【正文】 好的動(dòng)靜態(tài)效果 [7]。晶閘管 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶(hù)的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流控制的基礎(chǔ) [8]。在我們國(guó)內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過(guò)了 幾十年的發(fā)展時(shí)期，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，但是目前的趨勢(shì)仍是追趕著發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。 從 80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置直流調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、良好的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的應(yīng)用 [9]。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類(lèi)儀器儀表，機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 2 生產(chǎn)過(guò)程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的總的發(fā)展趨勢(shì)也向著控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的意義 MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、精度高等許多優(yōu)點(diǎn)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用 [10]。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。此系統(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) [11]。 、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而得到它們各自的不足之處，從而突出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性以及必要性。 VM 系統(tǒng)和雙閉環(huán) PWMM 調(diào)速系統(tǒng)這兩種典型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的仿真分析，幫助我們更好的了解和應(yīng)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過(guò) 對(duì)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(chǎng)合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 論文的主要研究?jī)?nèi)容 ，其中包括單閉環(huán)有、無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)以及帶電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。通過(guò)比較它們的仿真分析結(jié)果，得出它們的不足之處，從而引出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 ，其中包括建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的方框圖以及仿真模型。并且通過(guò)仿真分析結(jié)果，與簡(jiǎn)單的閉環(huán)調(diào)速仿真分析進(jìn)行比較，從而得出雙閉環(huán)直流調(diào)速優(yōu)越性。 VM 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)果分析等。 PWMM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，其中包含調(diào)節(jié)器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖仿真，虛擬模型圖仿真，仿真結(jié)構(gòu)分析等。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 3 第二章 仿真軟件以及相關(guān)硬件簡(jiǎn)介 MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái) MATLAB 是一種科學(xué)計(jì)算軟件， MATLAB 是“矩陣實(shí)驗(yàn)室” (Matrix Laboratory)的縮寫(xiě)，這是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。它由于使用方便，輸入便捷，運(yùn)算高效，適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶(hù)自行擴(kuò)展的空間，特別受到用戶(hù)的歡迎。從而使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國(guó)內(nèi)外高校教學(xué)和科學(xué)研究的常用軟件。 MATLAB 提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink 可以有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，而且仿真過(guò)程是交互的，可以隨意地改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的仿真結(jié)果。另外使用 MATLAB 中的各種分析工具，還能對(duì)仿 真結(jié)果進(jìn)行分析以及可視化。 Simulink 仿真平臺(tái)具有如下特點(diǎn)： （ 1） 系統(tǒng)仿真模型（即框圖）完成后，設(shè)置了仿真參數(shù)，即可啟動(dòng)仿真。仿真開(kāi)始時(shí)，軟件首先自動(dòng)進(jìn)行被仿真電路和系統(tǒng)的初始化過(guò)程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)方程，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計(jì)算系統(tǒng)在給定激勵(lì)下的響應(yīng)。 （ 2） 系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過(guò)波形和曲線觀察，這和實(shí)驗(yàn)室中用示波器觀察的效果幾乎是一致的。 （ 3） 以框圖形式仿真控制系統(tǒng)是 Simulink 的最早功能，后來(lái)在 Simulink 的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、模糊控制等數(shù)十種模型庫(kù)，但是 Simulink 的窗口界面是各種模型庫(kù)共用的平臺(tái)，在這平臺(tái)上可以控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的仿真 [12]。 仿真的數(shù)值算法 仿真的數(shù)值算法有很多種，其中包括 Ode23， Ode15s， Ode45， Ode113， Ode23s，Ode23t， Ode23tb 等，而我在接下來(lái)的仿真軟件件主要運(yùn)用到的是 Ode45 和 Ode23tb這兩種，下面我將對(duì)其進(jìn)行大致的介紹。 Ode45 (DormandPrince)基于顯式 RungKutla(4,5)和 Dormand Prince 組合的算法，它是一種一 步解法，即只要知道前一時(shí)間點(diǎn)的解 y(tn1)，就可以立即計(jì)算當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的方程解 y(tn)。對(duì)大多數(shù)仿真模型來(lái)說(shuō)，首先使用 ode45 來(lái)解算模型是最佳的選擇，所以在 SIMULINK 的算法選擇中將 ode45 設(shè)為默認(rèn)的算法。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 4 Ode23tb（ stiff/TRBDF2)采用 TRBDF2 算法，即在龍格 庫(kù)塔法的第一階段用用梯形法，第二階段用二階的 backward differentiation formulas 算法，在容差比較大時(shí)， ode23tb 和 ode23t 都比 ode15s 好 [13]。 工程設(shè)計(jì)法 作 為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩步 : 第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿(mǎn)足所需的穩(wěn)態(tài)精度。 第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。 這樣做，就把穩(wěn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問(wèn)題分為兩步來(lái)解決，第一步先解決主要矛盾，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后第二步再進(jìn)一步滿(mǎn)足其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 直流電動(dòng)機(jī) 在即將進(jìn)行的仿真設(shè)計(jì)中，直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)不可或缺的部分。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在寬范圍內(nèi)進(jìn) 行平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。并且它在軌鋼機(jī)、金屬切割機(jī)床、高層電梯、鐵路機(jī)車(chē)、造紙機(jī)、礦井卷場(chǎng)機(jī)、挖掘機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。 在目前知道的范圍內(nèi)，可控直流電源 —— 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、開(kāi)環(huán)直流調(diào)速、單閉環(huán)直流調(diào)速、雙閉環(huán)直流調(diào)速以及直流脈寬 PWMM 等調(diào)速系統(tǒng)的仿真 [14]。 直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維修困難，需備有直流電源才能使用。但因直流電動(dòng)機(jī)具有較高的過(guò)載能力、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的啟動(dòng)、制動(dòng)、平滑的調(diào)速性能，可以在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，能 在很短的時(shí)間里改變轉(zhuǎn)向，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式 [15]。轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且設(shè)計(jì)較為方便的特點(diǎn)，是應(yīng)用非常廣泛的一種直流調(diào)速系統(tǒng) [16]。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 5 第三章 簡(jiǎn)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、三相整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。如圖 是單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 [17]。其中的 Subsystem 模塊 如圖 所示。 圖 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 圖 Subsystem 模塊 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 6 三相對(duì)稱(chēng)電壓源建模和參數(shù)設(shè)置。提取交流電壓源模塊 AC Voltage Source（路徑為 SimPower Systems/Electrical Source/AC Voltage Source） ,再用復(fù)制的方法得到三相電源的另外兩個(gè)電源模塊，并把模塊標(biāo)簽分別改為“ A”、“ B”、“ C”，從路徑 SimPower Systems/Elements/Ground 取 接地元件 Ground，按圖 1 主電路圖進(jìn)行連接。 三相對(duì)稱(chēng)電壓源參數(shù)設(shè)置。雙擊三相交流電壓源圖標(biāo)，打開(kāi)電壓源參數(shù)對(duì)話框，A 相交流電壓源參數(shù)設(shè)置：峰值電壓為 220V，初相位為 0176。，頻率為 50Hz，其他默認(rèn)值如圖 所示。 B 相和 C 相交流電壓源設(shè)置參數(shù)方法：參數(shù)設(shè)置除了相位相差120176。外，其他參數(shù)與 A 相相同，注意 B 相的初始相位為 240176。， C 相的初始相位為120176。，由此可以得到三相對(duì)稱(chēng)交流電源。 圖 AC Voltage Source 模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 晶閘管整流橋的建模和主要參數(shù)設(shè)置。取晶閘管整流橋 Universal Bridge 的路徑為 SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge，并將模塊標(biāo)簽改為“三相整流橋”然后雙擊模塊圖標(biāo)打開(kāi)整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖 ，當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取 3，電力電子元件選擇晶閘管，其他參數(shù)設(shè)置原則： 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 7 如果針對(duì)某個(gè)具體交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)話框中應(yīng)該取該調(diào)速系統(tǒng)中晶閘管元件的實(shí)際值。如果不是針對(duì)某個(gè)具體調(diào)速系統(tǒng)的仿真，可以取默認(rèn)值進(jìn)行仿真，如果仿真結(jié)果不理想，就要適當(dāng)調(diào)整各模塊參數(shù)。 平波電抗器的建模 和參數(shù)設(shè)置。提取電抗器元件 RLC Branch，路徑為SimPower/Elements/RLC Branch，由于無(wú)單個(gè)電感元件，通過(guò)參數(shù)設(shè)置改為純電感元件，其電抗為 1e3，即電抗值為 。參數(shù)設(shè)置如圖 。 圖 三相整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置。提取直流電動(dòng)機(jī)模塊 DC Machine 的路徑為SimPower Systems/Machines/DC machine，將模塊標(biāo)簽改為直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組接直流電源 DC Voltage Source，雙擊此圖 標(biāo)。打開(kāi)參數(shù)設(shè)置框，電壓參數(shù)設(shè)為 220V。電樞繞組經(jīng)平波電抗器同三相整流橋連接。電動(dòng)機(jī) TL 端口接負(fù)載轉(zhuǎn)矩。用變量 Step 表示，其提取路徑為 Simulink/Sources/Step,參數(shù)設(shè)置如圖 ，可以看出開(kāi)始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 50，在 2s后負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)?100，負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊標(biāo)簽改為“ TL”。直流電動(dòng)機(jī)輸出 m 口有 4 個(gè)合成信號(hào)，用模塊 Demux（路徑為 Simulink/Signal 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū) 8 Routing/Demux） 把這 4 個(gè)信號(hào)分開(kāi)。雙擊此模塊，把參數(shù)設(shè)置為 4，表明有 4 個(gè)輸出，從上到下依次是電機(jī)