的典型型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性能指標(biāo)，表中給出的各項(xiàng)性能指標(biāo)都是設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以滿足的，因此電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)

22、計(jì)。3電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算電流環(huán)調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。系統(tǒng)電流環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)：要求時(shí)，按表3-2，應(yīng)取，因此；于是，電流環(huán)ACR的比例放大系數(shù)為：。4電流環(huán)似條件的校驗(yàn)電流環(huán)頻率特性中的截止頻率：。(1)校驗(yàn)晶閘管三相全控橋式整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足要求；(2)校驗(yàn)不考慮反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能影響的條件 滿足要求；(3)校驗(yàn)電流環(huán)內(nèi)的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)的近似條件 滿足要求。根據(jù)上述參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為（見表3-2），滿足設(shè)計(jì)要求。3.4.2設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1時(shí)間常數(shù)的確定 （1）電流環(huán)的等效電路動(dòng)態(tài)過程時(shí)間常數(shù)。已取，則。 （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)取。 （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。

23、依據(jù)小時(shí)間常數(shù)的近似處理，取。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇由于設(shè)計(jì)時(shí)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器要含有積分環(huán)節(jié)；又按照動(dòng)態(tài)性能要求，應(yīng)按型系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速環(huán)。也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示成3轉(zhuǎn)速環(huán)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算根據(jù)跟隨性能和抗擾動(dòng)動(dòng)態(tài)性能同時(shí)滿足的原則，取h=5，于是轉(zhuǎn)速環(huán)的超前時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益于是，可得轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器（ASR）的比例系數(shù)為4近似條件的校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性中的截止時(shí)的頻率為(1)電流環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化條件為 滿足條件；(2)轉(zhuǎn)速環(huán)較小的時(shí)間常數(shù)的近似條件為 滿足條件。5轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校核當(dāng)h=5時(shí)，查表3-3得，不能滿足設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算。

24、由，求出。取h=5，查表3-4得，而因此，即h=5，能滿足設(shè)計(jì)的要求。第 21 頁 共 21 頁4.Matlab仿真根據(jù)理論設(shè)計(jì)結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖4-1所示：圖4-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型為了使系統(tǒng)模型更簡(jiǎn)潔，利用了Simulink的打包功能將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個(gè)分支模塊，如圖4-2(a)、(b)所示： （a） （b）圖4-2 （a）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR （b）電流調(diào)節(jié)器ACR運(yùn)行已構(gòu)建好的Simulink直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模塊，在空載、滿載和擾動(dòng)下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流的仿真波形分別如圖4-3、4-4、4-5所示： 圖4-3轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動(dòng)波形

25、圖圖4-4轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖 圖4-5 t=1s時(shí)加入負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖4.1仿真結(jié)果分析根據(jù)以上仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析：（1）上升時(shí)間：上升時(shí)間為0.3622s，響應(yīng)時(shí)間較快。（2）超調(diào)量：。超調(diào)量滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性較好。（3）調(diào)節(jié)時(shí)間：系統(tǒng)再1.167s以后就達(dá)到了穩(wěn)定，穩(wěn)定后基本上無靜差，系統(tǒng)較穩(wěn)定。（4）峰值時(shí)間：該時(shí)間約為0.4079s，系統(tǒng)的瞬間響應(yīng)較快。（5）在系統(tǒng)穩(wěn)定后1s時(shí)突加額定負(fù)載，系統(tǒng)僅用0.18s時(shí)間又恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定抗擾性良好。5 結(jié) 論本文對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)行了研究從直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速原理出發(fā)，引入本論文