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(hào)： 審定成績(jī)： 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(jí) ：學(xué) 號(hào) ：指 導(dǎo) 教 師 ：答辯組 負(fù)責(zé)人 ：填表時(shí)間： 2010 年 6 月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要本文先對(duì)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(jiǎn)要介紹，并對(duì)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(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。文中對(duì)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

2、環(huán)控制系統(tǒng)的特性。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(duì)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(duì)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(duì)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、

3、抗擾動(dòng)能力等?！娟P(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 preli

4、minary analysis. 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

5、 principle 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 t

6、he proportion 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 design

7、ing process, 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 clo

8、se-loop 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-r

9、egulating 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(shì)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(jiǎn)史5二、MATLAB仿真軟件的發(fā)展現(xiàn)狀5第四節(jié) 調(diào)速

10、控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(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

11、統(tǒng)32一、直流脈寬調(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(jiǎn)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- 42 -前 言運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要研究的對(duì)象之一就是調(diào)速。而調(diào)速?gòu)拇蟮姆较蚍?，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(zhǎng)期以來(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)一直處于壟斷地位。近年來(lái)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

12、然很有研究?jī)r(jià)值。雖然直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)完善，但對(duì)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(duì)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(jiǎn)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

13、電氣原理圖的方法，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)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(jiǎn)短、概括介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于作者學(xué)識(shí)有限，在文中如有不當(dāng)之外，請(qǐng)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(duì)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

14、多，用途各異1。1 按被控物理量分。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(jìng)爭(zhēng)、相互促進(jìn)

15、中，不斷完善并發(fā)生著變化。由于歷史上最早出現(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(duì)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

16、擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，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(chǎng)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(duì)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(lái)，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

17、調(diào)速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件，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(shì)歸納目前大量應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)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(shì)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(huì)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(shì)，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(shì)。隨著交流調(diào)速系統(tǒng)

18、成本的逐步降低，不僅現(xiàn)在的直流調(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(lái)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(jiǎn)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(lái)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(chǎng)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(cè)器和辨

19、識(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，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(jiǎn)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(duì)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(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力

20、拖動(dòng)系統(tǒng)。按供電方式不同，它可分為交流拖動(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(guó)直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢(shì)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(jiǎn)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(wú)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

21、節(jié) 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真一、計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展簡(jiǎn)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(duì)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(lái)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(lái)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

22、學(xué)及有效的手段。在控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真初期，往往需要仿真技術(shù)人員自己用BASIC等語(yǔ)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(lái)。顯然，求解這樣簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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MATL

23、AB的Simulink工具箱對(duì)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(duì)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(guó)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(jí)語(yǔ)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(kù)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MathWork

24、s公司推出以來(lái)，MATLAB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)。現(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(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,現(xiàn)已成為國(guó)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(tái)，通過MATLAB及其相關(guān)工具箱，可以在統(tǒng)一的平臺(tái)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)

25、建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)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(yǔ)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(duì)這些基本模塊的使用，再將它們連接起來(lái)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(duì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也有所不同，歸納起來(lái)有下列三個(gè)方面3：1 調(diào)速。在一定的最高

26、轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，有級(jí)或無(wú)級(jí)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(lái)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(duì)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(duì)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

27、下，運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，用表示，即 (1.1)對(duì)于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來(lái)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(duì)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(lái)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(lái)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

28、性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，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(duì)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(duì)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

29、落占到；當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速降落，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)了。由此可見，離開了對(duì)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(duì)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(lái)，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(duì)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(duì)靜差率的要

30、求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍越小。當(dāng)對(duì)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(duì)階躍給定輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)過程來(lái)表示。系統(tǒng)對(duì)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

31、為上升時(shí)間，它反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)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(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對(duì)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(lái)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(zhǎng)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(duì)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

32、的性能是主要的，就以哪一方面為主。對(duì)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(huì)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

33、該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落，動(dòng)態(tài)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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)跟隨性能

34、和抗擾性能都有一定的要求。一般來(lái)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(duì)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(jiǎn)要闡述。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，本章對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)最新動(dòng)態(tài)作了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)對(duì)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)仿真作了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)現(xiàn)在非常流行的仿真軟件MATLAB軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)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(duì)兩種性能指標(biāo)的有關(guān)參數(shù)作了簡(jiǎn)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：

35、、。晶閘管觸發(fā)整流電路裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓，電壓放大系數(shù)，V-M系統(tǒng)電樞回路的總電阻。測(cè)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(wú)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(duì)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(duì)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(hào)、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

36、部分組成。其電氣原理圖如圖2.1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(shì)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

37、是脈動(dòng)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕或主回路電感量不大時(shí)，會(huì)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(shì)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(zhǎng)線與縱軸的交點(diǎn)作為理想空載轉(zhuǎn)速。對(duì)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(lái)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(cè)特

38、性上計(jì)算出來(lái)。嚴(yán)重時(shí)可達(dá)實(shí)際電阻的幾十倍。從總體來(lái)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(duì)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?jiǎn)?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(duì)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(lái)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

39、的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖2.3所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)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(lái)產(chǎn)生給定控制信號(hào)，它一般由高精度的直流穩(wěn)壓電源和用于改變給定信號(hào)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(lái)將給定信號(hào)和反饋信號(hào)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，

40、將輸入信號(hào)放大成整流電壓。一般觸發(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(lái)分析時(shí)，其輸出和輸入呈線性關(guān)系。 速度檢測(cè)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)的作用通過一臺(tái)測(cè)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(shì)、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

41、例放大器的反饋控制系數(shù)，其被調(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(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。

42、上面只討論了負(fù)載變化這樣一種擾動(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(huì)被測(cè)速裝置檢測(cè)出來(lái)，再通過反饋控制作用，減小它們對(duì)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(lái)了，反饋控制系統(tǒng)對(duì)它們都有抑制功能。但是，如果在反饋通道上的測(cè)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(huì)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，

43、在設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，可以只考慮一種主要擾動(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(hào)，它的微小變化都會(huì)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(duì)給定信號(hào)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(cè)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(wú)法鑒別是對(duì)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

44、的給定穩(wěn)壓電源。反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的。對(duì)于上述調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說，反饋檢測(cè)裝置就是測(cè)速發(fā)電機(jī)。如果測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生變化，會(huì)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(cè)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(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)周期性的干擾。采用光電編碼盤的數(shù)字測(cè)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

45、負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為=5.26r/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(shì)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(cè)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比和電位器RP2的分壓系數(shù)，即 (2.7)根據(jù)測(cè)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(duì)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)

46、學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(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(lái)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

47、能在主電路中接入的其他電阻和電感，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(duì)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(duì)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(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分

48、別為，。3、由設(shè)計(jì)要求計(jì)算直流電動(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

49、依據(jù)穩(wěn)定條件得 (2.25)即 (2.26)化簡(jiǎn)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)

50、傳遞函數(shù)是： (2.29)用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) %

51、求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。step(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(lái)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

52、，意味著動(dòng)態(tài)過程振蕩弱，超調(diào)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(duì)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，

53、斜率變成0db/dec。將PI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(duì)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(lái)。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(duì)消。為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對(duì)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(lái)了35。圖2.10 原系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖由原系統(tǒng)對(duì)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=-2