【正文】 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(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)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(dòng)的發(fā)展方向。其特點(diǎn)是利用了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡(jiǎn)單的比例關(guān)系的原理，通過(guò)調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來(lái)獲得可變的直流電壓供給直流電動(dòng)機(jī)，從而方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速。從機(jī)械特性上看,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),并用SIMULINK進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真,同時(shí)查看仿真波形,以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.關(guān)鍵詞 直流電機(jī) 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真AbstractDC 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. The results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the analysis and design are carried out for speedcontrolling system of the dc motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords: DC motor,DC governing system,speed governor,current governor,double loop control system,simulink 目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒 論 1 直流調(diào)速概念 1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 1 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 2 本文的研究?jī)?nèi)容 3第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 4 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 6 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 8 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過(guò)程和原理 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 8 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 11 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 11 起動(dòng)過(guò)程分析 12 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 15 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 15 PI調(diào)節(jié)器 15 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 16 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 16 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 17 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) 18 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 18 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì) 18第三章 PWM脈寬調(diào)制 22 PWM基本介紹 22 脈寬調(diào)制變換器 22 橋式可逆PWM變換器 23第四章 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 26 數(shù)學(xué)模型的建立 26 寫(xiě)出平衡方程式、拉普拉斯變換 26 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 27 本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算 31第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 33 MATLAB簡(jiǎn)介 33 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 33結(jié) 論 36致 謝 37參 考 文 獻(xiàn) 38附 錄 38第一章 緒 論 直流調(diào)速概念直流調(diào)速[1]是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿(mǎn)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(dòng)機(jī)（由交流電動(dòng)機(jī)M和直流發(fā)電機(jī)G構(gòu)成，簡(jiǎn)稱(chēng)G—M系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實(shí)現(xiàn)了直流傳動(dòng)的無(wú)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(dòng)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)性不斷提高，在20世紀(jì)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)成為調(diào)速傳動(dòng)的主流。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)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；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí)，保持勵(lì)磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)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(duì)變速傳動(dòng)裝置是一項(xiàng)基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動(dòng)系統(tǒng)，在滿(mǎn)足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無(wú)級(jí)）調(diào)速的同時(shí)，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(lái)，大規(guī)模集成電路和計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類(lèi)型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無(wú)換向器電動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)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(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來(lái)提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級(jí)計(jì)算機(jī)交換信息； (7) 具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，和經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，即計(jì)算簡(jiǎn)便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，等等。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1，6]。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)電樞供電電壓的方式最好。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全都降落完了。脫離了對(duì)靜差率的要求。一、跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)（或稱(chēng)參考輸入信號(hào)）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(lái)描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間：1）上升時(shí)間在典型的階躍響應(yīng)跟隨過(guò)程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見(jiàn)圖2—2。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(lái)為止的時(shí)間。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間： 1）動(dòng)態(tài)降落 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。