【正文】 e reasonable. Key words: loop of revolution rate loop of current regulator Simulink 目 錄 第一章 前言 ........................................................... 1 直流拖動(dòng)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)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(dòng)態(tài)分析 ........................... 10 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)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(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 ....................... 19 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 .................. 20 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 ....................... 20 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ......................................... 20 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)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(jì) ........................................ 22 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ........................................ 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(jì)舉例 ................................................. 29 電流環(huán)的設(shè)計(jì) ............................................ 29 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) ............................................ 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(dòng)過(guò)程分析 ............................................ 34 電流環(huán) .................................................. 36 轉(zhuǎn)速環(huán) .................................................. 38 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)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 ............................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。原因是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 本設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來(lái)完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法 : 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 。改變電阻只能 實(shí)現(xiàn)有級(jí)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。 2）靜止可控整流器。 本設(shè)計(jì)選用第二種靜止可控整流器。 2）晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的 dV/dt 與 di/dt都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。對(duì)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。 實(shí)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)。 圖 24 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入 輸出特性和 sK 的測(cè)定 圖 23 完整的 V M 系統(tǒng)機(jī)械特性 在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入 輸出關(guān)系為 )(1 scs0d TtUKU ??? (26) 按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 sTKsU sUsW se)( )()( sc0ds ??? (27) u 2 u d Uc t t a1 0 Uc1 Uc2 a1 t t 0 0 0 a2 a2 Ud01 Ud02 Ts O O O O 圖 25 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（ 28）變成 ?????????33s22ssssss!31!211ee)( ss sTsTsT KKKsW sTsT (28) 考慮 到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? (210) 其中 , maxn 和 minn 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。解決辦法：引入電流截止負(fù)反饋。 AB 段特性和 CA 段相比有兩個(gè)特點(diǎn)： 1） 電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 SSRKKP ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 引入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是 1)( s ss ?? sTKsW （ 221） 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路繪于圖 211，動(dòng)態(tài)電壓方程為 EtILRIU ??? dd ddd0 （ 222） 忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 tnGDTT dd3752Le ?? （ 223） 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 nCE e? （ 224） 和 dme ICT ? （ 225） 整理后得 )dd( dd0d tITIREU l??? （ 226） tERTII ddmdLd ?? （ 227） 式中 dLI —— 負(fù)載電流， mLCTI ?dL。如果是理想空載，則 dLI = 0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖 213b。 設(shè) dLI =0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(1)1()1)(1(/)1)(1(/1)1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespc???????????????????????sKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll ? 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 0111 )(1 sm2sm3sm ?????? ??? sKTTsK TTTsKTTT ll （ 234） （ 233） 圖 214 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 一般表達(dá)式為 0322130 ???? asasasa 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 00000 30213210 ?????? aaaaaaaa ， 各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 0111 )( smsmsm ??????? ? KTTTKTTK TTT ll 或 ssms )1())(( TTKTTTT ll ???? 整理后得 s2ssm )(TT TTTTK ll ??? （ 235） 臨界放大系數(shù) crK ， crKK? 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值 dcrI 以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 a) b) ： 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmI 的恒流過(guò)程。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖 32所示。 2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了 獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 存在兩種狀況： 1) 飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器 暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖 35 所示。這就是說(shuō)， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 dI =0 一直延續(xù)到 dI = dmI ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dnI 的。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm*imd IUI ?? ? （ 32） 式中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能