單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真-文庫(kù)吧
2025-06-14 22:49 本頁(yè)面
【正文】 ），它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。MATLABSGI由美國(guó)MathWorks公司開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè)工程領(lǐng)域，并且不斷加以完善。本文通過對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析，比較開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。2 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 V—M系統(tǒng)簡(jiǎn)介晶閘管—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V—M系統(tǒng)），其簡(jiǎn)單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：1．由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。2．元件對(duì)過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)有足夠的余量。圖1 V—M系統(tǒng)1．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。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值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即靜差率用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。 調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的必須同時(shí)提才有意義。脫離了對(duì)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。3．調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差，即于是，而調(diào)速范圍為將上面的式代入，得上式即為調(diào)速范圍、靜差和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是s越小，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖。圖2 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1．忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都是線性的；2．假定只工作在V——M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；3．忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流與觸發(fā)裝置：V—M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性：測(cè)速發(fā)電機(jī)：——放大器的電壓放大系數(shù)；——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；α——測(cè)速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r。因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示： 圖3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣?？傊甂越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有K=∞才能使，而這是不可能的。 比例放大器 運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖4，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響 放大系數(shù)為 圖4 P調(diào)節(jié)器原理圖 圖5 P調(diào)節(jié)器輸出特性 比例積分放大器在定性分析控制系統(tǒng)的性能時(shí)，通常將伯德圖分成高、中、低三個(gè)頻段，頻段的界限是大致的。圖6為一種典型伯德圖的對(duì)數(shù)幅頻特性。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對(duì)快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器。采用運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)器如圖7。 圖6 典型控制系統(tǒng)的伯德圖 圖7 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為——PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。此傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式式中—PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征有以下四個(gè)方面： 20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；，則系統(tǒng)的快速性越好；、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差
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