【正文】 MATLAB 中的各種分析工具，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。 由于對(duì)模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專(zhuān)家，而對(duì)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。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。 對(duì)于那些在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)或?qū)嶒?yàn)費(fèi)用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。晶閘管 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。最后，用 MATLAB 仿真軟件搭建了仿真模型，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究與仿真 摘 要 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究與仿真，可以清楚地看到，直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，可以在給定調(diào)速范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差平滑調(diào)速，這為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。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(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎。然而沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究是不能將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實(shí)際中去的。 但是長(zhǎng)期以來(lái)，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)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(jì)一種算法。 MATLAB 提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。 Simulink 可以超越理想的線性模型去探 索 更為現(xiàn)實(shí)的非線性問(wèn)題的模型，如現(xiàn)實(shí)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(duì)象的類(lèi)型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)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。在 工程設(shè)計(jì) 與理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)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(jì)問(wèn)題。它的發(fā)展過(guò)程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬 控制器 實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的 PWM 控制電路實(shí)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(jì)性不斷提高。從生產(chǎn) 機(jī)械 要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型，而各種系統(tǒng)往往都通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的 恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制性 能， 盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易， 但 長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位 。 (2) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 通過(guò)國(guó)內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計(jì)方法，并 進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱(chēng)為換向片 ,換向片之間互相絕緣。設(shè)導(dǎo)體中的電流為 i ，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到電磁力 bilf? 的作用，線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩則為 aXA bilDT ? 式中， Da為電樞的外徑。此時(shí)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。 工作特性是指電動(dòng)機(jī)的端電壓 U=UN， 勵(lì)磁電流 If=IfN時(shí)， 電動(dòng)機(jī)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， eT ， ? ?2Pf?? 。 從電動(dòng)勢(shì)公式 ?nCE ea ? 和電壓方程可知 aeaeea ICRCUCEn ??? ??? （ 2— 1） 上式通常稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開(kāi)。 機(jī)械特性是指 NUU? ， 勵(lì)磁回路電阻 fR =常值時(shí)，電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 ? ?eTfn? 。另一方面，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 aTe ICT ?? ， 減小起動(dòng)電流將使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之減小。 (2) 直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié) 電動(dòng)機(jī)是用以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。 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)電樞電壓的方式為最好。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì) 量。這兩個(gè)指標(biāo)合稱(chēng)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。 然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 圖 2— 2 所示的晶閘管 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓 cU 就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍 D=3～ 10 時(shí)，保證靜差率 s≤%～ %。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足 D、 s 的要求，提高調(diào)速質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。由 PD 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用 PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的帶后－超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。這主要是因?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。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 。問(wèn)題是，應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 cU 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差， 這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用“準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 dU? 和 dLI 都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 c 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了。根據(jù) r=0,1,2,?的不同數(shù)值，分別稱(chēng)作 0 型、 I 型、 II 型、?系統(tǒng)。 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 7a所示，而 圖 2— 7b表示它的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。因此 I 型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。由于在典型Ⅰ型系統(tǒng)中， 1?KT ，代入式（ 2— 11）得 ?? ，因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取 ??? 。 典型 I 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表 22（ KT=）。要實(shí)現(xiàn)圖 28b 的特性，顯然應(yīng)保證 Tc 11 ???? 或 T?? 而相角穩(wěn)定裕度為 Ta r c tga r c tgTa r c tga r c tg cccc ??????? ?????? ?? 180180 ? 比 T 大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。參數(shù)之間的關(guān)系如下： 122 ??hhc?? （ 2— 15） 211 ??hc?? （ 2— 16） 222211 2 12 112 1 ThhhhThK c ????????????? ??? （ 2— 17） 典型 II 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 在階躍輸入和斜坡輸入下， II 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)都是無(wú)誤差的，在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與開(kāi)環(huán)增益 K 成反比。把各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來(lái)看， h=5 時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。這個(gè)趨勢(shì)與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與 h 值的關(guān)系恰好相反，反應(yīng)了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。 典型 I 型系統(tǒng)和典型 II 型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，一般來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)性能中典型 I 型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型 II型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 9 所示，其中的濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。 如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成???sUi* ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，從其中可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。在一般情況下，希望電流超調(diào)量 i? =5%，由表 2— 2，可選 ? =， iITK? =，則 iciI TK ??? 21? （ 2— 27） 再得用式（ 2— 21）和式（ 2— 22）得到 ?????????? ?? ilsisli TTKRTK RTK ?? 22 （ 2— 28） (4) 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的模 擬式 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 2— 10 所示。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 ??sUi* ，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 ? ?? ?? ?111* ??? sKsWsUsIIc liid ?? （ 2— 35） 這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù) IK1 的一階慣性環(huán)節(jié)。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。 (4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 2— 11 所示，圖中 *nU 為轉(zhuǎn)速給定電壓， n?? 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 *iU 。 (1)．電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 ① 由NNaNe n IRUC ?? 得 136 1 4 6 ?????? N NeNa I nCUR1 （ ? ） ② ??? fff IUR （ ? ） ③ 勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取 0，則電樞電感估算如下： ???? ???? NN Na Ipn CUL （ H） ④ 電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感： ???? f eaf I CL （ H） ⑤ 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 ???? gGDJ （ 2mkg? ） ⑥ 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 7 11 3 61 3 ????? NeL ICT （ mN? ） (2) 電流環(huán)設(shè)計(jì) ① 確定時(shí)間常數(shù) a 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sTs ? ； b 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT ： 三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 （ 1～ 2）oiT =，因此， oiT =2ms=； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 c 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) iT? ： sTTT oisi ???? ② 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： i? ≤ 5%，而且 0 0 3 ?