【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計論文雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和仿真 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 所 在 單 位： 電氣工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2007年 6月 25日摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。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(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)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(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計算機輔助設(shè)計,并用SIMULINK進(jìn)行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.關(guān)鍵詞 直流電機 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真AbstractDC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation are consistent with theory calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. The results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the analysis and design are carried out for speedcontrolling system of the dc motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords: DC motor,DC governing system,speed governor,current governor,double loop control system,simulink 目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒 論 1 直流調(diào)速概念 1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 1 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 2 本文的研究內(nèi)容 3第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 4 動態(tài)性能指標(biāo) 6 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 8 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 11 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 11 起動過程分析 12 動態(tài)抗干擾性分析 15 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 15 PI調(diào)節(jié)器 15 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法 16 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 16 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 17 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計 18 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 18 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計 18第三章 PWM脈寬調(diào)制 22 PWM基本介紹 22 脈寬調(diào)制變換器 22 橋式可逆PWM變換器 23第四章 直流電動機數(shù)學(xué)模型的建立 26 數(shù)學(xué)模型的建立 26 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 26 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 27 本設(shè)計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算 31第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 33 MATLAB簡介 33 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 33結(jié) 論 36致 謝 37參 考 文 獻(xiàn) 38附 錄 38第一章 緒 論 直流調(diào)速概念直流調(diào)速[1]是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(guān)設(shè)備切換直流電動機電樞或磁場回路電阻實現(xiàn)有級調(diào)速。1930年以后出現(xiàn)電機放大器控制的旋轉(zhuǎn)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(gòu)成，簡稱G—M系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實現(xiàn)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(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)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(xiàn)調(diào)速。但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)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(dǎo)地位。由于電力電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟性不斷提高，在20世紀(jì)相當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)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(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá)1：10000以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間已縮短到幾毫秒以下。在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉(zhuǎn)速度。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點。 長期以來，直流電動機由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點廣泛的應(yīng)用于工程過程中。直流電動機在額定轉(zhuǎn)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(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)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(xiàn)恒功率調(diào)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(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)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(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。自19世紀(jì)80年代起至19世紀(jì)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(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)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(diào)速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對變速傳動裝置是一項基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級）調(diào)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(hù)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(diào)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(diào)速已開始重視。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動系統(tǒng)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)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動機調(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，較快的動態(tài)響應(yīng)，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