【正文】 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 I 頁(yè) 共 I頁(yè) 目 錄 1 緒論 ................................................................................................................................. 1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的介紹 ....................................................................................... 1 直流電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用 ............................................................................................ 1 常見(jiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng) ............................................................................................ 2 MATLAB 與 SIMULINK 介紹 .............................................................................. 10 MATLAB 介紹 .................................................................................................... 10 2 總體方案設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 16 設(shè)計(jì)原理 ................................................................................................................... 17 3 參數(shù)設(shè)計(jì) .................................................................................................................... 18 靜態(tài)參數(shù)計(jì)算 ......................................................................................................... 19 動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算 ......................................................................................................... 20 4 穩(wěn)定性分析 ................................................................................................................ 21 基于 經(jīng)典控制理論的穩(wěn)態(tài)分析 ............................................................................. 21 利用 MATLAB 輔助分析 ...................................................................................... 21 5 系統(tǒng)校正設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 26 相關(guān)知識(shí)： ............................................................................................................... 26 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 28 校正后的系統(tǒng)仿真 ................................................................................................. 31 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 36 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................... 37 致 謝 .............................................................................................................................. 39 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 1 頁(yè) 共 36頁(yè) 1 緒論 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的介紹 直流電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用 電氣傳動(dòng)主要分為直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)兩大類，它們分別采用直流、交流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的傳動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)雖不如交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制 造方便、維護(hù)容易、價(jià)格便宜等，但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能和調(diào)速性能，可以方便地在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、大型起重機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等調(diào)速性能要求較高的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，而直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以掌握好直流調(diào)速系統(tǒng)是很重要的。 ⑴ 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可用下式表示 ?e ddd K RIUn ?? （ ） 式中 n—— 轉(zhuǎn)速； Ud—— 電樞電壓； Id—— 電樞電流； Rd—— 電樞回路電阻； φ —— 勵(lì)磁磁通； Ke—— 由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。 由此可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： （ 1）改變電樞電壓 —— 調(diào)壓調(diào)速。 （ 2）改變電樞回路電阻 —— 串電阻調(diào)速。 （ 3）改變勵(lì)磁磁通 —— 弱磁調(diào)速。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方式。 ⑵ 直流調(diào) 速系統(tǒng)的供電方式 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 2 頁(yè) 共 36頁(yè) 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞供電電壓需要有專門(mén)的可控直流電源。早在 20 世紀(jì) 4年代，采用電動(dòng)機(jī) — 發(fā)電機(jī)機(jī)組（又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī) — 電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)）向直流電動(dòng)機(jī)供電。但它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等。為了克服這些缺點(diǎn)， 50 年代開(kāi)始使用水銀整流器作為作為可控變流裝置。其主要缺點(diǎn)是污染環(huán)境，危害人體健康。 60 年代初，大功率晶閘管投入使用，采用晶閘管可控整流器向直流電動(dòng)機(jī)供電，隨著晶閘管變流技術(shù)的日漸成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。目前，用晶閘管變流器控制的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。 ⑶ 對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的要求 各類不同的生產(chǎn)機(jī)械，由于其具體的生產(chǎn)工藝過(guò)程不同，對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求也是不同的。但歸納起來(lái)有以下三個(gè)方面。 （ 1） 調(diào)速 在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有級(jí)或無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向若要求正、反轉(zhuǎn)，則為可逆調(diào)速系統(tǒng)，若只要求單向運(yùn)轉(zhuǎn)，則為不可逆調(diào)速系統(tǒng)。 （ 2） 穩(wěn)速 以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能不受外部或內(nèi)部擾動(dòng)的影響，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 3） 良好的起、制動(dòng)性能 對(duì)于頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡可能快地加、減速，以提高生產(chǎn)效率。不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡可能 地平穩(wěn)。 常見(jiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng) ①開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖 11為由晶閘管可控整流器向直流電動(dòng)機(jī)供電的開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 圖 11 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 3 頁(yè) 共 36頁(yè) 1．系統(tǒng)的組成 1）直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的電路，一個(gè)是電樞回路，另一個(gè)是勵(lì)磁回路。直流電動(dòng)機(jī)各物理量間的基本關(guān)系式如下： nKedtdnJTTiKTedtdiLRiueGLedTedaddd????????? 當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)， did/dt=0， dn/dt=0，上式可寫(xiě)成 nKEdtdnJTTICTERIUeGLedaTeddd???????? 或 ?? e ddde K RIUKEn ??? 2）晶閘管整流電路 作用：把不變的交流電變換成可控的直流電。 形式：?jiǎn)蜗嗾麟娐泛腿嗾麟娐贰? 晶閘管有很多優(yōu)點(diǎn)，但使用不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)故障，甚至損壞元件，應(yīng)加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。 3）晶閘管觸發(fā)脈沖電路 晶閘管觸發(fā)脈沖控制是晶閘管變流器常用的控制方式，改變觸發(fā)裝置的控制電壓 Uc的大小，即可移動(dòng)觸發(fā)器的脈沖相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器輸出電壓的調(diào)節(jié)。晶閘管觸發(fā)脈沖電路主要形式有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、正弦波觸發(fā)電路、鋸齒波觸發(fā)電路等。 2． 基本工作原理 圖 11是最簡(jiǎn)單的晶閘管 — 直流電動(dòng)機(jī)開(kāi) 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其中， UC是系統(tǒng)的給定輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使外界交流電源整流出直流電壓Udo 供給直流電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)以一定的速度旋轉(zhuǎn)。改變控制電壓 UC 就可觸發(fā)器的中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 36頁(yè) 脈沖控制角及整流電壓 Udo，相應(yīng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： nnC RIUCKC RIUKC RIUn oedce tre dctre ddo ????????? ??? ???? （ ） 其中 ?edCRIn ??? —— 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)速降。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)當(dāng)給定輸入信號(hào)一定時(shí)，經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使交流電源整流出直流電 壓 Udo 也是恒定的，電動(dòng)機(jī)就以恒定的速度旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)外界有擾動(dòng)（例如負(fù)載波動(dòng)）時(shí)，轉(zhuǎn)速就有較大的波動(dòng)，而開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。為了滿足技術(shù)指標(biāo)要求，這時(shí)應(yīng)考慮采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 ①轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 基本原理 圖 12為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)。它在開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 11的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)（測(cè)速發(fā)電機(jī) TG 和反饋電位器 RP2）和放大環(huán)節(jié)。測(cè)速發(fā)電機(jī)TG 和電動(dòng)機(jī)同軸連接， TG 檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并變換成與之成正比的電壓，再經(jīng)電位器衰減為反饋電壓 Ufn，引至放大器的輸入端與轉(zhuǎn)速給定電壓 Usn比較，得到偏差電壓Δ U，經(jīng)過(guò)放大器放大后得到輸出電壓 Uk，用 Uk控制晶閘管觸發(fā)器的控制角，使晶閘管整流裝置變換出不同的直流電壓 Udo，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)橹挥修D(zhuǎn)速反饋環(huán)，所以稱為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。 圖 12 具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 共 36頁(yè) 系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 由于某種原因（例如機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL增加）而下降時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)將進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過(guò)程如下： TL↑→ n↓ → Ufn↓ →Δ U↑ =UsnUfn → Uk↑ →脈沖前移→ Ud↑ → n↑ 由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)是通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 Ufn的下降，使偏差電壓Δ U增加，經(jīng)過(guò)放大后，提高晶閘管的輸出電壓 Ud，使轉(zhuǎn)速 n 回升，從而減小穩(wěn)態(tài)速降。 當(dāng)放大器為比例調(diào)節(jié)器時(shí)，觸發(fā)器的控制電壓 Uk整流平均電壓 Ud0由偏差量Δ U決定，如果穩(wěn)態(tài)誤差為零，則Δ U=0，因而 Uk、 Ud0均為零，電動(dòng)機(jī)就不可能旋轉(zhuǎn)。所以具有比例放大器的調(diào)速系統(tǒng)一定是有差的。 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型 （ 1） 穩(wěn)態(tài)框圖 單閉環(huán)系統(tǒng)中的各種穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： ① 放大器： Δ U=UsnUfn Uk=KpΔ U 式中 Kp為放大器的放大倍數(shù) ② 觸發(fā)