第7章直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析及仿真ppt課件

1、內(nèi)容提要：本章主要通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋(單閉環(huán))直流調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)以及兩個(gè)系統(tǒng)的MATLAB仿真，來(lái)介紹分析與設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般方法(其中包括系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)框圖的建立、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析、系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程、系統(tǒng)可能達(dá)到的技術(shù)性能和性能指標(biāo)的計(jì)算)。晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，所以在機(jī)械、冶金、紡織、印刷、造紙等許多部門仍有不少的應(yīng)用。下面主要通過(guò)典型的直流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)介紹分析的方法。7.1.1系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成圖7-1-1具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)的控制對(duì)象是

2、直流電動(dòng)機(jī)M，被調(diào)量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，晶閘管觸發(fā)電路和整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例調(diào)節(jié)器為電壓放大和電壓(綜合)比較環(huán)節(jié)，電位器RP1為給定元件，測(cè)速發(fā)電機(jī)TG與電位器RP2為轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件，此外還有由取樣電阻RC、二極管VD和電位器RP3構(gòu)成的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖可參見(jiàn)圖7-1-2。 1.直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)(Direct Current Motor)直流電動(dòng)機(jī)的物理關(guān)系式、微分方程、系統(tǒng)框圖以及自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，在第二章直流電動(dòng)機(jī)的物理關(guān)系式、微分方程、系統(tǒng)框圖以及自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，在第二章2.2節(jié)中，均作了分析。這里暫不作詳細(xì)分析。節(jié)中，均作了分析。這里暫

3、不作詳細(xì)分析。2.晶閘管整流電路晶閘管整流電路(Thyristor Rectifier)采用晶閘管整流電路需要注意的幾個(gè)問(wèn)題：采用晶閘管整流電路需要注意的幾個(gè)問(wèn)題： 晶閘管元件的過(guò)載能力很小，因此選定元件的電流、電壓規(guī)格時(shí)，至少加晶閘管元件的過(guò)載能力很小，因此選定元件的電流、電壓規(guī)格時(shí)，至少加大一倍以上的容量，而且要加散熱片，以防溫升過(guò)高，損壞元件。大一倍以上的容量，而且要加散熱片，以防溫升過(guò)高，損壞元件。 因交流側(cè)電流中含有較多的諧波成分因交流側(cè)電流中含有較多的諧波成分Harmonic Con-tent對(duì)電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)line）（AC Supply產(chǎn)生不利影響。因此在大、中功率整流電路的交流側(cè)，

4、大多產(chǎn)生不利影響。因此在大、中功率整流電路的交流側(cè)，大多采用交流電抗器采用交流電抗器(串接電抗器串接電抗器Series Reactor)或通過(guò)整流變壓器或通過(guò)整流變壓器(Rectifier Transformer)供電，以抑制諧波分量供電，以抑制諧波分量(Harmonic Component)。 晶閘管元件的過(guò)載能力很小，因此不僅要限制過(guò)電流晶閘管元件的過(guò)載能力很小，因此不僅要限制過(guò)電流Overcurrent和反和反向過(guò)電壓向過(guò)電壓Reverse Overvoltage）,而且還要限制電壓上升率而且還要限制電壓上升率Rate of Rise of Voltage）(dv/dt)和電流上升率和電

5、流上升率di/dt）。所以晶閘管整流電路設(shè)有許多保）。所以晶閘管整流電路設(shè)有許多保護(hù)環(huán)節(jié)，如快速熔絲、過(guò)電流繼電器、阻容吸收電路、硒堆、或壓敏電阻等過(guò)護(hù)環(huán)節(jié)，如快速熔絲、過(guò)電流繼電器、阻容吸收電路、硒堆、或壓敏電阻等過(guò)電流與過(guò)電壓保護(hù)裝置。電流與過(guò)電壓保護(hù)裝置。 晶閘管整流裝置的輸出特性如圖晶閘管整流裝置的輸出特性如圖7-1-3a所示。圖中為整流平均電流，為整所示。圖中為整流平均電流，為整流輸出平均電壓。流輸出平均電壓。當(dāng)輸出電流較大、電流為連續(xù)時(shí)，其輸出特性近似為直線如曲線b段所示）。而且線段比較平坦；這意味著整流裝置的電壓降較小，裝置的等效內(nèi)阻也較小。圖7-1-4 晶閘管整流裝置調(diào)節(jié)特性當(dāng)

6、輸出電流較小、電流為斷續(xù)時(shí)，其輸出特性變?yōu)楹芏傅那€如曲線a段所示）。此線段較陡意味著電壓降落較大；等效內(nèi)阻顯著增加。 由于晶閘管整流裝置的上述特性，使得晶閘管整流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為上圖b所示。其中b段為電流連續(xù)時(shí)的特性，其特性較硬。a段為電流斷續(xù)時(shí)的特性，其特性很軟。這樣從總體上看，機(jī)械特性很軟，一般滿足不了對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求，因此需要增設(shè)反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機(jī)械特性。dUcU)(CdUfU 晶閘管整流電路的調(diào)節(jié)特性為輸出的平均電壓與觸發(fā)電路的控制電壓之間的關(guān)系，即圖7-1-4為晶閘管整流裝置的調(diào)節(jié)特性。 cUcdKUU由圖可見(jiàn)，它既有死區(qū)，又會(huì)飽和。（當(dāng)全導(dǎo)通以后， 再增加，

7、 也不會(huì)再上升了），且低壓段還有彎曲段。面對(duì)這非線性特性，常用的辦法是講它“看作一條直線，即處理成。其比例系數(shù)K的取值有兩種方法： 對(duì)動(dòng)態(tài)特性，可取其動(dòng)態(tài)工作區(qū)的線性段Q段的比例系數(shù)，即CdUUK/。 cNdNUUK/dNUdUcNUcU對(duì)穩(wěn)定特性，則取額定范圍內(nèi)的平均值，即 ， ， 為（為的額定值，為的額定值如圖中的P直虛線所示。cU0ms7 . 10ms50若再考慮到控制電壓 改變后，晶閘管要等到下一個(gè)周期開(kāi)始后，導(dǎo)通角才會(huì)改變，因而會(huì)出現(xiàn)的延遲(三相橋式，單相全波 )。這樣晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)為：kskkeUUscd100cUdU若控制電壓10V時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的平均電壓 440V(采用

8、440V直流電動(dòng)機(jī))，則K440V/10V44。01/ RRfnUfiUsU轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方式很多，有測(cè)速發(fā)電機(jī)、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器等。讀出量又分模擬量和數(shù)字量。此系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋量需要的是模擬量，一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)分直流和交流兩種。直流測(cè)速機(jī)又分永磁式如CY型和他激式如ZCF型）。永磁式不需勵(lì)磁電源，使用方便，但要注意避免在劇烈震動(dòng)和高溫的場(chǎng)合使用。使用久了，永久磁鐵會(huì)退磁，影響精度。他勵(lì)式，體積較小，為了保證其精度，應(yīng)使其磁場(chǎng)盡可能工作在飽和狀態(tài)或采用穩(wěn)流電源勵(lì)磁。若調(diào)速系統(tǒng)采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其測(cè)速機(jī)分壓電位器的阻值不宜選得過(guò)大，過(guò)大則測(cè)速機(jī)電樞電流過(guò)小，碳刷接觸電阻影響

9、增大，影響測(cè)速精度。但阻值也不宜選得過(guò)小，過(guò)小則電流過(guò)大，電樞反應(yīng)和壓降均增加，也影響精度。所以一般按測(cè)速發(fā)電機(jī)以在最高電壓時(shí)，輸出電流為測(cè)速機(jī)額定電流的10%20%來(lái)確定阻值。有的測(cè)速機(jī)上標(biāo)有額定負(fù)載電阻的阻值。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相近，其勵(lì)磁繞組通以50Hz有的為400Hz交流電，它的另一繞組輸出電壓也是交流電，所以還必須經(jīng)過(guò)解調(diào)或整流濾波，以轉(zhuǎn)換直流信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度，不及磁電傳感器或光電傳感器的精度高，但磁電傳感和光電傳感輸出的功率很小，需要增加放大環(huán)節(jié)。另一方面，它們的輸出多為脈沖量，它對(duì)計(jì)算機(jī)控制較合適。若對(duì)模擬控制，則還需增加數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC和濾波環(huán)節(jié)，

10、這又會(huì)增加時(shí)間上的滯后，影響系統(tǒng)的快速性。fnU, nUfn測(cè)速反饋信號(hào)與轉(zhuǎn)速成正比，稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 由于直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)或過(guò)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電流，這樣大的電流會(huì)燒壞晶閘管元件和電機(jī)，因而要設(shè)法加以限制。若采用電流負(fù)反饋，以后的分析表明，會(huì)使系統(tǒng)的機(jī)械特性變軟，而這又是我們希望避免的。為此，可以通過(guò)一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過(guò)某個(gè)允許值(稱為閾值)時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋。cRcRcaRIaI0UcaRI0U)(0URIUcafnsU在圖7-1-1中，主電路中串聯(lián)了一個(gè)阻值很小的取樣電阻 (零點(diǎn)幾歐)。電阻上的電壓與 成正比。比 較閾值電壓 是由一個(gè)輔助電

11、源經(jīng)電位器RP3提供的。電流反饋信號(hào)()，經(jīng)二極管VD，與比較電壓 反極性串聯(lián)后，再加到放大器的輸入端，即 。由于是 負(fù)反饋，所以其極性與給定電壓相反。 當(dāng) 時(shí)，（亦即 ），則二極管VD截止，電流截止負(fù)反饋不起作用。當(dāng) 時(shí)，（亦即 ），則二極管VD導(dǎo)通， 此處略去二極管的死區(qū)電壓，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)起作用，它將使整流輸出電壓 下降，使整流電流下降到允許最大電流。 的數(shù)值稱為截止電流，以 表示。調(diào)節(jié)電位器RP3即可整定 ，亦即整定 的數(shù)值。一般取 為額定電流。由于電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)在正常工作狀況下不起作用，所以系統(tǒng)框圖上可以省去。 0URIcacaRUI00URIcacaRUI0dUcRU0BI

12、0UBINBII2 . 1NI根據(jù)以上分析，便可畫出如圖7-1-5所示的系統(tǒng)框圖。 由圖7-1-5可以清楚地看出，調(diào)速系統(tǒng)存在著“兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電勢(shì)構(gòu)成的閉環(huán)，另一個(gè)是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)。此外它還清楚表明了電樞電壓、電流、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 1.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n由于某種原因例如機(jī)械負(fù)載LT 添加而下降時(shí)，系統(tǒng)將同時(shí)存在著兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程：一個(gè)是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的以適應(yīng)外界負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，另一個(gè)則是由于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)作用而使控制電路產(chǎn)生相應(yīng)變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。這兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖7-1-6所示。； 由上述調(diào)節(jié)過(guò)

13、程可以看出，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的調(diào)節(jié)，主要是通過(guò)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E下降，使電流增加的 ；而轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，則主要通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 下降，使偏差電壓 添加，( )，整流裝置電壓 上升，電樞電壓 上升，而使電流增加的 。而電樞電流的增加，在磁場(chǎng)的作用下，將使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 添加，以適應(yīng)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 的增加。這兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程一直進(jìn)行到 時(shí)才結(jié)束。圖7-1-6具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 此外，由圖7-1-6還可以看出，轉(zhuǎn)速降的減小，是依靠偏差電壓 的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這里，反饋環(huán)節(jié)只能減小轉(zhuǎn)速偏差( )，而不能消除偏差。因?yàn)樘热艮D(zhuǎn)速偏差被完全補(bǔ)償了，即n回到原先的數(shù)值，那么 將回到原先數(shù)值，于

14、是 、 、 、 也將回復(fù)到原先的數(shù)值；這意味著，控制系統(tǒng)沒(méi)有能起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速自然也不會(huì)回升。所以這種系統(tǒng)是以存在偏差為前提的，反饋環(huán)節(jié)只是檢測(cè)偏差，減小偏差，而不能消除偏差，因此它是有靜差調(diào)速系統(tǒng)。 aaaREUI/ )(fnUUfnsUUUdUaUaaaREUI/ )(eTLTLeTT UUfnUUcUdUaU2.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的作用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的作用當(dāng)電樞電流小于截止電流值時(shí)，電流負(fù)反饋不起作用。圖7-1-7調(diào)速系統(tǒng)的“挖土機(jī)機(jī)械特性 當(dāng)電樞電流大于截止電流值時(shí)，電流負(fù)反饋信號(hào)電壓 將加到放大器的輸入端，此時(shí)偏差電壓 。當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)， 使 降低， 降低， 降低；從而限制電流

15、過(guò)大的增加。這時(shí)，由于的 下降，再加上 的增大，由式 可知，轉(zhuǎn)速將急驟下 降 ，從而使機(jī)械特性出現(xiàn)很陡的下垂。如圖7-1-7的b段所示。在a段主要是負(fù)反饋起作用，特性較硬；在b段主要是電流截止負(fù)反饋起作用，使特性下垂很軟）。這樣的特性有時(shí)稱為“挖土機(jī)特性”圖7-1-7調(diào)速系統(tǒng)的“挖土機(jī)機(jī)械特性)(0URIUcafnfifnsUUUUfnUUcUdUaUaaRIeaaaKRIUndUdIdmI當(dāng)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)起主導(dǎo)作用時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖7-1-8所示。機(jī)械特性很陡下垂還意味著，堵轉(zhuǎn)時(shí)(或起動(dòng)時(shí))電流不是很大。這是因?yàn)樵诙罗D(zhuǎn)時(shí)，雖然轉(zhuǎn)速n=0，反電動(dòng)勢(shì)E0，但由于電流截止負(fù)反饋的作用，使大大下降

16、，從而 不致過(guò)大。此時(shí)電流稱為堵轉(zhuǎn)電流 1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的框圖簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)，在第對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的框圖簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)，在第2章的例子中已經(jīng)給出：章的例子中已經(jīng)給出： 1)/(1)()(2mameaTsTTKsUsN代入圖7-1-5中，由圖可見(jiàn)，它是一個(gè)二階系統(tǒng)，知二階系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。但若考慮到晶閘管有延遲，晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)便為) 1/(0sKs 見(jiàn)式7-1，晶閘管延遲的系統(tǒng)框圖如圖7-1-9a所示。由圖7-1-9可見(jiàn)，它實(shí)際上是一個(gè)三階系統(tǒng)。若增益過(guò)大，它可能成為不穩(wěn)定系統(tǒng)。由于調(diào)速系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)，如前所述，恒值控制系統(tǒng)主要考慮的是負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩 （

17、擾動(dòng)量所引起的穩(wěn)態(tài)誤差。為了便于分析起見(jiàn)，今將比較點(diǎn)處的（ ）移至比較點(diǎn)處，根據(jù)比較點(diǎn)移動(dòng)法則，（ ）移至處，應(yīng)乘以 和 ，即乘以 。將（ ）移出后，直流電動(dòng)機(jī)的框圖就可簡(jiǎn)化為如圖b所示的功能框圖。 LT)(LTLTLTTk/1)/1/(1 aaRsLTaakRsL/ )(在求取穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，曾應(yīng)用拉氏變換終值定理來(lái)求取，如今若令圖b中的，則圖b可轉(zhuǎn)換為如圖c所示的框圖。這類框圖通常稱它為“穩(wěn)態(tài)框圖”，由穩(wěn)態(tài)框圖求取因擾動(dòng)而引起的穩(wěn)態(tài)誤差比較直觀方便。由圖c可見(jiàn)，圖中的擾動(dòng)量變?yōu)?，?duì)比式與式，不難發(fā)現(xiàn)，的量綱式也式電流I，可標(biāo)為，于是擾動(dòng)量可標(biāo)為（），參見(jiàn)圖c。若不計(jì)摩擦力，那么，因此可認(rèn)為，于

18、是擾動(dòng)又可寫為（）（這里僅是一種等效的交換，并不意味著存在一個(gè)外界的“電流干擾”）。 a）圖7-1-9直流調(diào)速系統(tǒng)框圖的變換變換成穩(wěn)態(tài)框圖）由圖c可以很方便地得到因負(fù)載擾動(dòng)而產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差(轉(zhuǎn)速降n) eaaaLeKSeKRIKRIKKKKn11)()/(1)/(1eksKKKK/式中 (開(kāi)環(huán)增益)。若此調(diào)速系統(tǒng)不設(shè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)(即開(kāi)環(huán)系統(tǒng))，則式(7-2)中的0，于是K0，此時(shí)的轉(zhuǎn)速降為eaaKRIn （7-1-3）對(duì)照式(7-1-2)與式(7-1-3)可見(jiàn)：調(diào)速系統(tǒng)增設(shè)了負(fù)反饋環(huán)節(jié)后，將使轉(zhuǎn)速降減為開(kāi)環(huán)時(shí)的1/(1+K)，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。這是反饋控制系統(tǒng)的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。由

19、以上分析可見(jiàn)，采用比例調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，不論kK 取值多少，總是有靜差的。若對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合，則通常采用比例積分PI調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) ，其中含有積分環(huán)節(jié)，加之PI調(diào)節(jié)器又位于擾動(dòng)量 作用點(diǎn)之前，因此該系統(tǒng)變?yōu)樾拖到y(tǒng)，對(duì)階躍信號(hào)為無(wú)靜差，即轉(zhuǎn)速降 ，靜差率 。這里的 ，是一種理論上的數(shù)值，它是假設(shè)PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)增益為無(wú)窮大 為前提的。事實(shí)上，由運(yùn)放器構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)其增益即為運(yùn)放器開(kāi)環(huán)增益穩(wěn)態(tài)時(shí)，反饋電容C相當(dāng)開(kāi)路）（ ）。若以此數(shù)值代入式7-1-2），那么。但設(shè)置PI調(diào)節(jié)器后，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差 ,甚至造成不穩(wěn)定，這可通過(guò)增加PI調(diào)節(jié)器微分時(shí)間常數(shù)T和

20、降低增益K來(lái)解決亦即適當(dāng)增大運(yùn)放器反饋回路的電容C和減小反饋回路的電阻R來(lái)解決）。3.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析 改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是在系統(tǒng)穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)誤差小于規(guī)定值的前提下進(jìn)行的，這通常也是通過(guò)增加PI調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)T和調(diào)整增益K來(lái)進(jìn)行的。上面通過(guò)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，介紹了分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般步驟與方法，下面將通過(guò)實(shí)例分析介紹讀解實(shí)際線路的一般步驟與方法。TsTsKsG) 1()(LT0n0s0nTsTsKs)1(lim0左右610kK）（ 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)），是由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。如前節(jié)所述，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速

21、的無(wú)靜差調(diào)速。又采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動(dòng)時(shí)的最大電流。這對(duì)一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿足要求。但是由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，加上電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達(dá)到最大值后便迅速降下來(lái)。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減小下來(lái)，使起動(dòng)加速過(guò)程變慢，起動(dòng)的時(shí)間也比較長(zhǎng)即調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)）。而有些調(diào)速系統(tǒng)，如龍們刨床Planer）、軋鋼機(jī)Rolling Mills等經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。因此，我們希望能充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)時(shí)的電流保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升

22、，使過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間大大縮短。另一方面在一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端綜合幾個(gè)信號(hào)，各個(gè)參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為了獲得近似理想的起動(dòng)過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)在一處綜合的缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)研究與實(shí)踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。7.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7-3-1所示。系統(tǒng)的組成框圖如圖7-3-2所示。 圖7-3-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)有兩個(gè)反饋回路，構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)回路，（故稱雙閉環(huán)）。其中一個(gè)是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)-反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個(gè)是由速度調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)-反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。由于速度環(huán)包圍電

23、流環(huán)，因此稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)又稱副環(huán)），稱速度環(huán)為外環(huán)又稱主環(huán)）。在電路中，ASR和ACR實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，即由ASR去“驅(qū)動(dòng)ACR，再由ACR去“控制觸發(fā)電路。圖中速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均為比例加積分PI調(diào)理，其輸入和輸出均設(shè)有限幅電路。ASR的輸入電壓為偏差電壓，（為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)），其輸出電壓即為ACR的輸入電壓，其限幅值為。 ACR的輸入電壓為偏差電壓，(為電流反饋系數(shù))，其輸出電壓即為觸發(fā)電路的控制電壓，其限幅值為。ASR和ACR的輸入、輸出量的極性，主要視觸發(fā)電路對(duì)控制電壓的要求而定。這里設(shè)觸發(fā)要求為正極性，由于運(yùn)放器為反相輸入端輸入，所以應(yīng)為負(fù)極性。由于電流為負(fù)反饋，于是便為正

24、極性。同理，由要求為負(fù)極性，則應(yīng)為正極性，又由于轉(zhuǎn)速為負(fù)反饋，所以便為負(fù)極性。各量的極性如圖7-3-1所示。在框圖中，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將調(diào)節(jié)器看成正相端輸入，而將極性識(shí)別放到具體線路中去。這樣調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)中的負(fù)號(hào)便可不寫，使分析也更容易理解。此外，ASR和ACR均有輸入和輸出限幅電路。輸入限幅主要是為保護(hù)運(yùn)放器。ASR的輸出限幅值為，它主要限制最大電流分析見(jiàn)下面）。ACR的輸出限幅值為，它主要限制晶閘管整流裝置的最大輸出電壓。圖7-3-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖7-3-3所示。圖中速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為sTsTKnnn1 電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為sT

25、sTKiii1 框圖中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)共有13個(gè) 電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速慣量到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械電動(dòng)機(jī)及機(jī)械負(fù)載折合極磁通量）電動(dòng)機(jī)工作磁通量（磁電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)恒量電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩恒量為電樞回路電感，數(shù)，電動(dòng)機(jī)電樞回路時(shí)間常電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻晶閘管整流裝置增益電流調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)，電流調(diào)節(jié)器增益。速度調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)。速度調(diào)節(jié)器增益。GeTddddddsiiiiiiinnnnnnnJKKLRLTTRKCRTTRRKKCRTTRRKK/00若系統(tǒng)再增添各種濾波環(huán)節(jié)，則參數(shù)還要增加。圖中的變量由共12個(gè)）；）電流反饋電壓（反饋量）轉(zhuǎn)速反饋電壓（反饋量）負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩（擾動(dòng)量轉(zhuǎn)速（輸出量）給定量（輸入量）

26、fifnLsnUUTnU此外各種參變量有：和為偏差電壓，為控制電壓，()為整流輸出電壓(電動(dòng)機(jī)電樞電壓)，Ia為電樞電流，E為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)，Te為電磁轉(zhuǎn)矩?？驁D中共有9個(gè)環(huán)節(jié)，其中一個(gè)反映了電磁慣性，一個(gè)反映了機(jī)械慣量。除了電機(jī)內(nèi)部的閉環(huán)外，它還有兩個(gè)閉環(huán)。系統(tǒng)框圖把圖中9個(gè)環(huán)節(jié)的功能框和它們之間的相互聯(lián)系，把各種變量之間的因果關(guān)系、配合關(guān)系和各種結(jié)構(gòu)參數(shù)在其中的地位和作用，都一目了然地、清晰地描繪了出來(lái)。這樣的數(shù)學(xué)模型，就為我們以后分析各種系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并進(jìn)而研究改善系統(tǒng)性能的途徑提供了一個(gè)科學(xué)而可靠的基礎(chǔ)。在討論工作原理時(shí)，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，運(yùn)放器的輸入端將“看作正相端輸入。 圖7-

27、3-3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖1) 電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用：電流環(huán)為由ACR和電流負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入電壓必為零，亦即。（假設(shè)，則積分環(huán)節(jié)將使輸出繼續(xù)改變）。由此可知，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，。此式的物理含義是：當(dāng)為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，整流裝置的電流將保持在的數(shù)值上。假設(shè)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)圖7-3-4。圖7-3-4電流環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程這種保持電流不變的特性，將使系統(tǒng)能： 自動(dòng)限制最大電流。由于ACR有輸出限幅，限幅值為，這樣電流的最大值便為，當(dāng)時(shí)，電流環(huán)將使電流降下來(lái)。由上式可見(jiàn)，整定電流反饋系數(shù)調(diào)節(jié)點(diǎn)位

28、器或整定ASR的限幅，即可整定的數(shù)值。一般整定額定電流）。 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)而引起電流波動(dòng)時(shí)，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器ACR 的調(diào)節(jié)作用，使電流很快回復(fù)原值。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響幾乎看不出來(lái)在僅有轉(zhuǎn)速環(huán)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)后，要通過(guò)轉(zhuǎn)速的變化，并進(jìn)而由轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣調(diào)節(jié)過(guò)程慢得多，速降也大）。2) 速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用：速度環(huán)是由ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。 由于ASR也是PI調(diào)節(jié)器，因此穩(wěn)態(tài)時(shí) ，由此式可見(jiàn)，在穩(wěn)態(tài)時(shí) 。此式物理含義是：當(dāng) 為一定的情況下，由于速度調(diào)節(jié)器ASR

29、的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在 的數(shù)值上。 假設(shè) ，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)圖7-3-5。圖7-3-5速度環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程此外，由式 可見(jiàn)，調(diào)理 (電位器RP1)即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n。整定電位器RP2，即可整定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，以整定系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速。 0nUUsnn/snUn snU/snU/snUn /snUn snU1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析 (1)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，就必須在擾動(dòng)量如負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化或電網(wǎng)電壓自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，就必須在擾動(dòng)量如負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化或電網(wǎng)電壓波動(dòng)作用點(diǎn)前，設(shè)置積分環(huán)節(jié)。由圖波動(dòng)作用點(diǎn)前，設(shè)置積分環(huán)節(jié)。由圖7-3-3可見(jiàn)，在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，可見(jiàn)，在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

30、中，雖然在負(fù)載擾動(dòng)量雖然在負(fù)載擾動(dòng)量TL作用點(diǎn)前的電流調(diào)節(jié)器為作用點(diǎn)前的電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，其中含有積分環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器，其中含有積分環(huán)節(jié)，但它被電流負(fù)反饋回環(huán)所包圍后，電流環(huán)的等效的閉環(huán)傳遞函數(shù)中，便不再含但它被電流負(fù)反饋回環(huán)所包圍后，電流環(huán)的等效的閉環(huán)傳遞函數(shù)中，便不再含有積分環(huán)節(jié)了，所以速度調(diào)節(jié)器還必須采用有積分環(huán)節(jié)了，所以速度調(diào)節(jié)器還必須采用PI調(diào)節(jié)器，以使系統(tǒng)對(duì)階躍給定信調(diào)節(jié)器，以使系統(tǒng)對(duì)階躍給定信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。(2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性由于由于ASR為為PI調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)為無(wú)靜差，穩(wěn)態(tài)誤差很小，一般講來(lái)，大多能調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)為無(wú)靜差，穩(wěn)態(tài)誤差很

31、小，一般講來(lái)，大多能滿足生產(chǎn)上的要求。其機(jī)械特性近似為一水平直線，如圖滿足生產(chǎn)上的要求。其機(jī)械特性近似為一水平直線，如圖7-3-7a段所示。段所示。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載，并當(dāng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器將使整流裝置輸出電壓明顯低，這一方面限制了電流繼續(xù)增長(zhǎng)，另一方面將使轉(zhuǎn)速迅速下降，(由，可見(jiàn)，當(dāng)，及，將使轉(zhuǎn)速n迅速下降至零)，于是出現(xiàn)了很陡的下垂特性，見(jiàn)圖7-3-7b段。此時(shí)的調(diào)節(jié)過(guò)程如圖7-3-6所示。 在圖7-3-7中，虛線為理想“挖土機(jī)特性”，實(shí)線為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性，由圖可見(jiàn)，它已很接近理想的“挖土機(jī)特性”。mT(1)(1)電流環(huán)分析電流環(huán)分析直流電動(dòng)機(jī)的等效傳遞函數(shù)為一個(gè)二階系統(tǒng)見(jiàn)7

32、.1.4分析），如今串接一個(gè)電流PI調(diào)節(jié)器，這樣電流環(huán)便是一個(gè)三階系統(tǒng)，若計(jì)及晶閘管延遲或調(diào)節(jié)器輸入處的R、C濾波環(huán)節(jié)(它相當(dāng)一個(gè)小慣性環(huán)節(jié))，那便成了四階系統(tǒng)。這時(shí)，倘若電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)較大，再加上電流調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不當(dāng)，則有可能形成振蕩(這在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，是常遇到的)，這時(shí)可采取措施有： 增加電流調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)Ti(RiCi)，主要是適當(dāng)增大電容Ci，因微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 降低電流調(diào)節(jié)器的增益Ki(Ri/R0)主要是減小Ri 通常，減小增益，有利系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)然scitK會(huì)使快速性差些。 在電流調(diào)節(jié)器反饋回路(Ri、Ci )兩端再并聯(lián)一個(gè)12的電阻(R2)。此時(shí)電流調(diào)節(jié)

33、器的傳遞函數(shù)為這里直接給定，請(qǐng)參考有關(guān)資料） 1)() 1()()()(2020sCRRsCRRRsUsUsGiiiii在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，通常是先將電流環(huán)的調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定好，使電流環(huán)保持穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差也較??；然后在此基礎(chǔ)上，再整定速度調(diào)節(jié)器參數(shù)（naKT 及 ）由圖7-3-3可見(jiàn)，電流環(huán)已是一個(gè)三階系統(tǒng)，如今再串聯(lián)一個(gè)速度(PI)調(diào)節(jié)器，那么系統(tǒng)將為四階系統(tǒng)，若計(jì)及輸入處的R、C濾波環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)便成了五階系統(tǒng)，若電流環(huán)整定得不好，再加上速度調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不好，很容易產(chǎn)生振蕩。若系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，可以采取的措施，與調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)相同。3系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析由于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直

34、流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)四階系統(tǒng)，因此，它的動(dòng)態(tài)性能主要是最大超調(diào)量往往達(dá)不到預(yù)期要求，針對(duì)這種情況，可以采取的措施有：(1)調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器參數(shù) 可適當(dāng)降低Kn(即使Rn)，以使最大超調(diào)量()減小，但調(diào)整時(shí)間ts將會(huì)有所增加。（2增設(shè)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)(Derivative Negative Feedback) 微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)就是反饋量通過(guò)電容器C再反饋到控制端；這種反饋的特點(diǎn)是只在動(dòng)態(tài)時(shí)起作用穩(wěn)態(tài)時(shí)不起作用）。這時(shí)因?yàn)橥ㄟ^(guò)電容器C的電流穩(wěn)態(tài)時(shí)，（電容相當(dāng)于斷路），這時(shí)微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)將使減小，使轉(zhuǎn)速的最大超調(diào)量減小。綜上所述，可知雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：具有良好的靜特性(接近理想的“挖土機(jī)特性”

35、)。具有較好的動(dòng)態(tài)特性，起動(dòng)時(shí)間短(動(dòng)態(tài)響應(yīng)快)，超調(diào)量也較小。系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差。由兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。這樣，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別調(diào)整(先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)速度環(huán))，調(diào)整方便。由于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性均很好，所以它在冶金、機(jī)械、造紙、印刷及印染等許多部門獲得很多的應(yīng)用。7.4 用用MATLAB仿真單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 前面我們已經(jīng)用MATLAB對(duì)解決了控制原理中的各種問(wèn)題。在此，將對(duì)簡(jiǎn)單閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，再應(yīng)用作者編寫的程序，進(jìn)行PI校正設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算設(shè)計(jì)后系

36、統(tǒng)的時(shí)域與頻域性能指標(biāo)是否滿足要求。請(qǐng)看以下示例。例例7-4-1 已知晶閘管已知晶閘管直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(VM系統(tǒng)系統(tǒng))的的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖7-4-1所示所示(Simulink是是MATLAB的有關(guān)控制系統(tǒng)一個(gè)工具箱，可參考有關(guān)文獻(xiàn)的有關(guān)控制系統(tǒng)一個(gè)工具箱，可參考有關(guān)文獻(xiàn))。在圖。在圖7-4-1 圖7-4-1 晶閘管直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中，電機(jī)參數(shù)： , ， , ,電機(jī)電樞電阻, V-M系統(tǒng)主電路總電阻 ,電樞主回路總電感L=40mH,拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩 ,整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù) ,三相橋平均失控時(shí)間 (1)要

37、求系統(tǒng)調(diào)速范圍D=15,靜差率S=5%,求閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K;(2)假設(shè) 時(shí)， ,求拖動(dòng)系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù) ；(3)計(jì)算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) ；(4)試問(wèn)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行?其臨界開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為多少?(5)試?yán)L制出比例調(diào)節(jié)器 與 系統(tǒng)的單位給定階躍響應(yīng)曲線以驗(yàn)證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。(6)以相角穩(wěn)定裕度=45為校正主要指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正；(7)以剪切頻率為校正主要指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正：(8)用根軌跡校正器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正。kWpnom2 . 2min/1500rnnomVUnom220AInom5 .121aR9 . 2R22.5 . 1mNGD 44SKsTS00167. 0VUn10

38、*min/1500rnnnompK20pK21pK解: (1)求滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K。 額定磁通下的電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比 syms Unom Inom nnom Ra Ce; Unom=220;Inom=12.5;Ra=1;nnom=1500; Ce=(Unom-Inom*Ra)/nnom 程序運(yùn)行結(jié)果 Ce =0.1383 即額定磁通下的電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce =0.1383V.min/r滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 syms nnom s D deltanc1; nnom=1500;s=0.05;D=15; deltanc1=nnom*s/(

39、D*(1-s)程序運(yùn)行結(jié)果deltanc1 =5.2632nomanomnomenRIUC)1 (sDsnnnomcl 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 syms Inom R Ce deltanop; Inom=12.5;R=2.9;Ce=0.1383; deltanop=Inom*R/Ce程序運(yùn)行結(jié)果deltanop =262.1114 即開(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 根據(jù)自動(dòng)控制理論有 syms deltanop deltanc1 K; deltanop=262.1114; deltanc1=5.2632; K=deltanop/deltanc1-1程序運(yùn)行結(jié)果K =48.8008enomopCRIn1clopnn

40、K(2) 求系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù) 對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7-4-2所示。根據(jù)自動(dòng)控制理論有如下方程組。nomnnU圖7-4-2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖式中：。 代入已知條件，得到圖7-4-2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖用MATLAB程序解此方程組：syms Un deltaUn alpha;Un,deltaUn=solve(Un=48.8008*deltaUn,10-Un=deltaUn);alpha=vpa(Un/1500,2)程序運(yùn)行結(jié)果alpha =.65e-2 即 a=0.0065V.minr=Kt48.8008.10nnnnUUUU (3)計(jì)算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) 。 根據(jù)

41、自動(dòng)控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K、測(cè)速反饋系數(shù) 、電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比 與放大系數(shù) 之間滿足關(guān)系式 ：PKespCKKK/eCPKsyms K Kp Ks Ce alpha;K=48.8008;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065; Kp=(K*Ce)/(Ks*alpha)程序運(yùn)行結(jié)果Kp =23.5984 即 Kp=23.5984 (4)計(jì)算參數(shù)與 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 。syms L R Ta;L=40e-3;R=2.9;Ta=L/R程序運(yùn)行結(jié)果Ta =0.0138即電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Ta=0.0138s 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù) syms GDpf R

42、 Ce Cm Tm; GDpf=1.5;R=2.9;Ce=0.1383;Cm=Ce*30/pi;Tm=GDpf*R/(375*Ce*Cm)程序運(yùn)行結(jié)果Tm =0.0635即飛輪矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù) memCCRGDT3752RLTa/0635. 0mT(5)繪制代參數(shù)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖7-4-3為模型l743.mdl，圖中 。 (6)求閉環(huán)系統(tǒng)臨界開(kāi)環(huán)放大系數(shù) 根據(jù)自動(dòng)控制理論的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為 其臨界開(kāi)環(huán)放大系數(shù)sassamTTTTTTK2)(sassamcrTTTTTTK2)( syms K Kcr Tm Ta Ts; Tm=0.0635; T

43、a=0.0138; Ts=0.00167;Kcr=(Tm*(Ta+Ts)+Ts2)/(Ta*Ts)程序運(yùn)行結(jié)果Kcr =42.7464圖7-4-3 帶參數(shù)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型rVKtmin/.0065. 0(7)求系統(tǒng)閉環(huán)特征根以驗(yàn)證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。a,b,c,d=linmod(l743);s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sysl=zpk(s1);P=sys.den1;roots(P) 程序運(yùn)行結(jié)果ans = 1.0e+002 * -6.7944 0.0409 + 2.2377i 0.0409 - 2.2377i即系統(tǒng)閉環(huán)特征根有兩個(gè)根的實(shí)部為正，

44、說(shuō)明系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。20pK21pK20pKespCKKK/(8)繪制出比例調(diào)節(jié)器與 系統(tǒng)的單位給定階躍響應(yīng)曲線以驗(yàn)證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。 比例調(diào)節(jié)器 時(shí)，求閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K。 根據(jù)，有syms Kp Ks Ce alpha;Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運(yùn)行結(jié)果K =41.3594 即對(duì)應(yīng)著閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù) 當(dāng) 時(shí)(需將動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖l743.mdl的 設(shè)置為20，下同)，繪制其系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。a,b,c,d=linmod(l743)；s1=ss(a,b,c,d)；sys=tf(s1); step(sy

45、s); 當(dāng) ，此時(shí)對(duì)應(yīng)著模型l743.mdl中的 ，程序方式下運(yùn)行程序l743.m，系統(tǒng)單位階躍響曲線應(yīng)呈現(xiàn)劇烈的振蕩(雖然是衰減的)，如圖7-4-4所示。 比例調(diào)節(jié)器時(shí) ，求閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K。 syms Kp Ks Ce alpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/Ce 程序運(yùn)行結(jié)果K =43.4273 當(dāng)Kp=21時(shí)，繪制其系統(tǒng)位階躍響應(yīng)曲線。當(dāng) ，此時(shí)對(duì)應(yīng)著模型p743.mdl中的K=21，程序方式下運(yùn)行程序，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)呈現(xiàn)發(fā)散的振蕩，如圖7-4-5所示，即系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。當(dāng)Kp=23.5984時(shí)，系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)

46、定。 3594.41pK20pKpK7464.423594.41/crespKCKKK20pK21pK7464.424273.43/crespKCKKK(9)分別以相角穩(wěn)定裕度與剪切頻率為校正主要指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正。模型p743.mdl即圖7-4-3的開(kāi)環(huán)模型為p743A.mdl,以下程序要用到它。調(diào)用自編函數(shù)lagc()設(shè)計(jì)PI校正器。（見(jiàn)附錄自編函數(shù)）a,b,c,d=linmod(l743A);s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);gama=48;Gc=lagc(1,s2,gama)wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc) 程序運(yùn)行結(jié)果 Transfer functio

47、n:0.1611 s + 1-1.699 s + 1Transfer function:0.2857 s + 1- 6.26 s + 11699. 111611. 0)(sssGc126. 612857. 0)(sssGc即以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標(biāo)的滯后校正器為，而以剪切頻率為校正主要指標(biāo)的滯后校正器為 驗(yàn)算設(shè)計(jì)的校正器的校正效果。(A)對(duì)以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標(biāo)的校正器為a,b,c,d=linmod(l743A)s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);gama=48;Gc=lagc(1,s2,gama)sys=s2*Gc;margin(sys); 從圖7-4-6可以看出，校

48、正后系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度達(dá)到預(yù)期目的。(B)對(duì)以剪切頻率為校正主要指標(biāo)的滯后校正器為a,b,c,d=linmod(l743A)s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)sys=s2*Gc;margin(sys);程序方式下運(yùn)行程序，繪制出系統(tǒng)的Bode圖如圖7-4-7所示。 1699. 111611. 0)(sssGc126. 612857. 0)(sssGc 從圖7-4-7可以看出，校正后系統(tǒng)剪切頻率 也達(dá)到預(yù)期目的。sradsradc/35/2 .35(10)用根軌跡校正器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正。 根據(jù)自動(dòng)控制理論，給開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)增加極點(diǎn)的作用

49、是使根軌跡向右半s平面移動(dòng)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；而給開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)增加零點(diǎn)的作用是使根軌跡向左半s平面移動(dòng)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)變好。 在程序方式下運(yùn)行以下MATLAB程序，則彈出系統(tǒng)根軌跡設(shè)計(jì)器，如圖7-4-8所示。a,b,c,d=linmod(l743A)s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);rltool(s2);在圖7-4-8中，用鼠標(biāo)單擊工具欄的Addrealzero按鈕為系統(tǒng)增加一個(gè)零點(diǎn)，會(huì)使系統(tǒng)從不穩(wěn)定變成穩(wěn)定，且具有很好的性能指標(biāo)。從圖7-4-8看出，為系統(tǒng)增加一個(gè)零點(diǎn)（-115后，系統(tǒng)成為穩(wěn)定的閉環(huán)。相角穩(wěn)定裕度 剪切頻率 ，模值穩(wěn)定裕度 ， 穿越頻率 ，其頻域性能指標(biāo)非常優(yōu)

50、良。 在圖7-4-8中，選擇Analysis菜單的Response toStep Command命令并執(zhí)行后，得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，如圖7-4-9所示。圖中顯示，其超調(diào)量=20，峰值時(shí)間，響應(yīng)超調(diào)一次后，即回落到穩(wěn)態(tài)值。這樣時(shí)域性能指標(biāo)也是很好的。50sradc/412dBLhsradg/例例7-5-1 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的晶閘管一直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的晶閘管一直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng)系統(tǒng))的的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7-5-1所示。圖所示。圖7-5-1中，電機(jī)參數(shù)：中，電機(jī)參數(shù)： , , 電機(jī)電樞電阻電機(jī)電樞電阻 ,整流裝置內(nèi)阻整流裝置內(nèi)阻 ,平波電抗器電阻平

51、波電抗器電阻 ,V-M系統(tǒng)主電路總電阻系統(tǒng)主電路總電阻 ,電樞主回路電樞主回路總電感總電感L=200mH,拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩 ,整流觸發(fā)裝置的整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù)放大系數(shù) ,三相橋平均失控時(shí)間三相橋平均失控時(shí)間 ,(1)要求系統(tǒng)調(diào)速范圍要求系統(tǒng)調(diào)速范圍D=20,靜差率靜差率s=10%,堵轉(zhuǎn)堵轉(zhuǎn)(最大最大)電流電流 ，臨界截止電流，臨界截止電流 , ACR、ASR均采用均采用PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，ASR限幅輸出限幅輸出 ，ACR限幅輸出限幅輸出 最大給定最大給定 。(1)試計(jì)算系統(tǒng)的參數(shù)：電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比試計(jì)算系統(tǒng)的參數(shù)：電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce、 閉環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降系統(tǒng)

52、穩(wěn)態(tài)速降 、觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)、觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks、電流反饋系數(shù)、電流反饋系數(shù)、電樞、電樞電磁時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)Ta、系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)、系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm、系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù)、系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù)；(2)選擇幾選擇幾個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)個(gè)濾波時(shí)間常數(shù) 、 、 與中頻寬與中頻寬h;(3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器傳遞數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器傳遞數(shù) ;(4)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù) ；(5)對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行單位階躍給行單位階躍給定響應(yīng)仿真與單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)仿真；（定響應(yīng)仿真與單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)仿真；（6對(duì)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié) 進(jìn)行計(jì)算；（進(jìn)行計(jì)算；

53、（7對(duì)帶轉(zhuǎn)速分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行單位階躍響應(yīng)仿真對(duì)帶轉(zhuǎn)速分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行單位階躍響應(yīng)仿真與單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)仿真；（與單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)仿真；（8對(duì)對(duì)5與與7兩項(xiàng)仿真做簡(jiǎn)單的比兩項(xiàng)仿真做簡(jiǎn)單的比較；（較；（9計(jì)算退飽和時(shí)間計(jì)算退飽和時(shí)間 與退飽和轉(zhuǎn)速與退飽和轉(zhuǎn)速 。kWpnom3min/1500rnnomVUnom220AInom5 .1725. 1aR3 . 1recR3 . 0LR85. 2R22.53. 3mNGD 38SKsTS00167. 0nomdblII1 . 2nomdclII2VUim8*VUctm8VUnm10*nomniT0nT0dnT0ssKsWii

54、iACR1)(ssKsWnniASR1)(10sTsdndntttn 解: (1)拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算與選擇。 額定磁通下的電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比nomanomnomenRIUC。 syms Unom Inom nnom Ra Ce; Unom=220;Inom=17.5;Ra=1.25;nnom=1500; Ce=(Unom-Inom*Ra)/nnom程序運(yùn)行結(jié)果Ce =0.1321 即額定磁通下的電機(jī)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce=0.1321V.min/r。)1 (sDsnnnomclmin/3333. 8rnnom 滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速率速降 syms nnom s D de

55、ltannom; nnom=1500;s=0.1;D=20; deltannom=nnom*s/(D*(1-s)程序運(yùn)行結(jié)果deltannom=8.3333即滿足要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降。 滿足系統(tǒng)要求的觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù) syms Ks nnom lbdl R Ce Uctm; Ce=0.1321;nnom=1500;Idbl=2.1*17.5;R=2.85;Uctm=8; Ks=(Ce*nnom+Idbl*R)/Uctm程序運(yùn)行結(jié)果Ks=37.8609取系統(tǒng)要求的觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù) 。 滿足系統(tǒng)要求的電流反饋系數(shù) 。syms beta Uim tdm Inom; Uim=8;Inom

56、=17.5;Idm=2.1*Inom; beta=Uim/Idm 程序運(yùn)行結(jié)果beta=0.2177即滿足系統(tǒng)要求的電流反饋系數(shù) 。 電機(jī)電區(qū)電磁時(shí)間常數(shù) syms Ta R L;L=200*10(-3);R=2.85;Ta=L/R程序運(yùn)行結(jié)果Ta=0.0702ctmdblnomesURInCK38sKnomimnomimIUnU1 . 2*AV.2177. 0RLTa 電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) syms GDpf R Ce Cm Tm; GDpf=3.53;R=2.85;Ce=0.1321;Cm=30*Ce/pi; Tm=GDpf*R/(375*Ce*Cm)程序運(yùn)行結(jié)果Tm=0.1610 即

57、電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=O.1610s。 滿足系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)syms alpha Un nnom;Un=10;nnom=1500;alpha=Un/nnom程序運(yùn)行結(jié)果alpha=0.0067即滿足系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。 選取電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) ;選取轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) ；選取轉(zhuǎn)速微分濾波時(shí)間常數(shù) ；選擇中頻寬h=5。memCCRGDT3752nomnnU*rmin/0067. 0sTi002. 00sTn01. 00sTTndn01. 000(2) 電流調(diào)節(jié)器 參數(shù)的計(jì)算。根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，選取積分時(shí)間常數(shù) ；三相橋整流電路平均失控時(shí)間 ;合并電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)為：電

58、流環(huán)開(kāi)環(huán)增益： ；電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ，所以電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ssKsWiiiACR1)(sTai0702. 0sTs00167. 0sTTTisi00367. 0002. 000167. 0012398.13600367.02121sTKiI2904. 3siIiKRKKssssssKsWiiiACR0213. 010702. 00702. 010702. 02904. 31)(3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 參數(shù)的計(jì)算。 根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論 ，合并轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) ；選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù) ；轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)ssKsWnnnACR1)(sTi00367. 0sTTTni

59、n0173. 001. 000367. 0220shTnn0173. 05;95.4000173. 0506212222sThhKnN24095. 80173. 00067. 085. 2101610. 01321. 02177. 062) 1(sRThTChKnmen采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7-5-2所示。 帶參數(shù)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7-5-3所示。用以下MATLAB程序繪制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。 a,b,c,d=linmod(l753);s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys); 程序運(yùn)行后，繪制的單位階躍響應(yīng)曲線如圖7-

60、5-4所示。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7-5-5所示。00.050.10.150.20.250.3050100150200250Step ResponseTime (sec)Amplitude圖7-5-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線圖7-5-5 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖l755.mdl用以下MATLAB程序繪制雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)仿真曲線。程序運(yùn)行后，繪制的單位階躍負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖7-5-6所示.a,b,c,d=linmod(l755); s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);t1=0:0.001:0.3;step(sys,t1);