單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名院系名稱專業(yè)名稱電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)級(jí) 學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師完成時(shí)間 年月 日單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真內(nèi)容摘要：在對(duì)調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，如果直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。 通過(guò)對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真

2、進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能 穩(wěn)定性開(kāi)環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋靜差The design and simulation of Single loop dc speed control systemAbstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision,

3、but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator.Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regula

4、tor which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop sys

5、tem, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation.Keywords:steady-statebehaviourstability open loop Close-loop feedb

6、ack offset目錄1緒 論111.2 MATLAB簡(jiǎn)介12 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介22.1 VM系統(tǒng)簡(jiǎn)介223452.5.1 比例放大器52.5.2 比例積分放大器5額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)7883 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真1010103.1.2 參數(shù)計(jì)算10111112123.2.4 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的判斷，校正和仿真13153.3.1 PI串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)1517181819191919參考文獻(xiàn)23致謝241緒 論直流調(diào)速系統(tǒng)概述從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最

7、基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。相比于交流調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟。直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的電力電子技術(shù)，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，樓宇、辦公、家庭自動(dòng)化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，使人類社會(huì)生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大的變化。隨著新型電力電子器件的研究和開(kāi)發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子和電力拖動(dòng)控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化的影響將越來(lái)越大。MATLAB簡(jiǎn)介在1980年前后，美國(guó)的Cleve博士在New Mexico大學(xué)講

8、授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便，便構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實(shí)驗(yàn)室），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)在該大學(xué)進(jìn)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(yùn)算變得異常容易。MATLABSGI由美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(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。本文通過(guò)對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘

9、管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析，比較開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。2 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1 VM系統(tǒng)簡(jiǎn)介晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)），其簡(jiǎn)單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT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。缺點(diǎn)：1由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。2元件對(duì)過(guò)

10、電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)有足夠的余量。圖1 VM系統(tǒng)2.2轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(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)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(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所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即靜差率用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。 調(diào)速范圍和

11、靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的必須同時(shí)提才有意義。脫離了對(duì)靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過(guò)來(lái)，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。3調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差，即于是，而調(diào)速范圍為將上面的式代入，得上式即為調(diào)速范圍、靜差和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是s越小，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。2.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖。圖2 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)1忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都是線性的；2假定只工作在VM系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；3忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流與觸發(fā)裝置：VM系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性：測(cè)速發(fā)電機(jī)：放大器的電壓放大系數(shù)；晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；測(cè)速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r;因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫(huà)出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示：圖3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4反饋控制規(guī)律從上面分析可

13、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)定性影響很大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣?？傊甂越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有K=才能使，而這是不可能的。2.5主要部件2.5.1 比例放大器 運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖4，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響 放大系數(shù)為圖4 P調(diào)節(jié)器原理圖圖5 P調(diào)節(jié)器輸出特性2.5.2 比例積分放大器在定性分析控制系統(tǒng)的性能時(shí)，通常將伯德圖分成高、中、低

14、三個(gè)頻段，頻段的界限是大致的。圖6為一種典型伯德圖的對(duì)數(shù)幅頻特性。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對(duì)快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器。采用運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)器如圖7。圖6典型控制系統(tǒng)的伯德圖 圖7 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。此傳遞函數(shù)也可以寫(xiě)成如下的形式式中PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征有以下四個(gè)方面：1.中頻段以 -20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；2.截止頻率越高，則系統(tǒng)的快速性越好；3.頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差

15、率小，調(diào)速范圍寬）；4.頻段衰減得越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強(qiáng)。用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)是相角裕度和以分貝表示的幅值裕度Lg。穩(wěn)定裕度能間接的反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著振蕩弱、超調(diào)小。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性如圖8：圖8 階躍輸入時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出特性圖9 PI校正裝置在原始系統(tǒng)上添加部分的對(duì)數(shù)幅頻特性將P調(diào)節(jié)器換成PI調(diào)節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖9所示。 由圖8可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時(shí)，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用。但是小于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)所要求的

16、比例放大系數(shù)的，因?yàn)榭焖傩员粔旱土?，換來(lái)穩(wěn)定性的保證。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求；作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)（主電路，假定電流連續(xù)）（額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）（牛頓動(dòng)力學(xué)定律，忽略粘性摩擦）（額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩）式中 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪力矩，單位為；電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時(shí)間常數(shù)：電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，單位為s；電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，單位為；得電壓與電流間的傳遞函數(shù)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如

17、下：圖10 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.6穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為穩(wěn)定條件為整理后得上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系統(tǒng)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。根據(jù)上面的分析可知，可能出現(xiàn)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的比放大系數(shù)小，不能同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度。為此必須再設(shè)計(jì)合適的校正裝置，以改造系統(tǒng)，才能達(dá)到要求。2.7穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1.比例控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖11。當(dāng)時(shí)，只擾動(dòng)輸入量，這時(shí)的輸出量即為負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差n，可將動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖改畫(huà)的形式如圖12。圖11采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差 圖12 給定

18、為0時(shí)采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的一般情況 閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差：這和靜特性分析的結(jié)果是完全一致的。2.積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差將圖12比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器如圖13突加負(fù)載時(shí)，于是負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為可見(jiàn)，積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差的。3.比例積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差用比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖14。圖13給定為0時(shí)采用積分調(diào)節(jié)器圖圖14 給定為0時(shí)采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)圖則穩(wěn)態(tài)速差為因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。4.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系上述分析表明，就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來(lái)說(shuō)，比例控

19、制系統(tǒng)有靜差，而積分控制和比例積分控制系統(tǒng)都沒(méi)有靜差。顯然，只要調(diào)節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是無(wú)靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，則外擾動(dòng)便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真3.1參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算3參數(shù)給出1.電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW,220V,52A,1460r/min,電樞電阻，飛輪力矩GD2=10Nm2。2.晶閘管裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次電壓=230V，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)=40。3.VM系統(tǒng)主電路總電阻4.測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，ZYS231/110型；額定數(shù)據(jù)為23.1W,110V,0.18A,1800r/min

20、。5.生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s5%. 參數(shù)計(jì)算根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計(jì)算參數(shù)如下：1.為了滿足D=10，s5%，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為2.根據(jù)，求出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)式中3.計(jì)算測(cè)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和參數(shù) 測(cè)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比和電位器的分壓系數(shù)，即=根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，試取，如測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速成1460r/min下，反饋電壓為相應(yīng)的最大給定電壓約需用18V。若直流穩(wěn)壓電源為±20V，可以滿足需要，因此所取的值是合適的。于是，測(cè)速反饋系數(shù)為電位器的選擇方法如下：考慮測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的確

21、20%，這樣，測(cè)速機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線性度影響較小，于是此時(shí)所消耗的功率為為了使電位器溫度不是很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故選為10W，3k的可調(diào)電位器。4.計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)實(shí)取按運(yùn)算放大器參數(shù)，取則5.反饋電壓3.2有靜差調(diào)速系統(tǒng)3.2.1有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(如圖3),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉(zhuǎn)速給定電壓，ramp模塊作為負(fù)載擾動(dòng)，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號(hào)綜合點(diǎn)，最后加上示波器。由此建立有靜差調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真（注意：在接線

22、時(shí)，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，提示顏色為紅色）。圖15有靜差調(diào)速系統(tǒng)3.2.2主要元件的參數(shù)設(shè)置1.轉(zhuǎn)速給定電壓由于觸發(fā)裝置GT的控制電壓是由給定電壓和反饋電壓的差經(jīng)過(guò)放大器后產(chǎn)生的，所以二者的差不會(huì)很大，于是取，即常量值（constant value）設(shè)為18。采用斜坡函數(shù)，并加上staturation模塊作為限幅。在電路圖的Simulink 菜單選項(xiàng)中，選擇Simulintion Parameter 中。對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：Start time:0.1; stop time:2.03.2.3仿真結(jié)果及分析1.Kp的值不同時(shí)其輸出特性如圖16所示，a)為，b）為。(1）(2）圖16有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)

23、態(tài)特性上圖轉(zhuǎn)速 下圖負(fù)載電流(1)圖中轉(zhuǎn)速為1449.75r/min，隨著負(fù)載電流的增加，轉(zhuǎn)速有所下降，在0.63s時(shí)，電流達(dá)到額定值52A，這時(shí)的轉(zhuǎn)速降為1442.5r/min，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降為n=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min。(2)圖中為時(shí)系統(tǒng)的特性，從轉(zhuǎn)速曲線可以看到，隨著放大倍數(shù)的增加，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降減小，靜特性的硬度增加，抗負(fù)載能力提高。2.不同給定值下系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)特性，如圖17。(1）為，轉(zhuǎn)速降為2.5r/min=7.25r/min。(2)為,轉(zhuǎn)速降為n=14-14r/min=r/min。通過(guò)對(duì)比可以得出，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的跟隨特性。(1

24、）(2）圖17有靜差調(diào)速系統(tǒng)不同給定作用時(shí)的穩(wěn)態(tài)輸出特性3.2.4動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的判斷，校正和仿真按保證最小電流時(shí)電流連續(xù)的條件(三相橋式整流電路)計(jì)算電樞回路電感量，由于取L=1818H計(jì)算系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)：電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 電力拖動(dòng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 失控時(shí)間常數(shù) 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有代入具體數(shù)值并計(jì)算后得K<12,滿足K>60.1，穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性在這里不矛盾。下面從原始系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性來(lái)分析研究閉環(huán)傳遞函數(shù)在一般情況下，因此項(xiàng)有兩個(gè)負(fù)實(shí)根，令其為和。也就是說(shuō)，可將該項(xiàng)分解為兩個(gè)因式于是開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)變成，在這里，是成立的。代入上式并分解因式，得根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算的結(jié)果

25、，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)已取為于是閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為相應(yīng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻及相頻特性如圖，其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為利用margin命令函數(shù)n1=0 62.53;d1=0.174 1;s1=tf(n1,d1);n2=0 1;d2=0.016 1;s2=tf(n2,d2);n3=0 1;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的頻率特性如圖18：圖18原始系統(tǒng)的伯德圖由圖可見(jiàn)，相角裕度=deg，幅值增益裕度，都是正值，所以閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)3.3.1 PI串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)如下。根據(jù)原始系統(tǒng)

26、對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性圖可知：因此 代入數(shù)據(jù)，得按上述方法，取，并使，取，在特性上查得相應(yīng)的，因而。從圖上看出已知，因此而 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。已知，則，取。,取,驗(yàn)證晶間管和整流裝置的傳遞函數(shù)是否滿足近似成一階慣性環(huán)節(jié)的條件，這個(gè)條件是：?，F(xiàn)在，校正后系統(tǒng)的截止頻率，而顯然，上述近似條件是成立的，設(shè)計(jì)有效。根據(jù)上述分析，加上PI校正后整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：代入數(shù)據(jù)得圖19校正后的伯德圖從圖可知，GM=24dB和=56.5deg都是正值，系統(tǒng)穩(wěn)定。圖20閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正(1)原始系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性 (2)校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性 (3)

27、校正后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性從圖20的對(duì)比中可以看出：校正后的系統(tǒng)的仰臥頻段的斜率變陡，說(shuō)明校正后的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變好了（即靜差率變?。?；校正后的截止頻率變小了，說(shuō)明PI校正犧牲了系統(tǒng)的快速性。3.3.2無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型從上面的分析可以知，只要系統(tǒng)中含有積分環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)就是無(wú)靜差的。無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖21，仿真模型如圖22。圖21無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(如圖21),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉(zhuǎn)速給定電壓，ramp模塊作為負(fù)載擾動(dòng)，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號(hào)綜合點(diǎn)，integ

28、rator模塊作為積分器，最后加上示波器。由此建立有靜差調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 圖22無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真模型3.3.3主要元件的參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速給定電壓、負(fù)載擾動(dòng)、限幅值、傳遞函數(shù)、信號(hào)綜合點(diǎn)等模塊的參數(shù)設(shè)置與有靜差調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置相同。將有靜差調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)中的Kp比例環(huán)節(jié)換成積分環(huán)節(jié)，參數(shù)設(shè)置：分子為0.174 1,分母為0.385 0。stop time為3.0。3.3.4仿真結(jié)果及分析（1）其中給定為18V，給定和負(fù)載同時(shí)作用時(shí)的輸出波形如圖23所示圖23有靜差調(diào)速系統(tǒng)給定和負(fù)載 圖24無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)給定和負(fù)載同時(shí)作用時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性同時(shí)作用時(shí)的

29、穩(wěn)態(tài)特性與有靜差調(diào)速系統(tǒng)輸出波形圖相比較可知，加入無(wú)積分環(huán)節(jié)后，波形變得平滑了。和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖25所示，將前述靜態(tài)比例環(huán)節(jié)Ks換為。圖25 采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖仿真模型如圖26，其中微分環(huán)節(jié)的設(shè)置如圖所示。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(如圖25),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉(zhuǎn)速給定電壓，ramp模塊作為負(fù)載擾動(dòng)，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號(hào)綜合點(diǎn)，Derivative模塊作為微分器，最后加上示波器。由此建立有靜差調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用MAT

30、LAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖26為添加恒定負(fù)載時(shí)的仿真模型。圖26 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)添加恒定負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)仿真模型3.4.2參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速給定電壓、負(fù)載擾動(dòng)、傳遞函數(shù)、信號(hào)綜合點(diǎn)等模塊的參數(shù)設(shè)置與有靜差調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置相同。其它參數(shù)設(shè)置如圖所示。3.4.3仿真結(jié)果及分析27為給定電壓時(shí)的輸出特性。圖28為給定電壓時(shí)的輸出特性。圖27有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)給定作為圖28有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)給定作為時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出特性時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出特性27和圖28中可以看出有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速對(duì)于給定電壓具有很好跟隨性，給定電壓越大，最終轉(zhuǎn)速越高。且動(dòng)態(tài)模型中，轉(zhuǎn)速會(huì)慢慢趨于穩(wěn)定。3., 時(shí)的轉(zhuǎn)速輸出如圖29所示。此時(shí)仿真參數(shù)s

31、top time 設(shè)為1.0s。從圖中可以看出，速度趨于穩(wěn)定的時(shí)間約為s。但是當(dāng)Kp增大到40時(shí)，波形變得發(fā)散，說(shuō)明Kp不能一直增大，否則會(huì)變得不穩(wěn)定。圖29給定為18V額定電流下的有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性4. 圖30為用Ramp模塊加上staturation模塊限幅作為負(fù)載擾動(dòng)。圖30 給定為階躍函數(shù)時(shí)的有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)5.圖31為給定電壓時(shí)的輸出特性。圖32為給定電壓時(shí)的輸出特性。圖31有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)給定作為 圖32有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)給定作為時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出特性時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出特性6.從圖31和圖32中也可以看出有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速對(duì)于給定電壓具有很好跟隨性，給定電壓越大，最終轉(zhuǎn)速越高。且動(dòng)態(tài)模型中，轉(zhuǎn)速會(huì)慢慢趨于穩(wěn)定。