【正文】 如圖 48 所示。 TFKCb 22? (419) 且有 meTCRK ?2 (420) nTT ?? (421) 而 dldm IIF ?? (422) 故 mnNmedldmnb TTnzTC IIRTn ?? ?????? )(2)(2 ? (423) 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。實際上客觀世界中 任何連續(xù)系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)或連續(xù) /離散事件混合系統(tǒng)在一般情況下都可以建立數(shù)學(xué)模型。簡單地說，仿真是建立相應(yīng)物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在計算機上解算的過程。 隨著計算機的發(fā)展，仿真的發(fā)展經(jīng)歷模擬仿真、混合仿真、數(shù)字仿真的歷史過程。其工作過程一般是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計算法，并轉(zhuǎn)化為計算機程序，使系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能為計算機所接受并能在計算機上運行；運行仿真模型，進行仿真試驗，再根據(jù)仿真試驗的結(jié)果。因而如何獲得實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是對實際系統(tǒng)進行仿真的一個重要環(huán)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 31 節(jié)。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“ Simu” ，一詞表明它可以用于計算機仿真，而“ Link”一詞表明它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。 Simulink 是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別對于復(fù)雜的非線性，它的效果更為明顯。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 32 第六章 參數(shù)整定以及仿真 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿 真的相關(guān)數(shù)據(jù) 直流電機的主要參數(shù)如下： 額定電壓： 220?eU V 額定電流： ?eI A 額定轉(zhuǎn)速： 1500?en r∕min 電勢系數(shù)： ?eC ∕r 允許過載倍數(shù) ?? ,晶閘管放大倍數(shù) 60?sK 電流反饋系數(shù)： ?? V∕A 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ?? V 電磁時間常數(shù)： ?LT s 機電時間常數(shù)： ?mT s 電樞回路總電阻： ?? 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： ?onT s 電流濾波時間常數(shù)： ?oiT s 中頻寬： h=5，超調(diào)量： %5?i? PI 控制算法的參數(shù)整定 一 .電流環(huán)的計算 1． 確定時間常數(shù) ① 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts， 三相橋式電路的平均失控時間： Ts=? ② 電流濾波時間常數(shù) oiT ： sToi ? ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 iT? ,按小時間常數(shù)近似處理，取 sssTTT oiSi ?????? 2． 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，在根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定把電流環(huán)校正成哪一類系統(tǒng)。因此按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。 ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 34 cioiS TT ????? 131131 滿足近似條件。其傳遞函數(shù)為 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 35 ssKW nnnA SR ?? )1( ?? 式中 nK —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。取內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 36 ???400R ，各電阻和電容值計算如下 ?????? nn ，取 ???900nR FFRC nnn ?? 3 ???? ，取 FCn ?? FFRTC onon ? 30 ????? ，取 FCon ?? 6． 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時，查附表 3 得 %?n? ,不能滿足 %10?n? 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 仿真 一 .電流環(huán)的仿真 1．電流環(huán)的輸出特性分析 圖 61 電流環(huán) Simulink 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 37 由圖 62 可以看出超調(diào)量 %?? ，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間 st p ? ，非常短，電流立即下降至恒定并在 內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束，這樣的階躍響應(yīng)是很理想的。可見，系統(tǒng)的跟隨性能是很好 的。 3）從圖中還可以看出，當(dāng)擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 內(nèi)即可達到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度是非常快的，這也是我們設(shè)計此系統(tǒng)的原因之一?？梢婋娏鳝h(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。 2．轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能的分析 在分析了電流環(huán)的抗擾性能后，再來分析一下轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能。按照圖 67 分別在擾動信號作用點2 和 3 加階躍擾 動信號后進行仿真，它們的階躍響應(yīng)曲線如圖 69a）和圖 69b）所示。 3）從圖中還可以看出，當(dāng)擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 內(nèi)即可達到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度也是非?？斓?，同樣，這也是我們設(shè)計此系統(tǒng)的原因之一。 4． 起動過程電動機的轉(zhuǎn)速輸出仿真分析 圖 612 是模擬電動機的起動過程轉(zhuǎn)速 的仿真曲線。在大多數(shù)綜合自動化系統(tǒng)中，自動化的電力拖動系統(tǒng)仍然是不可缺少的組成部分。由此可見，它與我們前面第三章所敘述的起動過程的轉(zhuǎn)速波形基本上是一致的，仿真結(jié) 果與理論分析較為吻合。 實際工程上，一般要求 幅 值裕度 dBGm 6? ，相角裕度 deg40?mP 。負(fù)載擾動可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。我們設(shè)計時要求超調(diào)小于 10%。 圖 64 電流閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖 下 由圖 65 得出電流環(huán)的 頻域性能指標(biāo)： 幅 值裕度： Gm =； 相角裕度： Pm = ； 幅值穿越頻率： Wcp = 1?s ； 剪切頻率： Wcg = 1?s 。對于電流環(huán)，通過上面 的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點： 1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。我們知道超調(diào)量可以反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，由此可見電流環(huán)還是比較穩(wěn)定的。所以，應(yīng)按 ASR 退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 ② 校驗轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件是否滿足 on I ssTK ???? ?? 11 滿足近似條件。 二．轉(zhuǎn)速環(huán)的計算 1. 確定時間常數(shù) ① 電流環(huán)等效時間常數(shù)IK1 由 ??iITK 知 ssTK iI ???? ? ② 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) onT sTon ? ③ 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) nT? sTKT onIn 018 ?????? 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，生產(chǎn)工藝一般要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時為無靜差，動態(tài)性能具有良好的抗擾性能。 檢查對電源電壓的抗擾性能 ??? iTT L 3． 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ① 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) : sTLi ??? ② 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 ?i ≤5%，按附表 1，應(yīng)取 IK iT? =，因此 ?? ??? ssTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?? ???? ??S iIi K RKK ③ 代入數(shù)據(jù)得到電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 sssW A C R )()( ?? 4． 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ici? ① 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 ciS sT ????? ? 13 1 滿足近似條件。從動態(tài)上看，希望在啟動過程中電流不要超過允許值，也不要有超調(diào)量，或者超調(diào)量越小越好。也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)也能夠是多采樣頻率的 （ Multiarte） ，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率結(jié)合起來。它將不同數(shù)學(xué)分支的算法以函數(shù)的形式分類成庫，使用時直接調(diào)用這些函數(shù)并賦予實際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準(zhǔn)確。 系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)是建立在數(shù)學(xué)模型上的。計算機仿真的三個基本要素是系統(tǒng)、模型和計算機，聯(lián)系著 它們的三項基本活動是模型建立、仿真模型建立（又稱為二次建模）和仿真試驗。 一般地說，系統(tǒng)可以分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，這些系統(tǒng)按時間變量的不同又可以分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，它們各有不同的描述。目前，已成為工程領(lǐng)域中較常用的軟件工具包之一。本章就是對轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計過程。 圖 48 含給定濾波和反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為 0RRK nn ? (416) nnn CR?? (417) onon CRT 041? (418) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 29 5． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算 電動機在起動過程中轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，但這時的超調(diào)是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調(diào)，即“退飽和超調(diào)”。由此可見， ASR 也應(yīng)該采用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 )1( ?? ssKW nn nA SR ?? (412) 式中 Kn —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間系數(shù)。 根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易 的導(dǎo)出 0RRK ii ? (45) iii CR?? (46) oioi CRT 041? (47) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 26 圖 45 含給定濾波和反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1． 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù))(sWcli 。 (33) 圖 43 校正成典型Ⅰ性系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖 44 繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程 中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，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)。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成 )(* sUi /? ，則 電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含換向紋波，因此也需要濾波，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入濾波環(huán)節(jié)。 圖 41 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 23 第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計 雙閉 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 首先我們看一下轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 41 所示。 實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標(biāo)的 要求各有不同。調(diào)速系 統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降 maxn? ； 2） 恢復(fù)時間 vt 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?C之差進入某基準(zhǔn)值的 bC 的 %5? （或取 %2? ）范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間 vt ，見圖 38。 圖 38 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) 1） 動態(tài)降落 maxC? 系 統(tǒng)運行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾 動 量，所引起的輸出量最大 降 落值 maxC? 稱作動態(tài)降落。為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下 %5? 的范圍為允許誤差帶，將輸出量達到并不再超出該誤差帶所需的時間定義為調(diào)節(jié)時間。 maxC 超過穩(wěn)態(tài)值 ?C 的百分?jǐn)?shù)叫