【正文】 。 直流調速系統(tǒng)的發(fā)展史直流傳動具有良好的調速特性和轉矩控制性能，在工業(yè)生產中應用較早并沿用至今。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關設備切換直流電動機電樞或磁場回路電阻實現有級調速。1930年以后出現電機放大器控制的旋轉交流機組供電給直流電動機（由交流電動機M和直流發(fā)電機G構成，簡稱G—M系統(tǒng)），以后又出現了磁放大器和汞弧整流器供電等，實現了直流傳動的無接點控制。其特點是利用了直流電動機的轉速與輸入電壓有著簡單的比例關系的原理，通過調節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機，從而方便地實現調速。但這種調速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。1957年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動中占主導地位。由于電力電子技術與器件的進步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經濟性不斷提高，在20世紀相當長的一段時間內成為調速傳動的主流。今天正在逐步推廣應用的微機控制的全數字直流調速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。直流傳動之所以經歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產中得到廣泛應用，關鍵在于它能以簡單的手段達到較高的性能指標。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達數十萬分之一，寬調速系統(tǒng)的調速比達1：10000以上，快速響應系統(tǒng)的響應時間已縮短到幾毫秒以下。在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較高的機電能量轉換效率；二是應能根據生產機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調速性能如何對提高產品質量、提高勞動生產率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調速技術一直是研究的熱點。 長期以來，直流電動機由于調速性能優(yōu)越而掩蓋了結構復雜等缺點廣泛的應用于工程過程中。直流電動機在額定轉速以下運行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現恒定轉矩調速；在額定轉速以上運行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現恒功率調速。直流電動機具有良好的運行和控制特性，長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是目前直流調速系統(tǒng)中的主流設備，它具有調速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領域中發(fā)揮著極其重要的作用。自19世紀80年代起至19世紀末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機一直以直流電動機為唯一方式。到了19世紀末，出現了三相電源和結構簡單，堅固耐用的交流籠型電動機以后，交流電動機傳動在不調速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。然而，隨著生產的不斷發(fā)展，調速對變速傳動裝置是一項基本的要求，現代應用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調速范圍和連續(xù)（無級）調速的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。雖然直流電動機可以滿足這些要求，但由于直流電動機在容量、體積、重量、成本、制造和運行維護方面都不及交流電動機，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調速電動機代替直流電動機。從60年代起，國外對交流電動機調速已開始重視。隨著電力電子學與電子技術的發(fā)展，特別是電力半導體器件的發(fā)展，使得采用半導體變流技術的交流調速系統(tǒng)得以實現。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現代控制理論的應用，為交流電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進了各種類型交流調速系統(tǒng)：如串級調速系統(tǒng)，變頻調速系統(tǒng)，無換向器電動機調速系統(tǒng)以及矢量控制調速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。但就目前而言，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(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速的場合得到廣泛的應用。直流電動機可逆調速系統(tǒng)數字化已經走向實用化，其主要特點是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結構，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) 動態(tài)參數調整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機交換信息； (7) 具有信息存儲、數據通信的功能； (8) 成本較低。而且，直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術的角度來看，又是交流調速系統(tǒng)的基礎，因此，應首先著重研究直流調速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調速系統(tǒng)進行研究和探索[1]。 研究雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的目的和意義轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng), 采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。首先，應掌握轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數學模型的基礎上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉速與電流兩個調節(jié)器的作用；第三，研究一般調節(jié)器的工程設計方法，和經典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設計方法的優(yōu)點，即計算簡便、應用方便、容易掌握；第四，應用工程設計方法解決雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中兩個調節(jié)器的設計問題，等等。通過對轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調速系統(tǒng)的基本理論及相關內容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(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，再對交流調速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調速系統(tǒng)的原理，使之能夠應用于國民經濟各個生產領域。 本文的研究內容本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計參數進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數給定下的仿真，通過仿真獲得了參數整定的依據。本文的主要工作：1. 掌握電機傳動的工作原理及應用；2. 設計調速系統(tǒng)；主要內容包括：觸發(fā)電路設計；電流調節(jié)器設計；轉速調節(jié)器設計。3. 建立數學模型，計算其參數；4. 進行數字仿真，驗證其設計；5. 完成相關實驗。第二章 直流調速系統(tǒng) 直流調速系統(tǒng)的調速原理及性能指標 直流調速系統(tǒng)的調速原理直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內平滑調速，所以由晶閘管—直流電動機(V—M)組成的直流調速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎[1，6]。從生產機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉速來實現的，因此，調速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉速和其它參量的關系和用式（2—1）表示 （2—1）式中 n——電動機轉速；U——電樞供電電壓； I——電樞電流； R——電樞回路總電阻，單位為 ——由電機機構決定的電勢系數。在上式中， 是常數，電流I是由負載決定的，因此，調節(jié)電動機的轉速可以有三種方法：（1）調節(jié)電樞供電電壓U；（2） 減弱勵磁磁通；（3） 改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現有級調速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調速，但調速的范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以改變電壓調速為主。 直流調速系統(tǒng)的性能指標根據各類典型生產機械對調速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調速指標。靜態(tài)調速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉速和最低轉速范圍內調節(jié)轉速，并且要求在不同轉速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響[1，6]。一、靜態(tài)性能指標1）．調速范圍 生產機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉速與最低轉速之比，稱為調速范圍，用符號D表示 （2—2）2）．靜差率靜差率是用來表示負載轉矩變化時，轉速變化的程度，用系數s來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落與理想空載轉速之比，用百分數表示為 （2—3）顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大，越小，靜差率就越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖2—1中的線1和線2，它們有相同的轉速降落=，但由于，因此。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉速的相對穩(wěn)定性就越差。在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min時，電動機就停止轉動，轉速全都降落完了。由圖2—1可見，對一個調速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉速運行的靜差率s，那么，其它轉速的靜差率也必然都能滿足。 圖2—1事實上，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍；反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。 動態(tài)性能指標生產工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。一、跟隨性能指標在給定信號（或稱參考輸入信號）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來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量c(t)與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達到的時間越快越好。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間，超調量和調節(jié)時間：1）上升時間在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性，見圖2—2。圖2—22）超調量 在典型的階躍響應跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)