【正文】 畢業(yè)設(shè)計論文. 直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真研究摘 要直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而用MATLAB軟件對直流調(diào)速系統(tǒng)進行虛擬環(huán)境下的仿真研究，不僅使用方便，也大大降低了研究成本。本文敘述了直流電動機的基本原理和調(diào)速原理，介紹了直流電動機開環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜、動態(tài)特性，并且根據(jù)直流電動機的基本方程建設(shè)立了調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，用工程設(shè)計方法設(shè)計了直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。最后，用MATLAB仿真軟件搭建了仿真模型，對調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真研究。通過對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的研究與仿真，可以清楚地看到，直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，可以在給定調(diào)速范圍內(nèi)，實現(xiàn)無靜差平滑調(diào)速，這為直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的硬件實驗提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；雙閉環(huán)系統(tǒng)；電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；計算機仿真Simulation Research on Speed Regulation System of Double Closed Loop of DC MotorABSTRACTDC motor has a good effect, braking performance, appropriate for smooth speed control in a wide range, and DC speed control system both in theory and practice more mature, is to study the basis of other control system. The DC converter using MATLAB software system for simulation of virtual environments is not only easy to use, but also greatly reduce the research costs.This paper describes the basic principle of DC motor and speed control principle, introduced the openloop DC motor and dualloop speed control system ponents and the static and dynamic characteristics, and according to the basic equation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram shows the dynamic structure, designed by engineering design of DC Speed ??Regulation system. Finally, the simulation software MATLAB simulation model built on the speed control system was simulated.By DC Motor Speed ??Regulation of the dynamic characteristics and simulation, we can see clearly, doubleloop DC motor speed control system has good dynamic performance, you can within a given speed, a smooth static errorfree speed, which for the DC motor speed control system hardware to provide a theoretical basis for experimentalKey words: Speed control of DCdrivers；Doubleclosedloop；Current regulator；Speed regulator；Computer simulation目 錄摘 要 IABSTRACT II1 緒論 1 課題背景 1 課題研究的目的和意義 2 論文的主要內(nèi)容 22 直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 4 直流電動機簡介 4 直流電動機的工作原理 4 直流電動機的運行特性 4 直流電動機的起動與調(diào)速 5 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 6 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 8 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及動態(tài)校正 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能 12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法 14 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 193 直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與研究 26 MATLAB簡介 26 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 28 仿真結(jié)果分析 354 結(jié) 論 36致 謝 37參 考 文 獻 38附錄A 英文翻譯—原文部分 39附錄B 英文翻譯—譯文部分 41.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1 緒論 課題背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計算機的結(jié)合促進了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。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，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。對于那些在實際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險或?qū)嶒炠M用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對設(shè)計好的系統(tǒng)直接進行實驗。然而沒有經(jīng)過實驗研究是不能將設(shè)計好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實際中去的。因此就必須對其進行模擬實驗研究。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進行實驗，但這種方法十分費時而且費用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計算機的迅速發(fā)展，采用計算機對控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。 但是長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進行分析和可視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機械的、電子的等現(xiàn)實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。自70年代以來，國內(nèi)外在電氣傳動領(lǐng)域內(nèi)，大量地采用了“晶閘管直流電動機調(diào)速”技術(shù)(簡稱V—M調(diào)速系統(tǒng))。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V—M系統(tǒng)的應(yīng)用量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計與理論學(xué)習(xí)過程中，會接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(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)。由于直流電機的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟性不斷提高。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。 課題研究的目的和意義直流電動機具有良好的起制動性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)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(diào)速系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。直流調(diào)速的電樞和勵磁不是耦合的，是分開的，對電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制；而交流調(diào)速，電樞電流和勵磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的。因此在軋機、造紙等對力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強優(yōu)點。我們知道采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究有實際意義。在工程實踐中，有許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制性能，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 論文的主要內(nèi)容 本課題以直流電動機為對象，用工程設(shè)計方法設(shè)計直流電動機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動機的基本方程給出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB進行仿真，對仿真結(jié)果分析、研究，驗證控制方案的合理性。主要完成如下工作：(1) 數(shù)學(xué)模型的建立認真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動機基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(2) 系統(tǒng)方案設(shè)計通過國內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計方法，并進行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。(3) 仿真的進行和結(jié)果的分析與探究深入學(xué)習(xí)和掌握MATLAB下的Simulink和Power System系統(tǒng)模型的搭建方法，進行模型搭建和仿真，對結(jié)果進行分析與探究。2 直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 直流電動機簡介 直流電動機的工作原理圖21表示是一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分(定子)上，裝設(shè)了一對用直流勵磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片,換向片之間互相絕緣。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，固定在轉(zhuǎn)軸上。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1 和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。圖21 最簡單的兩極直流電機模型如果將直流電壓直接加到線圈AX上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。設(shè)導(dǎo)體中的電流為，載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力的作用，線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩則為 式中，Da為電樞的外徑。由于電流為恒定，一周中磁通密度的方向為一正一負，因此電磁轉(zhuǎn)矩TXA將是交變的，無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而在直流電動機中，外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷BB2和換向器再加到線圈上，這樣情況就不同。因為電刷B1 和B2靜止不動，電流總是從正極性電刷B1 流入，經(jīng)過處于N極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于S極下的導(dǎo)體，由負極性電刷B2流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于N極和S極下時，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。這就是直流電動機的工作原理。 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機械特性，即轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面主要對并勵電動機的運行特性加以研究。工作特性是指電動機的端電壓U=UN，勵磁電流If=IfN時，電動機的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te和效率與輸出功率的關(guān)系，即n，