【正文】 其是 70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 3 的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。國際上許多國家交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化階段，大有取代直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的勢頭。 但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍 然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没渲饕攸c(diǎn)是： （ 1） 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； （ 2） 動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； （ 3） 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性；（ 4） 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； （ 5） 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； （ 6） 容易與上一級(jí)計(jì) 算機(jī)交換信息； （ 7） 具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信的功能； （ 8） 成本較低。 而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索 [1]。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 4 與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 和經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)；第四，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題等等。 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷，通過對該系統(tǒng)不足之處的 完善，提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 課題研究的主要內(nèi)容 研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn) 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真 為目標(biāo)，主要內(nèi)容有： 直流調(diào)速系統(tǒng)的概念、原理 以及性能指標(biāo)； 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的理論分析及其數(shù)學(xué)模型的建立； PWM 脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)及橋式可逆 PWM 變換器的簡介 ； 設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)行仿真等。 論文安排 理論部分：第 1章和第 2章主要介紹直流調(diào)速系統(tǒng) 的 概念、 特點(diǎn)、原理 和性能指標(biāo)，以及直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的理論分析和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。 第 3 章主 要介紹 PWM 脈寬調(diào)制原理和作用 。 設(shè)計(jì) 部分：第 4章詳細(xì)介紹了 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的參設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選定 。 仿真 部分： 根據(jù)設(shè)計(jì)方法和參數(shù)的選定，運(yùn)用 MATLAB 中的 SIMULINK對雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出結(jié)論。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 5 第 2 章 閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無法滿足人們期望的性能指標(biāo)，本章就閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)展開討論。簡單介紹 了直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析，以及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 直流電動(dòng)機(jī) （ VM） 組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [1， 7]。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多 電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（ 21）表示 ??? eK IRUn （ 21） 式中 n —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； U —— 電樞供電電壓； I —— 電樞電流； R —— 電樞回路總電阻，單位為 ? ； eK —— 由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢系數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2）減弱勵(lì)磁磁通 ? ； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 6 （ 3）改變電樞回路電阻 R 。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同 轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力?？箶_動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響 [1， 7]。 靜態(tài)性能指標(biāo) （ 1） 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號(hào) D 表示 minmaxnnD? （ 22） （ 2） 靜差率 靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。具體是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性線上，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %10 0%10 0 000 ?????? n nnnns eded （ 23） 顯然，機(jī)械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 7 度就越高。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。對于圖 21 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落 21 eded nn ??? ，但由于 12 oo nn ? ，因此 12 ss? 。這表明平行機(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。在 1000r/min 時(shí)降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 時(shí)也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全都降落完了。 由圖 21 可見，對一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。 圖 21 不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性 事實(shí)上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。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轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫 離了對靜差率的要求。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) （ 1）跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 8 出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?C 的偏差越小越好，達(dá) 到 ?C的時(shí)間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間： a、 上升時(shí)間 rt 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值?C 所經(jīng)過的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖 22。 圖 22 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo) b、 超調(diào)量 ? 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量 與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %1 0 0m a x ??? ? ?C CC? （ 24） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。 c、 調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因 素并不是這樣。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 )%2%(5 ?? 或 的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 9 超出該誤差帶所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，可見圖 22。 （ 2） 抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見圖 23。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間： a、 動(dòng)態(tài)降落 maxC? 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 maxC? 叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?C 的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 2?C ， )( 21 ?? ?CC是系統(tǒng)在該擾動(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（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落 maxn? 。 b、 恢復(fù)時(shí)間 ft 從階躍擾動(dòng) 作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?C 之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量 bC 的 )%2%(5 ?? 或 范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間 ft ，其中 bC 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。 實(shí)際系統(tǒng)中對于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。 圖 23 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過 程和抗擾性能指標(biāo) 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 10 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 ： 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 ， 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 （ 電壓 ） 低于給定值 ， 速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào) ，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ， 速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ， 速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 ， 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào) ， 直流電壓迅速上升 ， 電流也隨即增大直到等于最大給定值 ， 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng) 。 電動(dòng)機(jī)的最大電流 （ 堵轉(zhuǎn)電流 ） 可以通過整定速度調(diào) 節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 ， 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零 ， 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ， 閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用 。對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng) ， 速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ， 使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化 ， 從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) ， 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) ， 可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí) ， 迅速使電流恢復(fù)到原來值 ， 從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 [1， 5， 7]。 雙閉環(huán) 直流 調(diào)速 系統(tǒng) 的 組成及其靜特性 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，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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 24 所示。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，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 11 圖 24 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中： ASR—— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR—— 電流調(diào)節(jié)器； TG—— 測速發(fā)電