雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)題報(bào)告

1、基于V-M的雙閉環(huán)直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正學(xué) 生：黃覺(jué)鴻指導(dǎo)教師：曾孟雄教學(xué)單位：機(jī)械與材料學(xué)院1 緒論11 課題的來(lái)源、研究背景及意義電機(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，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。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(lái)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)

2、，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。直流電動(dòng)機(jī)因具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。晶閘管問(wèn)世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)）。采用速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可以充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)過(guò)程，調(diào)速范圍廣，精度高，和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)

3、可以自動(dòng)限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；且采用雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。盡當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V-M系統(tǒng)的應(yīng)用還是有相當(dāng)?shù)谋戎?。所以以此為課題進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。1.2 相關(guān)課題的發(fā)展歷史控制系統(tǒng)其實(shí)從20世紀(jì)40年代就開(kāi)始使用了，早期的現(xiàn)場(chǎng)基地式儀表和后期的繼電器構(gòu)成了控制系統(tǒng)的前身。現(xiàn)在所說(shuō)的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進(jìn)行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)，以PLC和DCS為代表，從70年代開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過(guò)程控制中獲得迅猛的發(fā)展

4、。從90年代開(kāi)始，陸續(xù)出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)、基于PC的控制系統(tǒng)等。70年代中期，由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參 數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經(jīng)普及的電動(dòng)單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下，業(yè)內(nèi)廠商經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，確定開(kāi)發(fā)的DCS產(chǎn)品應(yīng)以模擬量反饋控制為主，輔以開(kāi)關(guān)量的順序控制和模擬量開(kāi)關(guān)量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。 1975年前后，在原來(lái)采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器(DDC)的自控和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng) (DCS)。由于當(dāng)

5、時(shí)計(jì)算機(jī)并不普及，所以開(kāi)發(fā)DCS應(yīng)強(qiáng)調(diào)用戶可以不懂計(jì)算機(jī)就能使用DCS;同時(shí)，開(kāi)發(fā)DCS還應(yīng)強(qiáng)調(diào)向用戶提供整個(gè)系統(tǒng)。此外，開(kāi)發(fā)的DCS應(yīng)做到與中控室的常規(guī)儀表具有相同的技術(shù)條件，以保證可靠性、安全性。在以后的近30年間，DCS先與成套設(shè)備配套，而后逐步擴(kuò)大到工藝裝置改造上，與此同時(shí)，也分成大型DCS和中小型DCS兩類(lèi)產(chǎn)品，使其性能價(jià)格比更具有競(jìng)爭(zhēng)力。DCS產(chǎn)品雖然在原理上并沒(méi)有多少突破，但由于技術(shù)的進(jìn)步、外界環(huán)境變化和需求的改變，共出現(xiàn)了三代DCS產(chǎn)品。1975年至80年代前期為第一代產(chǎn)品，80年代中期至90年代前期為第二代產(chǎn)品，90年代中期至21世紀(jì)初為第三代產(chǎn)品。1.2.2 PLC的誕生和

6、發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1968年美國(guó)GM（通用汽車(chē)）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC。由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語(yǔ)言作為編程方式，形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開(kāi)了新的控制技術(shù)的發(fā)

7、展的大門(mén)。在很短的時(shí)間，PLC就迅速擴(kuò)展到食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個(gè)行業(yè)。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類(lèi)似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controll

8、er（PLC）。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30-40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 1.2.3 PC技術(shù)推動(dòng)了工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史上，VME總線工業(yè)控制機(jī)一直是許多嵌入式應(yīng)用的首選機(jī)型。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Si

9、gnetics公司發(fā)明了VME總線，1996年的新標(biāo)準(zhǔn)VME64(ANSI/VITA1-1994)將總線數(shù)據(jù)寬度提升到64位，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為80Mbps。由Force Computers制定的VME64x總線規(guī)范將總線速度提高到了320Mbps。VME總線工控機(jī)是實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，大多數(shù)運(yùn)行的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并由OS制造商提供專(zhuān)用的軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。VME總線最新產(chǎn)品已經(jīng)采用了500MHz的Pentium 處理器。 由于用戶希望使用與所熟悉的桌面PC機(jī)相同的操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具，導(dǎo)致了開(kāi)放式桌面PC在工業(yè)環(huán)境中的直接應(yīng)用。除了VME總線工控機(jī)外，產(chǎn)生了一系列基于PC的、與ISA/PCI總

10、線標(biāo)準(zhǔn)兼容的嵌入式工控機(jī)，其中比較有代表性的是CompactPCI/PXI總線、AT96總線、STD總線、STD32總線、 PC/104和PC/104-Plus總線嵌入式工業(yè)控制機(jī)。1995年6月PCI SIG正式公布了PCI 局部總線規(guī)范2.1版，同時(shí)PICMG推出了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PCI/ISA無(wú)源背板總線標(biāo)準(zhǔn)。為了將PCI SIG的PCI總線規(guī)范用在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1995年11月PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)(PICMG)頒布了CompactPCI規(guī)范1.0版。由于CPCI總線工控機(jī)良好地解決了可靠性和可維護(hù)性問(wèn)題，而且基于Microsoft的軟件和開(kāi)發(fā)工具的價(jià)位比較低，所以，CPCI工控

11、機(jī)得以迅速打入嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)。但相對(duì)于PCI/ISA加固型工控機(jī)而言，由于總體成本高、技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大、無(wú)源背板定義并不完全統(tǒng)一導(dǎo)致模板配套性差、電磁兼容性設(shè)計(jì)要求高等因素，CompactPCI工控機(jī)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域并未得到實(shí)際應(yīng)用，反而在電信市場(chǎng)獲得廣泛應(yīng)用。1.2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是從80年代后期誕生的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，經(jīng)歷十幾年左右的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了幾個(gè)有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和幾個(gè)系列產(chǎn)品，較流行的有:(1) Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線 它是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門(mén)子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理層、數(shù)

12、據(jù)鏈路層。(2) 控制局域網(wǎng)(Control Area Network，CAN)控制網(wǎng)絡(luò) 最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信。 此外還值得一提的是，可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路(Highway Addressable Remote Transducer，HART)協(xié)議，它是由美國(guó)Rosemount公司最早推出的一種兼容420mA模擬信號(hào)和調(diào)制數(shù)字信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，得到了較快的發(fā)展。(3) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus) 在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的研究制訂過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)多種企業(yè)集團(tuán)或組織，通過(guò)不斷的競(jìng)爭(zhēng)，到1994

13、年在國(guó)際上基本上形成了兩大陣營(yíng)，一個(gè)以Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門(mén)子等80家公司制訂的ISP協(xié)議；另一個(gè)以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲150家公司制訂的World FIP協(xié)議。這兩大集團(tuán)于1994年合并，成立現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation,FF)，致力于開(kāi)發(fā)國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。(4) LonWork(Local Operating Network局部操作網(wǎng))現(xiàn)場(chǎng)總線 它是由美國(guó)Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7層協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信

14、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其最大傳輸速率為1.5Mbps,傳輸距離為2700m，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。13 國(guó)內(nèi)外的主要研究工作和研究成果近30年來(lái)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但技術(shù)革新是永無(wú)止盡的，為了進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)：（1）采用新型電力電子器件電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（IPM）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)

15、勢(shì)，但其控制復(fù)雜，對(duì)散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。（2）應(yīng)用現(xiàn)代控制理論在過(guò)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(lái)，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

16、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。（3）采用總線技術(shù)現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢(shì)，總線化使得各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。（4）內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息化的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上工作，控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開(kāi)放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。1.4 本文主要開(kāi)展的研究工作根據(jù)本課題的實(shí)際情況，宜從以下幾個(gè)方面入手分

17、析：（1）直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型；（2）雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì)；（3）應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正。本課題所涉及的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。該調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。但電機(jī)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式。可要實(shí)現(xiàn)高精度和高動(dòng)態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時(shí)還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩又與電動(dòng)機(jī)的電流成正比。因而同時(shí)

18、對(duì)速度和電流進(jìn)行控制，成為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。2 文獻(xiàn)綜述2.1 文獻(xiàn)簡(jiǎn)介（1）在由阮毅、陳維鈞主編的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1一書(shū)中，以控制規(guī)律為主線，按照交流到直流、從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)（單閉環(huán)、雙閉環(huán)）、從調(diào)速到伺服循序漸進(jìn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)介的介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所涉及的基本知識(shí)。涵蓋了自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、機(jī)電與拖動(dòng)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、檢測(cè)技術(shù)、電路等多方面。通過(guò)性能分析與比較，解決電動(dòng)機(jī)控制問(wèn)題使其達(dá)到良好的啟動(dòng)與調(diào)速性能，一步步由電源選擇、調(diào)速方法選擇、調(diào)速系統(tǒng)選擇、單閉環(huán)雙閉環(huán)的選擇等逐層遞進(jìn)介紹了多種調(diào)速方案的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和改進(jìn)措施。其中

19、閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一章對(duì)我?guī)椭艽?，涉及了基于MATLAB軟件的系統(tǒng)仿真。但是由于篇幅有限，很多地方介紹過(guò)于粗淺，比如觸發(fā)脈沖相位角控制部分沒(méi)有提及具體的控制大小的實(shí)現(xiàn)電路和原理。（2）鄧星鐘教授在其主編的機(jī)電傳動(dòng)控制2中突出機(jī)電結(jié)合、電為機(jī)用的特點(diǎn)，力求理論聯(lián)系實(shí)際，元器件的介紹著重于外部特性和在拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。內(nèi)容包含：機(jī)電、控制電器、檢測(cè)元件、拖動(dòng)基礎(chǔ)、傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程、有觸點(diǎn)控制、電力電子技術(shù)、直流伺服、交流伺服、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等。其中對(duì)電機(jī)的控制過(guò)程有清晰全方面的介紹，對(duì)于理解電機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速控制很有幫助。在電力電子器件方面注重在實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)控制電路、控制原

20、理都有深入的解析。比如詳細(xì)得論述了觸發(fā)脈沖相位角的控制。（3）在楊叔子 楊克沖主編的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)3側(cè)重于讓讀者對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一個(gè)完整的了解，從系統(tǒng)所需的基本概念、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立、時(shí)間響應(yīng)的分析、頻率特性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的性能指標(biāo)與校正、非線性系統(tǒng)、線性離散系統(tǒng)及系統(tǒng)辨識(shí)等。并介紹了MATLAB的使用實(shí)例。對(duì)于系統(tǒng)模型的建立和穩(wěn)定性分析校正很清晰。在設(shè)計(jì)中對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的理解很重要。但是側(cè)重于系統(tǒng)的問(wèn)題。（4）曾令琴、趙勝會(huì)主編的電工學(xué)（II）4介紹電工學(xué)的電子技術(shù)部分，內(nèi)容大多為電子技術(shù)的傳統(tǒng)內(nèi)容，包括晶閘管的結(jié)構(gòu)和特性、放大電路及其工作原理與特點(diǎn)、用途、集成運(yùn)算放大電路、穩(wěn)壓電

21、路、整流電路、濾波電路等。還涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)部分。整體上內(nèi)容較為單一，不像以上基本著作那么覆蓋多學(xué)科交叉內(nèi)容。2.2 總結(jié)以上專(zhuān)著包含多方面知識(shí)，有電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、電路等都是設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)所必需。首先，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為我解決了為什么選擇雙閉環(huán)系統(tǒng)，為什么選擇直流電源的問(wèn)題，知道了設(shè)計(jì)該課題的必要性和優(yōu)越性，其對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性詳細(xì)得接受，更有助于理解。其次，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)回答了怎樣建立系統(tǒng)模型得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、怎樣判定系統(tǒng)穩(wěn)定性、怎樣進(jìn)行校正等問(wèn)題。而機(jī)電傳動(dòng)控制和電工學(xué)（II）解決所涉及的系統(tǒng)怎么實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，即對(duì)各種原

22、件和電路選型和參數(shù)要求。總之，本設(shè)計(jì)課題是一個(gè)多學(xué)科交織的，涉及的只是很廣，需要參考多門(mén)專(zhuān)著學(xué)習(xí)基本知識(shí)技能才能完成最終的設(shè)計(jì)任務(wù)。3 設(shè)計(jì)思路3.1 設(shè)計(jì)方框圖設(shè)計(jì)方框圖5如下圖所示，這是大體的設(shè)計(jì)思路，供后續(xù)細(xì)致設(shè)計(jì)過(guò)程參考。圖3-1 設(shè)計(jì)方框圖3.2 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)并校正系統(tǒng)穩(wěn)定性。生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)D：PN=10kW，UN=220V，IN=Id=55A， nN=1000r/min，Ra=0.5，Ce=0.192Vmin/r，GD2=10Nm2，L=17Mh，Ts=1.67ms，Cm=30/生產(chǎn)機(jī)械要求：調(diào)速范圍6D=10，靜差率s=5%3.3 系統(tǒng)

23、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)概述采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器7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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(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)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在起動(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)器的輸人端，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)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔茫质顾鼈冎荒芊謩e在不同的階段起作用呢?雙閉環(huán)調(diào)

24、速系統(tǒng)正是用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的。3.3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖3-2所示。圖 3-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置TA電流互感器 UPE電力電子變換器把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置8。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 調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，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)。圖3-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)

25、調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，其原理如圖3-3所示。相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理（1）相控整流器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，原理圖如下：圖3-4 V-M系統(tǒng)原理圖VT是相控整流器，GT為觸發(fā)裝置，Uc為觸發(fā)裝置的控制電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，可改變整流電壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。（2）相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性（3）晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的控制規(guī)律和數(shù)學(xué)模型晶閘管觸發(fā)和整流裝置是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的。通過(guò)輸入階躍信號(hào)1（t），得到晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系式，再經(jīng)過(guò)拉式變換得到其原始傳遞函數(shù)是一個(gè)非最小相位系統(tǒng)，最后依

26、據(jù)工程近似處理的原則，忽略高次項(xiàng)，可把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如有圖所示圖3-5 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.4 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和校正3.4.1 電流調(diào)節(jié)器（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化圖 3-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)如圖3-6所示反電動(dòng)勢(shì)E與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩，須簡(jiǎn)化。因電磁時(shí)間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，轉(zhuǎn)速變化比電流變化慢得多，因此，對(duì)電流環(huán)的電流瞬變過(guò)程來(lái)說(shuō)E基本不變，E0，即暫且把E的作用去掉，得到忽略E影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示，等效簡(jiǎn)化后得：圖

27、 3-7 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)（2）電流環(huán)結(jié)構(gòu)選擇從動(dòng)態(tài)要求來(lái)看，電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電動(dòng)機(jī)電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，即在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)越小越好。從這一考慮出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正為典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的另一個(gè)重要作用是對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)調(diào)節(jié)，從提高抗擾性能的觀點(diǎn)出發(fā)又希望吧電流環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)。電流環(huán)按典型I系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（3）傳遞函數(shù)參數(shù)計(jì)算（4）調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器原理如圖3-8所示，按電路計(jì)算各原件的參數(shù)，確定電流調(diào)節(jié)器。圖3-8 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程類(lèi)似。（1）轉(zhuǎn)速環(huán)的簡(jiǎn)化a)b)c)圖 3-9 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及簡(jiǎn)化a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理 c)校正后成為典型三階系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)選擇由于設(shè)計(jì)有靜差要求，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，有考慮到動(dòng)態(tài)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為（3）傳遞函數(shù)參數(shù)計(jì)算（4）調(diào)節(jié)器電路參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理如圖3-10所示，取，計(jì)算各元件參數(shù)，確定調(diào)節(jié)器。圖3-10 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 變壓器參數(shù)計(jì)算一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電