【正文】 王倩：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab仿真摘要 本文介紹了基于工程設(shè)計方法對直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，對最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。說明了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理和轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的性能，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的起動過程及參數(shù)設(shè)計，運用Simulink進(jìn)行直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析轉(zhuǎn)速和電流的波形，并進(jìn)行調(diào)試，使系統(tǒng)趨于完善，合理。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速環(huán) 電流環(huán) 調(diào)節(jié)器 SimulinkAbstract This article describes the design of the DC drive system based on the method of engineering design, and the most monly used speed and current dualloop speed control system design methods are also derived in detail. In this article, the doubleloop DC Speed Control System and the speed of the current performance of the two regulators are illustrated, and a detailed analysis of the system which starts the design process and parameters is also made. In this process, using Simulink of DC Motor Speed Governing System Modeling and Simulation, I make a analysis of speed and current waveforms, and debugging to improve the system tends and make it more reasonable.Key words: loop of revolution rate loop of current regulator Simulink45王倩：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab仿真目 錄第一章 前言 1 直流拖動控制系統(tǒng) 1第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制 3 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 3 靜止式可控整流器 3 晶閘管電動機系統(tǒng)的機械特性 4 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 7 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 7 限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋 9 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析 10 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 11 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 13第三章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 15 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 15 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 16 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 17 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 19 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 20 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 20 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 20 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 21 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 22 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 24 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 27第四章 Matlab仿真及結(jié)果分析 29 工程設(shè)計舉例 29 電流環(huán)的設(shè)計 29 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 31 在Simulink環(huán)境下的仿真及分析 32 電流、轉(zhuǎn)速雙環(huán) 32 起動過程分析 34 電流環(huán) 36 轉(zhuǎn)速環(huán) 38 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 40 反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性 40 比例調(diào)節(jié) 42 比例積分控制規(guī)律 43 仿真結(jié)果分析總結(jié) 44參考文獻(xiàn) 46致 謝 47王倩：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與Matlab仿真第一章 前言 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較基礎(chǔ)比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，采用電流負(fù)反饋就可以得到近似的恒流過程。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個問題。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 本設(shè)計就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，要求繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。要實現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理進(jìn)行分析，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計。 直流拖動控制系統(tǒng) 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，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為式中 ——轉(zhuǎn)速（r/min）； ——電樞電壓（）； ——電樞電流（）； ——電樞回路總電阻（）； ——勵磁磁通（）； ——由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法:1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓。2）減弱勵磁磁通。3）改變電樞回路電阻。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： 1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。本設(shè)計選用第二種靜止可控整流器。 靜止式可控整流器 圖21所示是晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard系統(tǒng)）原理圖。圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。圖21 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（系統(tǒng)）系統(tǒng)的問題：1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。2）晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。3）由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。 晶閘管電動機系統(tǒng)的機械特性當(dāng)電流連續(xù)時，系統(tǒng)的機械特性方程式為 （21）式中， ——電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)，△n = Id R / Cena173。IdILOa圖22電流連續(xù)時VM系統(tǒng)的機械特性，改變控制角，得一族平行直線，圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式（21）已經(jīng)不適用了。只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。 圖22 電流連續(xù)時系統(tǒng)的機械特性當(dāng)電流斷續(xù)時，機械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 （22) （23)式中， ——阻抗角，； ——電流脈波的導(dǎo)通角。 當(dāng)阻抗角值已知時，對于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2/3為止，因為角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于= 2/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖23 完整的系統(tǒng)機械特性圖23繪出了完整的系統(tǒng)機械特性，其中包含了整流狀態(tài) （）和逆變狀態(tài)（），電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。當(dāng)電流連續(xù)時，特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。圖24 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和的測定 實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即曲線，圖24是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。這時，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是 （24）如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。u2udUctta10Uc1