多環(huán)直流調(diào)速

1、 題目：多環(huán)直流調(diào)速姓 名 年 級 2013年 4月12 日32目錄目錄2摘要4Abstract5緒論61.1引言61.2 開環(huán)控制的原理61.3開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性：71.3.1改進(jìn)方法71.4單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理81.4.1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)81.4.2開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系9第二章 多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)102.1問題的提出102.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成112.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性132.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和132.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算152.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能162.5.1.動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型162.6動(dòng)態(tài)性能和兩個(gè)

2、調(diào)節(jié)器的作用192.6.1動(dòng)態(tài)性能192.7調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題20第三章 三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)213.1工作原理213.1.1轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的建模22第四章仿真分析234.1開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在SIMULINK下的仿真234.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真244.3 雙閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的仿真254.3.1雙閉環(huán)加擾動(dòng)傳遞函數(shù)模型的仿真264.3.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣仿真原理圖264.4仿真結(jié)論分析與比較27第五章 閉環(huán)直流調(diào)速產(chǎn)品的介紹295.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速器（MMT-110/220DP06 -13AL）295.2MMT-110/220DP20 -232串口產(chǎn)品介紹31參考文獻(xiàn)32多環(huán)直流調(diào)速 摘要直流電機(jī)具有良好

3、的啟動(dòng)、制動(dòng)性能易于在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多高性能可控電力拖動(dòng)系統(tǒng)。本文分別對開環(huán)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán) 以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流， 三閉環(huán)(即電流變化率環(huán)節(jié)、電流環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié))直流調(diào)速系的電路原理與性能指標(biāo)進(jìn)行了分析研究最后運(yùn)用MATLAB工具箱建立了其仿真模型仿真結(jié)果驗(yàn)證了4種調(diào)速方法的合理性、可行性，井比較了其優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速； 直流調(diào)速；電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； MATLABMulti-closed-loop DC speed tuning system Abstract DC motor is of good performance of starting and

4、 breaking, easy to control speed smoothly in a wider range, so DC motor has been widely used in high-performance electric drive control system. In this paper it describes the principle and performance of the circuit have been studied on open-loop control system, single closed-loop controlled system

5、using speed and double closed-loop control system using speed and current and three closed-loop DC speed control system (current change rate part, current part and speed control part).separately, Finally the simulation models have been established using MATLAB Simulink toolbox, and the simulation re

6、sults have verified the feasibility of the four speed control systems, and the features of the four systems have been analyzed.Key words: double close-loop; DC speed control system; current regulator; speed controller; MATLAB 緒論1.1引言近幾年來交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)迅猛發(fā)展，但是直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究還是具有一定實(shí)際意義的。傳統(tǒng)

7、的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性較硬，不具有抗擾動(dòng)的能力，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載或電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)隨之改變，即轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定，因此開環(huán)調(diào)速只能應(yīng)用于負(fù)載相對穩(wěn)定、對調(diào)速系統(tǒng)性能要求不高的場合。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)難以保證兩種調(diào)節(jié)過程具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合了多種信號，完成兩種任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；電流超過臨界值時(shí)，進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。對擾動(dòng)的抑制能力差：等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而n大。起動(dòng)時(shí)間長：采用電流截止負(fù)反饋后，起動(dòng)過程中要等到電樞電流上升到時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用又把電流壓了下來，僅靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。

8、采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是,由于在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)，例如：要求快速起動(dòng)、制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。因?yàn)榭煽刂频牧恐挥须姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩,即：只有控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩才能有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而我們希望實(shí)現(xiàn)的是：起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。因此，我們要在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中加入電流反饋環(huán)節(jié)，乃至更多的反饋環(huán)節(jié)來滿足實(shí)際要求。這樣就有了雙閉環(huán)（多閉環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2 開環(huán)控制的原理圖1.1是最簡單的晶閘

9、管直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)給定輸入信號，經(jīng)過觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使外界交流電源整流出直流電壓U供給直流電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)以一定的速度旋轉(zhuǎn)。改變控制電壓信號就可觸發(fā)器的脈沖控制角及整流電壓，相應(yīng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 圖1.1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.3開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性：抗干擾能力差，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載或電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)隨之改變，即轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定，因此開環(huán)調(diào)速只能應(yīng)用于負(fù)載相對穩(wěn)定、對調(diào)速系統(tǒng)性能要求不高的場合1.3.1改進(jìn)方法采用閉環(huán)控制。根據(jù)自動(dòng)控制理論，要想使被控量保持穩(wěn)定，可將被控量反饋到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。將直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測

10、出來，反饋到系統(tǒng)的輸入端，可構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。1.4單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理1.4.1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)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)生晶閘管整流及觸發(fā)裝置的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)： （1-1）放大器 （1-2）晶閘管整流及觸發(fā)裝置 （1-3）調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 （1-4）測速反饋環(huán)節(jié) （1-5）從上述五個(gè)

11、關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式： （1-6）1.4.2開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系單閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 （1-7）閉環(huán)是的靜特性為： （1-8）兩系統(tǒng)特性比較（1） 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特。（2） 如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。（3） 當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 （4） 要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 。 第二章 多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)所謂多環(huán)控制系統(tǒng)，是指按一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)組成的具有兩個(gè)或兩個(gè)以上閉環(huán)的控制系統(tǒng)，相當(dāng)于過程控制中的串級控制系統(tǒng)。本章以

12、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為重點(diǎn)闡明多環(huán)控制的特點(diǎn)、控制規(guī)律。2.1問題的提出采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。如圖2.10所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然延長。圖2.10

13、帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.11理想的快速起動(dòng)過程對于像龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，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)過程波形示于圖2.11，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能跳變

14、，圖2.11所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。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程。問題是希望在起動(dòng)過程中只有電流負(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，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，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正是用來解決這個(gè)問題的。2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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

15、別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接，如圖2.2所示。這就是說，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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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)。與單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，雙閉環(huán)（多閉環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)、觸發(fā)環(huán)節(jié)、電機(jī)、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成。主要不同在于增加了電流反饋環(huán)節(jié)。圖2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機(jī) TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器-轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋

16、電壓-轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，其原理圖示于下圖2.3。在圖上標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器UPE的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅（飽和）電壓是 ，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是 ，它限制了電力電子變換器輸出電壓的最大值。圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性對于靜特性來說， 關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀

17、況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。因?yàn)楹?，由這兩個(gè)關(guān)系式得 （2-1）與此同時(shí)，由于ASR不飽和， ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: 。這就是說，段靜特性從（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到， 從而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和。這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)： （

18、2-2）式中，最大電流 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式（2-2）所描述的靜特性是圖2-5中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開

19、環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用的“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如圖2.5中虛線所示。圖2.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算由圖2.4可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系： （2-3） （2-4） （2-5）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓 的大小則同時(shí)取決于n和I，或者說，同時(shí)取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與

20、輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （2-6） 電流反饋系數(shù)： （2-7）兩個(gè)給定電壓的最大值和是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的.2.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能2.5.1.動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖2.3，即可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.6所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出

21、電流反饋，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電樞電流 顯露出來。圖2.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在其動(dòng)態(tài)過程中，由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。 圖2.7起動(dòng)過程及抗擾性分析 第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使、都上升，當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)太快，因而ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值，強(qiáng)迫電流迅速上升。當(dāng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使不再迅速增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一

22、般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又，n，這樣才能保持=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電流也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計(jì)中必

23、須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時(shí)，但由于積分作用，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)時(shí)，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)時(shí)，n達(dá)到最大值（t3時(shí)刻）。此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小與的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： 1) 飽和非

24、線性控制當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同的情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。分析過渡過程時(shí)，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是最后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡還是不一樣的。2) 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大值，以便充分發(fā)揮

25、電機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。這個(gè)階段屬于電流有限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。但整個(gè)起動(dòng)過程與圖2-1b的理想快速起動(dòng)過程相比還有一定差距，主要表現(xiàn)在第I，III兩段不是突變。不過這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，已無傷大局，所以閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。3) 轉(zhuǎn)速超調(diào)由于采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入第III段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這

26、就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。 飽和非線性控制隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同的情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。分析過渡過程時(shí)，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是最后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡還是不一樣的。準(zhǔn)時(shí)間

27、最優(yōu)控制起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。這個(gè)階段屬于電流有限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。但整個(gè)起動(dòng)過程與圖2-1b的理想快速起動(dòng)過程相比還有一定差距，主要表現(xiàn)在第I,III兩段不是突變。不過這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，已無傷大局，所以閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。2.6動(dòng)態(tài)性能和兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用2.6.1動(dòng)態(tài)性能一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比

28、較滿意的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以歸納如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： 1使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。2. 對負(fù)載變化起抗擾作用。3. 其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用：1.對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起時(shí)抗擾的作用。2.起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流。3.在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓4.當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。2.7調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)、晶閘管整流器及其觸發(fā)裝置都可按負(fù)載的工藝要求來選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)可以通

29、過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到，所剩下的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)則應(yīng)在滿足穩(wěn)態(tài)精度的前提下，按照動(dòng)態(tài)校正的方法確定。 和前章所述的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正一樣，每個(gè)控制環(huán)的調(diào)節(jié)器都可借助伯德圖按串聯(lián)校正的方法設(shè)計(jì)。問題是，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)控制環(huán)套在一起，應(yīng)該如何解決？對于這樣的多環(huán)控制系統(tǒng)，一般的方法是：設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。也就是說，先設(shè)計(jì)好內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)內(nèi)環(huán)當(dāng)作外環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。具體對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，就是先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設(shè)計(jì)每個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)，都應(yīng)先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性和根據(jù)性能指標(biāo)確定的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)試

30、湊，決定校正環(huán)節(jié)的特性，從而選定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)并計(jì)算其參數(shù)。然而，如果每個(gè)多環(huán)控制系統(tǒng)都這樣設(shè)計(jì)，做起來就太麻煩了。在多年實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對于一般的自動(dòng)控制系統(tǒng)，已經(jīng)整理出更為簡便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法，經(jīng)驗(yàn)表明，效果是很好的。對于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如果簡單的工程設(shè)計(jì)方法不能適用，還可以用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。第三章 三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.1工作原理三閉環(huán)直流調(diào)速主電路由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)改進(jìn)而得。當(dāng)采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，在電流上升階段，電流急劇上升，變化率很大，會(huì)在直流電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生嚴(yán)重后果，如產(chǎn)生很高的附加電動(dòng)勢及對機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。為解決這一矛盾，在電流環(huán)內(nèi)設(shè)置一個(gè)電流變化率環(huán)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、

31、電流、電流變化率的三環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅，以限制最大起動(dòng)電流。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要，當(dāng)給定電壓以 后，ASR輸出飽和，電機(jī)以最大的允許電流起動(dòng)，同時(shí)由于電流變化率ADR環(huán)的作用，使電流上升斜率有一定限制，當(dāng)達(dá)到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR退飽和，電機(jī)電樞電流緩慢下降。這樣，經(jīng)三個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.1所示，它包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電流變化率環(huán)調(diào)節(jié)器、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型等。此外，還有濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和給定信號的濾波，其目的是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰

32、當(dāng)?shù)呐浜?，從而為設(shè)計(jì)帶來方便。當(dāng)按工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器、電流變化率調(diào)節(jié)器時(shí)，應(yīng)按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則。首先設(shè)計(jì)電流變化率調(diào)節(jié)器，然后設(shè)計(jì)外環(huán)調(diào)節(jié)器。圖3.1三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)框圖 圖3.2 三閉環(huán)直流調(diào)速仿真圖3.1.1轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的建模由圖3.1可知，電流變化率調(diào)節(jié)器ADR輸出最大限幅時(shí)，整流橋輸出最大電壓值 即電流調(diào)節(jié)器輸出信號與整流橋輸出電壓成正比。在仿真中，電流調(diào)節(jié)器的ADR輸出信號不能直接接入同步觸發(fā)器的輸入端，必須經(jīng)過適當(dāng)轉(zhuǎn)換，使ADR的輸出信號同整流橋的輸出電壓對應(yīng)。即ACR輸出信號為0時(shí)，整流橋的輸出電壓為0：ACR輸出達(dá)到限幅 (10V)時(shí)，整流橋輸出電壓為最大值

33、. 圖3.3 電流變化率的仿真圖3.4 三閉換調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖第四章仿真分析4.1開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在SIMULINK下的仿真 圖4.1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理仿真圖圖4.2開環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形4.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖4.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理仿真圖圖4.4單閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形4.2.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置(1)三相電源：每相皆為220V，50Hz，A相、B相、C相的相位角分別設(shè)為0度，120度，240度。(2)晶閘管整流橋：3個(gè)橋臂，關(guān)斷電阻為50000歐姆，導(dǎo)通電阻0015歐姆。(3)平波電抗器：0O05H。(4)直流電機(jī)：不選定特定電機(jī)型號，負(fù)載類型為轉(zhuǎn)矩型，轉(zhuǎn)子電阻06歐姆，轉(zhuǎn)子電感00

34、12亨，勵(lì)磁繞組電阻設(shè)為240歐姆，電感120亨，勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組的互感18亨，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1千克米平方。(5)電機(jī)外圍設(shè)置：勵(lì)磁電壓為220伏特，外加負(fù)載. 50牛米。(6)速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置：速度給定120，增益為10倍，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，反饋系數(shù)為1。4.3 雙閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的仿真 4.5雙閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的仿真4.6 雙閉環(huán)傳遞函數(shù)模型的仿真波形4.3.1雙閉環(huán)加擾動(dòng)傳遞函數(shù)模型的仿真4.7雙閉環(huán)傳遞模型加擾動(dòng)的仿真4.8 雙閉環(huán)傳遞模型加擾動(dòng)的仿真波形4.3.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣仿真原理圖基于電氣原理圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型如圖4.9所示。仿真算法為ode23s，Start t

35、ime設(shè)為0，Stop time設(shè)為2。仿真波形如圖4.10所示4.9直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電氣原理仿真模型4.10閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形4.4仿真結(jié)論分析與比較開環(huán)系統(tǒng)的仿真模型如圖4.1所示，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。 仿真算法為可變步長，ode23s，給定信號50V，勵(lì)磁電壓為100V，仿真結(jié)果如圖4.2所示，從圖中可以看出，開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度比較慢。轉(zhuǎn)速在0.2s才接近穩(wěn)態(tài)值，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)值較大。觀察波形可見，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)值隨著勵(lì)磁電壓的增大而明顯降低且調(diào)節(jié)速度明顯加快。0.4 s以內(nèi)轉(zhuǎn)速就達(dá)到了穩(wěn)態(tài)值。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡

36、單，參數(shù)較少，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的, 啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)不平穩(wěn)，雖然仿真結(jié)果表明啟動(dòng)時(shí)的峰值電流為穩(wěn)態(tài)電流的幾十倍，但這只是理論計(jì)算得出的結(jié)果，考慮到實(shí)際元件的非線性、飽和以及死區(qū)等情況，實(shí)際的啟動(dòng)電流并沒有這么大。與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)不能對電樞電流進(jìn)行有效的約束，但它結(jié)構(gòu)簡單，所用元件少，成本低廉，在對啟動(dòng)要求不高的場合，仍然得到了廣泛的應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)從仿真結(jié)果可以看到，啟動(dòng)過程的第1階段是電流上升階段。突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流上升也很快，接近其峰值。第2階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)

37、為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變。第3階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為0，但是由于積分的作用，輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。第五章 閉環(huán)直流調(diào)速產(chǎn)品的介紹 5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速器（MMT-110/220DP06 -13AL）概述：濟(jì)南科亞MMT系列伺服控制系統(tǒng)、PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 是采用國際最新數(shù)字控制調(diào)速技術(shù)和專用器件，研制生產(chǎn)的高精度電子調(diào)速裝置，本裝置采用國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際同類產(chǎn)品的要求。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可用于SZ系列、ZYT系列、Z2系列功率為幾十W5KW的直流電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速。具有多重保護(hù)功能，安全、穩(wěn)定、可靠。完全可兼容國際同類產(chǎn)品。國際品質(zhì)，國產(chǎn)價(jià)格。適用范圍：MMT系列直流調(diào)速器在機(jī)床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設(shè)備、包裝機(jī)械、電工機(jī)械、食品加工機(jī)械、橡膠機(jī)械、生物設(shè)備、印制電路板設(shè)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、焊接切割、輕工機(jī)械、物流輸送設(shè)備、機(jī)車車輛、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備等行業(yè)廣泛應(yīng)用。一、產(chǎn)品特點(diǎn)：1、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，噪音低2、調(diào)速比1：100 （開環(huán)）3、低速啟動(dòng)力矩大 4、雙閉環(huán)P I 調(diào)節(jié) 5、電流設(shè)置、限流保護(hù)、過流報(bào)警 停止輸出功能. 6、軟啟時(shí)間設(shè)置功能.（0.310秒