MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真)

1、 編 號： 審定成績： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：MATLAB仿真軟件在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真）學(xué) 院 名 稱 ：學(xué) 生 姓 名 ：專 業(yè) ：班 級 ：學(xué) 號 ：指 導(dǎo) 教 師 ：答辯組 負(fù)責(zé)人 ：填表時(shí)間： 2010 年 6 月摘 要本文先對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)以及MATLAB軟件進(jìn)行了簡要介紹，并對調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了初步分析。然后著重闡述了兩個(gè)調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模及其參數(shù)的設(shè)置。最后對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹。文中對著重分析了有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性

2、。在有靜差調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將比例放大環(huán)節(jié)換成了比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，利用MATLAB對比例積分調(diào)節(jié)器進(jìn)行了參數(shù)校正，從而消除了靜差。接著介紹了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)的PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)速原理。設(shè)計(jì)過程中，采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的方法對系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合SimPowerSystems工具箱，畫出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并分別對單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)、帶電流截止環(huán)節(jié)的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)以及PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，并做出了分析和比較。結(jié)果證明各環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且系統(tǒng)顯示出良好的調(diào)速性能、抗擾動(dòng)能力等?！?/p>

3、關(guān)鍵詞】直流調(diào)速系統(tǒng) MATLAB 單閉環(huán) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 ABSTRACTFirst and foremost, the article briefly introduced motion-regulating systems, computer simulation technology, automatic speed-regulating system and MATLAB software, and the steady-state and dynamic performance of speed-regulating system carried out a preliminary a

4、nalysis. Besides, it elaborated the model designing and parameter settings of two speed-regulating system which are single close-loop DC speed-regulating system and DC PWM speed-regulating. Last but not least, double-loop DC speed-regulating system was introduced. The article highlighted the princip

5、le of speed feedback speed-regulating system with static error and the characteristics of close-loop control system. Comparing with the speed feedback speed-regulating system with static error, speed feedback speed-regulating system without static error killed the static error by replacing the propo

6、rtion link with proportion integral regulator, in which the Proportion Integral was corrected with the MATLAB software. Further more, the article introduced a DC pulse width modulation speed-regulating system and the principle of DC motor pulse width modulation speed-regulating.In the designing proc

7、ess, it calculated the parameters of each link of the system by the method electric principle diagram and built the math model, and drew a block diagram of the system dynamics. Combining with the SimPowerSystem toolbox, it simulated the single close-loop speed feedback system, the single close-loop

8、speed feedback system with current cutting link and the pulse width modulation speed-regulating system, and debugged them. Whats more, it made a contrast and analysis. The result proved that its parameters of each link met the designing request. Further more, the systems were will in speed-regulatin

9、g performance, anti-disturbance ability and so on.【Key words】DC speed-regulating system MATLAB single close-loop speed feedback 目 錄前 言1第一章 緒論2第一節(jié) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述2一、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其分類2二、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及其應(yīng)用2三、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3第二節(jié) 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)概述4一、直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況4二、交流調(diào)速控制技術(shù)概況4第三節(jié) 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真5一、計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展簡史5二、MATLAB仿真軟件的發(fā)展現(xiàn)狀5第四節(jié) 調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指

10、標(biāo)6一、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)7二、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)9第五節(jié) 本章小結(jié)10第二章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其MATLAB仿真12第一節(jié) 設(shè)計(jì)要求與系統(tǒng)性能指標(biāo)12第二節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)12一、系統(tǒng)的組成和工作原理12二、開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性113第三節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)14一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成14二、反饋控制規(guī)律15三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算17四、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型18五、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的物理模型27六、電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算29七、電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的物理模型31第四節(jié) PWM直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)32一、直流脈

11、寬調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真32第五節(jié) 本章小結(jié)34第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡述35第一節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成35第二節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的特性36一、轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用38第三節(jié) 本章小結(jié)38結(jié) 論39參考文獻(xiàn)40前 言運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要研究的對象之一就是調(diào)速。而調(diào)速從大的方向分，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。到目前為止，直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，長期以來直流調(diào)速系統(tǒng)一直處于壟斷地位。近年來交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展迅速，目前，在很多行業(yè)已經(jīng)取代了直流調(diào)速。但交流調(diào)速技術(shù)還不夠完善，技術(shù)不夠成熟，但相當(dāng)一部分行業(yè)中，直流調(diào)速系統(tǒng)依然得到廣泛應(yīng)用。所以，直流調(diào)速系統(tǒng)依然很有研究價(jià)值。雖然直流調(diào)速

12、系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)完善，但對于很多學(xué)者而言也不是沒有可創(chuàng)新之處。本文主要研究的就是直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)然，限于篇幅和設(shè)計(jì)要求，本文只對直流單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)、帶電流截止直流單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)和PWM（Pulse Width Modulation）直流單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。本文使用的仿真軟件是MATLAB及其Simulink工具箱。當(dāng)今，MATLAB是風(fēng)靡全球的仿真軟件之一，它覆蓋學(xué)科廣，程序編寫簡單，操作界面人性化，易于學(xué)習(xí)。在調(diào)速系統(tǒng)仿真研究中得到廣泛應(yīng)用。本文將主要應(yīng)用MATLAB/Simulink/SimPowerSystem工具箱，利用面向電氣原理圖的方法，對調(diào)速系統(tǒng)

13、進(jìn)行仿真研究，以期得到預(yù)期結(jié)果。當(dāng)然，直流調(diào)速系統(tǒng)不只以上三種，在實(shí)際中應(yīng)用更多的還是雙閉環(huán)及至多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。但它們都是以前述三種調(diào)速系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，本文將在文章末尾用一個(gè)章節(jié)簡短、概括介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于作者學(xué)識有限，在文中如有不當(dāng)之外，請讀者多多指教。第一章 緒論第一節(jié) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述一、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類繁多，用途各異1。1 按被控物

14、理量分。以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)叫調(diào)速系統(tǒng)；以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)叫位置隨動(dòng)系統(tǒng)，有時(shí)也叫伺服系統(tǒng)。2 按驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型分。用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的為直流傳動(dòng)系統(tǒng)；用交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。3 按控制器的類型分。以模擬電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)稱為模擬控制系統(tǒng)；以數(shù)字電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。二、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及其應(yīng)用縱觀運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交、直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使它們所處的地位、所起的作用不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，在相互競爭、相互促進(jìn)中，不斷完善并發(fā)生著變化。由

15、于歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)，所以19世紀(jì)80年代以前，直流電氣傳動(dòng)是惟一的電氣傳動(dòng)方式。直到19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)，且解決了三相交流電的輸送和分配問題，并制成了經(jīng)濟(jì)適用的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，才使交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)那過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來

16、，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)的快速性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，然而由于直流電機(jī)具有電刷和換向器，制造工藝復(fù)雜且成本高，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受到限制等缺點(diǎn)，并且很難向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量發(fā)展，因而逐漸顯示出直流調(diào)速的弱點(diǎn)。普遍應(yīng)用于恒速運(yùn)行場合的交流電機(jī)，可以彌補(bǔ)直流電機(jī)的不足，于是人們又開始了新一輪的交流調(diào)速的研究。僅對占傳動(dòng)總量1/3強(qiáng)的風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可以節(jié)電30%左右。近三四十年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流調(diào)速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件

17、，使交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等技術(shù)性能，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，人調(diào)速性能看，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。目前交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位1。三、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢歸納目前大量應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并對技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求進(jìn)行全面分析之后，我們可以總結(jié)出下列發(fā)展趨勢1：1 高頻化。在功率驅(qū)動(dòng)裝置中、低頻的半控器件晶閘管在中小功率范圍將會被高頻的全控器件大功率晶體管所代替，這既可提高系統(tǒng)性能，又可以改善電網(wǎng)的功率因素。2 交流化。由于交流電機(jī)本身的優(yōu)勢，交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。隨著交流調(diào)速系統(tǒng)成本的逐步降低，不僅現(xiàn)在的直

18、流調(diào)速系統(tǒng)將被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代；而且，大量恒速運(yùn)行的交流傳動(dòng)系統(tǒng)將改為交流調(diào)速系統(tǒng)，原來直流調(diào)速所不能達(dá)到的高轉(zhuǎn)速、大功率領(lǐng)域，也將采用交流速系統(tǒng)。3 網(wǎng)絡(luò)化。微處理器的發(fā)展，使數(shù)字控制器簡單而又靈活，同時(shí)為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，單機(jī)的控制系統(tǒng)越來越少，取而代之的是大規(guī)模多機(jī)協(xié)同工作的高度自動(dòng)化系統(tǒng)，這就需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動(dòng)設(shè)備及控制器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)連到現(xiàn)場總路線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)集中分散的生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、解耦控制等，已深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，各種觀測器和辨識技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，

19、大大改善了控制系統(tǒng)的性能，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)走向復(fù)雜的多層的網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正由簡單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。第二節(jié) 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)概述運(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)，在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。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)。本文將對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)詳細(xì)闡述并進(jìn)行仿真研究。一、直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能。在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。按供電方式不同，它

20、可分為交流拖動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)組供電、水銀整流器供電和晶閘管供電三類。目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面1：1 提高調(diào)速系統(tǒng)的單機(jī)容量；2 提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊；3 提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷及自復(fù)原等多種功能。二、交流調(diào)速控制技術(shù)概況交流電動(dòng)機(jī)自1885年出現(xiàn)后，由于一直沒有理想的調(diào)速方案，因而只被應(yīng)用于恒速拖動(dòng)領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代后，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無速度傳感器等交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，各種智能控制策略不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，必將進(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展1。第三節(jié) 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真一、

21、計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展簡史控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新型學(xué)科。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)楦鞣N實(shí)驗(yàn)提供方便、廉價(jià)、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。因此，凡是要用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，幾乎都可以用計(jì)算機(jī)仿真來研究被仿真系統(tǒng)的工作特點(diǎn)、選擇最佳參數(shù)和設(shè)計(jì)最合理的系統(tǒng)方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真越來越多地取代純物理仿真，它為控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算、研究、綜合設(shè)計(jì)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)提供了快速、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)及有效的手段。在控制系統(tǒng)計(jì)

22、算機(jī)仿真初期，往往需要仿真技術(shù)人員自己用BASIC等語言去編寫數(shù)值計(jì)算程序。例如，如果想求系統(tǒng)的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制階躍響應(yīng)曲線，則首先需要編寫一個(gè)求解微分方程的子程序，然后將原系統(tǒng)模型輸入給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)求出階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，然后再編寫一個(gè)畫圖的子程序，將所得的數(shù)據(jù)以曲線的方式繪制出來。顯然，求解這樣簡單的問題需要花費(fèi)很多時(shí)間，并且由于沒有納入規(guī)范，往往不能保證求解結(jié)果的正確性。于是，人們開始尋求更加快捷簡單的計(jì)算機(jī)仿真方法。目前，比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱

23、對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。本文將采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用SimPowerSystem工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的方法。其中主要對單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真12。二、MATLAB仿真軟件的發(fā)展現(xiàn)狀MATLAB的產(chǎn)生是與數(shù)學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系在一起的。1980年，美國新墨西哥州大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任Cleve Moler在給學(xué)生講授線性代數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在高級語言編程上花費(fèi)很多時(shí)間，于是著手編寫供學(xué)生使用的FORTRAN子程序庫接口程序，他將這個(gè)接口程序取名為MATLAB。從此，MATLAB軟件開始形成，并隨著工業(yè)的發(fā)展，不斷的完善。自1984年MathWorks公司推出以來，MATLAB

24、以驚人的速度應(yīng)用于自動(dòng)化、汽車、電子、儀器儀表和通訊等領(lǐng)域與行業(yè)?，F(xiàn)在MATLAB已經(jīng)能在功能上完成很多不同系統(tǒng)的仿真，并不斷向其它行業(yè)發(fā)展。在研究單位和工業(yè)界，MATLAB也成為工程師們必須掌握的一種工具，被認(rèn)作進(jìn)行高效研究與開發(fā)的首選軟件。MATLAB是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的高級計(jì)算機(jī)語言,現(xiàn)已成為國際科技界公認(rèn)的最優(yōu)秀的應(yīng)用軟件之一，在世界范圍內(nèi)廣為流行和使用。它是一種集數(shù)學(xué)計(jì)算、分析、可視化、算法開發(fā)與發(fā)布等于一體的軟件平臺，通過MATLAB及其相關(guān)工具箱，可以在統(tǒng)一的平臺下完成相應(yīng)的科學(xué)計(jì)算工作。Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與

25、MATLAB語言的主要區(qū)別在于：它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入的，從而使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語言的編寫上。所謂的模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的基本系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入、輸出及模塊的功能，而不必考慮模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的使用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析2。第四節(jié) 調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)不同的生產(chǎn)機(jī)械，因生產(chǎn)工藝的不同，對控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也有所不同，歸納起來有下列三個(gè)方面3：1 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，有級或

26、無級地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2 穩(wěn)速。以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，不因各種可能的外來振動(dòng)（負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等）而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。3 加、減速控制。對頻繁啟、制動(dòng)的設(shè)備要求盡可能快地加、減速，縮短啟、制動(dòng)時(shí)間，以提高生產(chǎn)效率；對不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械，則要求啟，制動(dòng)盡可能的平穩(wěn)。上述三方面要注，可具體轉(zhuǎn)化為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面的性能指標(biāo)。一、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)所謂穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)是指系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)，如調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的調(diào)速范圍和靜差率等。下面具體介紹調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。1、調(diào)速范圍交直流調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下，運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速

27、之比，用表示，即 (1.1)對于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來說，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速等于其額定轉(zhuǎn)速。越大，說明系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，如磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速來定義調(diào)速范圍。根據(jù)這個(gè)指標(biāo)的大小，交直流調(diào)速控制系統(tǒng)可分為： ，為調(diào)速范圍小的系統(tǒng)； ，為調(diào)速范圍中等的系統(tǒng)； ，為寬調(diào)速范圍的系統(tǒng)。目前交直流調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以做到。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轉(zhuǎn)速引起的額定轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，有表示，即 (1.2)或用百分?jǐn)?shù)表示 (1.3)靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度，它與機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差

28、率越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度越高。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。圖1.1的兩條特性a和b為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性，兩者的硬度相同，即額定速降；但它們的靜差率卻不同，其原因是理想空載轉(zhuǎn)速不同。根據(jù)式 (1.3) 的定義，由于，所以。這就是說，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也越差。在一個(gè)交直流調(diào)速系統(tǒng)中，如果能滿足最低速時(shí)的靜差率要求，則大于最低速的靜差率一般都滿足要求。所以，一般所提的靜差率要求是指系統(tǒng)在最低速時(shí)的靜差率指標(biāo)。調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)是相互聯(lián)系的。例如，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落；當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占；當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占到；當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速降落，電動(dòng)

29、機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)了。由此可見，離開了對靜差率的要求，調(diào)速范圍便失去了意義。也就是說，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的系統(tǒng)所能達(dá)到的最大調(diào)節(jié)范圍。脫離了對靜差率的要求，任何調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，靜差率要滿足要求也就容易得多了3。3、之間的關(guān)系因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)的靜差率是指系統(tǒng)工作在最低速時(shí)的靜差率，即 (1.4)于是有，代入調(diào)速范圍的表達(dá)式，得 (1.5)式 (1.5) 表示調(diào)速范圍、靜差率和額定轉(zhuǎn)速降之間所應(yīng)當(dāng)滿足的關(guān)系。對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，因此由式 (1.5) 可見，對靜差率的要求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速

30、范圍越小。當(dāng)對都提出一定要求時(shí)，為了滿足要求，就必須使小于某一個(gè)值?？梢娬{(diào)速要解決的問題就是如何減少轉(zhuǎn)速降落。二、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)交直流調(diào)速系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中的指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。由于實(shí)際系統(tǒng)存在著電磁和機(jī)械慣性，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)總有一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。衡量交直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)可分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。1、跟隨性能指標(biāo)交直流調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)一般用零初始條件下，系統(tǒng)對階躍給定輸入信號的輸出響應(yīng)過程來表示。系統(tǒng)對給定輸入的典型跟隨過程如圖1.2所示。其主要跟隨性能指標(biāo)有1：1 上升時(shí)間。在階躍響應(yīng)過程中，輸出量從零開始，第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)歷的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

31、響應(yīng)的快速性。2 超調(diào)量。在階躍響應(yīng)過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分值，稱為超調(diào)量，即 (1.6)超調(diào)量反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。3 調(diào)節(jié)時(shí)間。在階躍響應(yīng)過程中，輸出衰減到與穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入或的允許誤差范圍之內(nèi)所需的最小時(shí)間，稱為調(diào)節(jié)時(shí)間，又稱為過渡過程時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間是用來衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程快慢的，調(diào)節(jié)時(shí)間越小，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性越好。在實(shí)際系統(tǒng)中，快速性和穩(wěn)定性往往是相互矛盾的。減小了超調(diào)量往往就延長了過渡過程調(diào)節(jié)時(shí)間；加快過渡過程卻又增大了超調(diào)量。對于一般要求的系統(tǒng)，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，哪一方面的性能是主要的，就以哪一方面

32、為主。對于特殊要求的較高性能的系統(tǒng)，還可以考慮采用一些綜合性的優(yōu)化性能指標(biāo)。本文只討論單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。2、抗擾性能指標(biāo)當(dāng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行過程中受到電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化，電網(wǎng)電壓波動(dòng)等干擾因素的影響時(shí)，會引起輸出量的變化，經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程后，系統(tǒng)總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。這一恢復(fù)過程就是系統(tǒng)的抗擾過程。一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)后的過渡過程作為典型的抗擾過程，如圖1.3所示?？箶_性能指標(biāo)定義如下1：1 動(dòng)態(tài)降落。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)擾動(dòng)量，在過渡過程中引起輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)表示，即 (1.7)當(dāng)輸出量在動(dòng)態(tài)降落后又恢復(fù)到新的穩(wěn)態(tài)值時(shí)，偏差表示系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落，動(dòng)態(tài)

33、降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱為動(dòng)態(tài)速降。2 恢復(fù)時(shí)間。從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量恢復(fù)到與新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入的或范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，稱為恢復(fù)時(shí)間，如圖1-3所示。一般來說，階躍擾動(dòng)下輸出量的動(dòng)態(tài)降落越小，恢復(fù)時(shí)間越短，系統(tǒng)的抗擾能力越強(qiáng)。 實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各不相同。例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正反向軋制鋼材多次，因而對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能要求較高；而一般不可逆的調(diào)速系統(tǒng)則主要要求有一定的抗擾性能，跟隨性能好壞問題不大。數(shù)控機(jī)床的加工軌跡控制和仿形機(jī)床的跟蹤控制要求有較嚴(yán)格的跟隨性能；而雷達(dá)天線隨動(dòng)系統(tǒng)則對跟隨性能和抗擾性能都有一定的要求。一

34、般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主1。第五節(jié) 本章小結(jié)本章對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真和調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了簡要闡述。對于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，本章對其進(jìn)行了簡要分析，并對最新動(dòng)態(tài)作了簡要介紹，同時(shí)對自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)仿真作了簡單介紹，對現(xiàn)在非常流行的仿真軟件MATLAB軟件進(jìn)行了簡單介紹。然后著重闡述了調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。它分為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。同時(shí)對兩種性能指標(biāo)的有關(guān)參數(shù)作了簡要分析。第二章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其MATLAB仿真第一節(jié) 設(shè)計(jì)要求與系統(tǒng)性能指標(biāo)某一電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為：、。晶閘管觸發(fā)整流電路裝置：

35、三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓，電壓放大系數(shù)，V-M系統(tǒng)電樞回路的總電阻。測速發(fā)電機(jī)為永磁式，其額定參數(shù)為：，。直流穩(wěn)壓電源。設(shè)計(jì)要求：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；調(diào)速范圍；靜差率。動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的方法對系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并建立數(shù)學(xué)模型畫出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并分別對單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)，帶電流截止環(huán)節(jié)的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。第二節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、系統(tǒng)的組成和工作原理直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。其電氣原理圖如圖2

36、.1所示。由圖2.1可知，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓，即改變了晶閘管觸發(fā)電路的移相角，從而調(diào)節(jié)晶閘管裝置的空載整流電壓和電樞電壓，也就改變了轉(zhuǎn)速3。二、開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性1 電流連續(xù)時(shí)。轉(zhuǎn)速為 (2.1)其機(jī)械特性如圖2.2所示的實(shí)線部分。式中 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢轉(zhuǎn)速比，即； 整流電壓一個(gè)周期中的波頭數(shù)； 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速； 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加負(fù)載時(shí)。電樞回路就產(chǎn)生相應(yīng)的電流，此時(shí)即產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降。越小，機(jī)械特性的硬度越大。系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行時(shí)，完全取決于電樞回路電阻及所加負(fù)載的大小。 電流斷續(xù)時(shí)。由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，相應(yīng)的負(fù)載電流也是脈動(dòng)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕或

37、主回路電感量不大時(shí)，會造成電流斷續(xù)。這時(shí)，隨著負(fù)載電流的減小，反電動(dòng)勢反而急劇升高，使理想空載轉(zhuǎn)速比圖2.2中的高得多，如圖中虛線所示。由圖2.2可見，開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性由兩段組成，即電流連續(xù)段和斷續(xù)段。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性較硬而且呈線性；電流斷續(xù)時(shí)，特性較軟且呈顯著的非線性。 機(jī)械特性的近似處理方法。當(dāng)主回路電感量足夠大，電動(dòng)機(jī)又有一定的空載電流時(shí)，可近似認(rèn)為電動(dòng)機(jī)工作電流連續(xù)，可把特性曲線直線段的延長線與縱軸的交點(diǎn)作為理想空載轉(zhuǎn)速。對于特性斷續(xù)比較顯著的情況，可以改用另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性。這相當(dāng)于把總電阻換成一個(gè)更大的等效電阻，其數(shù)值可以從實(shí)測特性上計(jì)算出來。嚴(yán)重時(shí)可達(dá)實(shí)際

38、電阻的幾十倍。從總體來看，開環(huán)V-M系統(tǒng) 的機(jī)械特性是很軟的，一般滿足不了工業(yè)生產(chǎn)對調(diào)速系統(tǒng)的要求，通常需要設(shè)置反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機(jī)械特性。第三節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成V-M系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)晶閘管控制角改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但是存在兩個(gè)問題：第一，全壓啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大；第二，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速降落越大，難以在負(fù)載變動(dòng)時(shí)，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，而滿足生產(chǎn)工藝的要求。為了減小負(fù)載波動(dòng)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響可以采取帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)轉(zhuǎn)速的偏差來自動(dòng)調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，從而保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如

39、圖2.3所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生晶閘管裝置所需的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 給定環(huán)節(jié)。用來產(chǎn)生給定控制信號，它一般由高精度的直流穩(wěn)壓電源和用于改變給定信號的精密電位器組成。 比較和放大環(huán)節(jié)。它一般由P（Proportion）、I（Integral）、PI（Proportion Integral）運(yùn)算放大器組成，用來將給定信號和反饋信號進(jìn)行比較和放大。 觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)（組合體）。該環(huán)節(jié)的作用是進(jìn)行功率放大，將輸入信號放大成整流電壓。一

40、般觸發(fā)器的輸出與輸入呈非線形，整流器的輸出與輸入呈非線性，而當(dāng)將觸發(fā)器和整流器作為一個(gè)整體來分析時(shí)，其輸出和輸入呈線性關(guān)系。 速度檢測環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)的作用通過一臺測速發(fā)電機(jī)，將調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成速度反饋電壓，電壓的大小與速度成正比。 直流電機(jī)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中的電壓、電動(dòng)勢、電流，在動(dòng)態(tài)分析時(shí)，就認(rèn)為是瞬時(shí)值；在穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，就認(rèn)為是平均值。直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的電路：一個(gè)是電樞回路，另一個(gè)是勵(lì)磁回路。二、反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有下述三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。各種其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律3。 只用比例放大器的反饋控制系數(shù)，其被

41、調(diào)量有靜差。從靜特性分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，即=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為： (2.2)只有，才能使，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。 反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，但完全服從給定作用。除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。上面只討論了負(fù)載變化這樣一種

42、擾動(dòng)作用，除此之外，交流電源電壓的波動(dòng)（使變化）、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化（造成變化）、放大器輸出電壓的漂移（使變化）、由溫升引起主電路電阻的增大等等，所有這些因素都和負(fù)載變化一樣，最終都要影響到轉(zhuǎn)速，都會被測速裝置檢測出來，再通過反饋控制作用，減小它們對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。在圖2.4中上述各種擾動(dòng)作用都表示出來了，反饋控制系統(tǒng)對它們都有抑制功能。但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)?？箶_性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征之一。正因?yàn)橛羞@一特征，在設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，可以只考慮

43、一種主要擾動(dòng)作用，例如在調(diào)速系統(tǒng)中只考慮負(fù)載擾動(dòng)。按照克服負(fù)載擾動(dòng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，則其他擾動(dòng)也就自然都受到抑制。與眾不同的是在反饋環(huán)外的給定作用。如圖2.4中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的微小變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种?。因此全面地看，反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是惟命是從的。 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。反饋檢測裝置

44、的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。對于上述調(diào)速系統(tǒng)來說，反饋檢測裝置就是測速發(fā)電機(jī)。如果測速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生變化，會使反饋電壓失真，從而使閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離應(yīng)有數(shù)值。而測速發(fā)電機(jī)電壓中的換向紋波、制造或安裝不良造成轉(zhuǎn)子偏心等等，都會給系統(tǒng)帶來周期性的干擾。采用光電編碼盤的數(shù)字測速，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，就可使系統(tǒng)臻于完善。由設(shè)計(jì)要求可知，生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s5%。為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為=5.2

45、6r/min (2.3)1、求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù) 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢系數(shù)： (2.4) 開環(huán)系統(tǒng)的額定速降： (2.5) 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為 (2.6)2、計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)測速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢轉(zhuǎn)速比和電位器RP2的分壓系數(shù)，即 (2.7)根據(jù)測速發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)，。本系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源為15V，最大轉(zhuǎn)速給定電壓為12V時(shí)，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（即），則 (2.8) (2.9)計(jì)算放大器的電壓放大系數(shù)： (2.10)四、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對于連續(xù)的線性定常系

46、統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。由圖2.3所示，構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。1、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)本設(shè)計(jì)是基于V-M的直流調(diào)速系統(tǒng)，整流電路采用的是三相橋式，在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。所以晶閘管觸發(fā)與整流裝置的傳遞函數(shù)便可近似成一階慣性環(huán)節(jié)。 (2.11)其中三相整流電路的平均失控時(shí)間為1.67ms3。2、直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路如圖2.5所示。其中電樞回路總電阻R和電感L包含電力電子變換器內(nèi)阻、電樞電阻和電感以及可能在主電路中接入的其他電阻和

47、電感，規(guī)定的正方向如圖中所示。假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為 (2.12)由此可知電樞回路的電壓平衡方程式為 (2.13) 在零初始條件下，對上式兩側(cè)進(jìn)行拉氏變換得 (2.14)則電壓與電流間的傳遞函數(shù)為 (2.15)式中，為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，。由式可得: (2.16)式中，為電樞電流；為負(fù)載電流；為電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)， 。為電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（）,為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流比（），。同理對式 (2.16) 兩側(cè)進(jìn)行拉氏變換得: (2.17)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下。圖2.6 直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為，。3、由設(shè)計(jì)要求計(jì)算直

48、流電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)的主要參數(shù)電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) =0.017s (2.18)電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) (2.19)直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為 (2.20)根據(jù)前述分析，結(jié)合穩(wěn)定參數(shù)得到帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。反饋控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.8所示。4、系統(tǒng)的穩(wěn)定條件如圖2.8所示，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 (2.21)式中。令圖中，得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2.22)它是一個(gè)三階系統(tǒng)。 由式 (2.22) 可知，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 (2.23)其一般表達(dá)式為 (2.24)根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是依據(jù)穩(wěn)定條件得 (2.25)

49、即 (2.26)化簡整理得 為臨界放大系數(shù)。 帶入相關(guān)參數(shù)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 (2.27)按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求，因此，僅用比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此必須增設(shè)動(dòng)態(tài)校正裝置以滿足穩(wěn)定要求。5、PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)由系統(tǒng)的穩(wěn)定條件可得本設(shè)計(jì)中比例調(diào)節(jié)器不能使系統(tǒng)在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)下達(dá)到穩(wěn)定，所以在MATLAB軟件環(huán)境下利用伯德圖設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式 (2.21)。已知,此時(shí)，所以分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的乘積：=（0.049+1）（0.026+1）；閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)取=。 (2.28)于是，得出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是： (2.29)用

50、MATLAB繪出系統(tǒng)的BODE圖如圖2.9所示。圖2.9 原閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖MATLAB程序代碼如下。clearclcnum=55.58;den1=conv(0.049 1,0.026 1);den=conv(0.0167 1,den1);W=tf(num,den) % 求系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。w=logspace(0,3,50);figure(1);bode(W,w) % 畫開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖。grid% 求幅值穩(wěn)定裕度、相角穩(wěn)定裕度、相角穿越頻率和幅值穿越頻率。Gm,Pm,Wcq,Wcp=margin(W)figure(2);sys=feedback(W,1) % 求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。ste

51、p(sys) % 畫閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。由系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果可知，幅值穩(wěn)定裕量GM=-15db；相角穩(wěn)定裕量=-40.2509；相角穿越頻率=65.6622rad/s; 幅值穿越頻率（截止頻率）=131.0946rad/s2。在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定裕度，以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響。在BODE圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度和以分貝表示的增益裕度GM。一般要求=30，GM，保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過程振蕩弱，超調(diào)

52、小。由程序計(jì)算出的數(shù)據(jù)可以看出，幅值穩(wěn)定裕度相角穩(wěn)定裕度為負(fù)值，這樣系統(tǒng)是根本不穩(wěn)定的，這也可從發(fā)散振蕩的階躍響應(yīng)曲線看到，如圖2.10所示，系統(tǒng)必須校正。關(guān)于系統(tǒng)校正應(yīng)滿足的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求，大體上有兩中情況：一是已知系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)，如系統(tǒng)校正后剪切頻率或是相角穩(wěn)定裕度，這兩個(gè)指標(biāo)直接用于校正器設(shè)計(jì)；為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)置PI調(diào)節(jié)器， 因?yàn)樵到y(tǒng)包含了放大系數(shù)的比例調(diào)節(jié)器，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新添加部分的傳遞函數(shù)應(yīng)為 (2.30)因?yàn)?所以對數(shù)幅頻特性的低頻部分斜率首先是積分環(huán)節(jié)的-20db/dec，在頻率處穿越0db線，然后起作用的才是比例微分環(huán)節(jié)，在處向上轉(zhuǎn)折，斜率變成0db/dec。將P

53、I環(huán)節(jié)畫在原系統(tǒng)BODE圖上，然后相加，即得校正后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性。原系統(tǒng)不穩(wěn)定表現(xiàn)在放大系數(shù)過大，截止頻率過高，應(yīng)該把它們降下來。所以把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)低于原系統(tǒng)截止頻率?？闪?T1，使校正裝置的比例微分項(xiàng)與原系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的環(huán)節(jié)對消。為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應(yīng)以-20db/dec的斜率穿越0db線，必須壓低原系統(tǒng)特性，使校正后特性的截止頻率<1/T2。在處，應(yīng)有L1=-L2。這樣校正環(huán)節(jié)添加部分的特性可以確定下來了35。圖2.10 原系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖由原系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性可知20lgK=20lg (2.31)因此= (2.32)取，為了使<1/T2=38.5s,取=30s。從BODE圖可得L1=31.5db，因而L2=-31.5db。于是L2=-20lg (2.33), (2.34)已