【正文】 8 轉(zhuǎn)速超調(diào) 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 ASR 的輸出電壓為 Lfigi IUU ??? （ 217） ACR 的輸出電壓為 sLgek K RInCU ??? （ 218） 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)， ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。超調(diào)后，0?fnU ， 0?? nU ，使 ASR 退出飽和，其輸出電壓 （也就是 ACR 的給定電壓） giU 才從限幅值降下來， kU 與 dU 也隨之降了下來，但是，由于 aI仍大于負(fù)載電流 LI ，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。 速度調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退 出 飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。 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 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容。 PI 調(diào)節(jié)器輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面 環(huán)節(jié)的需要決定的。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 13 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ，這時 ， 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ， 但負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時 ， 對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ， 這時 ， 電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用 ， 系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差 ， 得到過電流的自動保護(hù) 。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。 （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電 壓都是零，因此， 0* nnUU nn ????? ?? （ 25） dii IUU ??? ?* （ 26） 由第一個關(guān)系式可得： 0* nUn n ?? ? （ 27） 從而得到圖 25所示靜特性曲線的 CA 段。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 12 恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán) 直流 調(diào)速 系統(tǒng) 的 組成及其靜特性 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 電動機(jī)的最大電流 （ 堵轉(zhuǎn)電流 ） 可以通過整定速度調(diào) 節(jié)器的輸出限幅值來改變。 b、 恢復(fù)時間 ft 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(jìn)入某基準(zhǔn)量 bC 的 )%2%(5 ?? 或 范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間 ft ，其中 bC 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間： a、 動態(tài)降落 maxC? 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負(fù)載擾動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 maxC? 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?C 的百分?jǐn)?shù)來表示。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間： a、 上升時間 rt 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值?C 所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖 22。 動態(tài)性能指標(biāo) （ 1）跟隨性能指標(biāo) 在給定信號（或稱參考輸入信號） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。 圖 21 不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性 事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。對于圖 21 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落 21 eded nn ??? ，但由于 12 oo nn ? ，因此 12 ss? 。 靜態(tài)性能指標(biāo) （ 1） 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 22） （ 2） 靜差率 靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（ 21）表示 ??? eK IRUn （ 21） 式中 n —— 電動機(jī)轉(zhuǎn)速； U —— 電樞供電電壓； I —— 電樞電流； R —— 電樞回路總電阻，單位為 ? ； eK —— 由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢系數(shù)。簡單介紹 了直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析，以及調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。 第 3 章主 要介紹 PWM 脈寬調(diào)制原理和作用 。 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷，通過對該系統(tǒng)不足之處的 完善，提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。 而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索 [1]。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動，其靜特性已可以與直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)相媲美。雖然直流電動機(jī)可以滿足這些要求，但由于直流電動機(jī)在容量、體積、重量、成本、制造和運(yùn)行維護(hù)方面都不及交流電動機(jī)，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機(jī)代替直流電動機(jī)。直流電動機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。 電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。 其特點(diǎn)是利用了直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵磁電流或者汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機(jī)，從而方便的實現(xiàn)調(diào)速。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或者外加電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性的交點(diǎn)，使得電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 關(guān)鍵詞 ： 直流電機(jī) ； 直流調(diào)速系統(tǒng) ； 雙閉環(huán)系統(tǒng) ； 仿真 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 II Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation are consistent with theory calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. Keywords:DC motor。 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 學(xué) 院： 電子與自動化學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2020 年 6 月 5 日 大連理工大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 總計 畢業(yè)設(shè)計（論文） 45 頁 表格 3 個 插圖 23 幅 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 I 摘 要 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣 ， 精度高 ， 動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn) ， 所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用 。 最后 在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上 ， 設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ， 并 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路 ， 反饋電路 ， 觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn) 電路 。 直流調(diào)速概念 直流調(diào)速 [1]是指人為地或者自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。 1930 年以后出現(xiàn)電機(jī)放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組供電給直流電動機(jī)（由交流電動機(jī) M 和直流發(fā)電機(jī) G 構(gòu)成，簡稱 GM 系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實現(xiàn)了直流傳動的無接點(diǎn)控制。 由于電力電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷的提高，在 20 世紀(jì)相當(dāng)長 的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。 在實際應(yīng)用中，電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對變速傳動裝置是一項基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級）調(diào)速的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。尤其是 70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動系統(tǒng)基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 3 的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。 直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點(diǎn)是： （ 1） 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； （ 2） 動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； （ 3） 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性；（ 4） 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； （ 5） 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； （ 6） 容易與上一級計 算機(jī)交換信息； （ 7） 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； （ 8） 成本較低。首先，應(yīng)掌握