【正文】 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及靜特性；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)速基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 4 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)；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)問題等等。 論文安排 理論部分：第 1章和第 2章主要介紹直流調(diào)速系統(tǒng) 的 概念、 特點(diǎn)、原理 和性能指標(biāo)，以及直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的理論分析和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 5 第 2 章 閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無法滿足人們期望的性能指標(biāo)，本章就閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)展開討論。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，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)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多 電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。抗擾動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響 [1， 7]。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。 由圖 21 可見，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?C 的偏差越小越好，達(dá) 到 ?C的時(shí)間越快越好。 c、 調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。 （ 2） 抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見圖 23。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落 maxn? 。 圖 23 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過 程和抗擾性能指標(biāo) 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 10 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 ： 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 ， 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 （ 電壓 ） 低于給定值 ， 速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào) ，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ， 速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ， 速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 ， 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào) ， 直流電壓迅速上升 ， 電流也隨即增大直到等于最大給定值 ， 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng) 。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) ， 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) ， 可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí) ， 迅速使電流恢復(fù)到原來值 ， 從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 [1， 5， 7]。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的 穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：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)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況 [1， 5， 7]。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。這 種 特性只適合于 0nn? 的情況，因?yàn)槿绻?0nn? ， 則 *nn UU? ， ASR 將退出飽和狀態(tài) 。 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn) 和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有以下關(guān)系： 0* nnUU nn ????? ?? （ 29） dldii IIUU ????? ??* （ 210） sdlnesdesdc K RIUCKRInCKUU ????????? ?0 （ 211） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *nU 決定， ASR的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dlI 決定的，而控制電壓 cU 的大小則同時(shí)取決于 n 和 dI ，或者說，同時(shí)取決于 *nU 和 dlI 。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： max* nUnm?? （ 212） 電流反饋系數(shù)： dmim IU*?? （ 213） 兩個(gè)給定電壓的最大值 *nmU 、 *imU 由設(shè)計(jì)者給定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。 起動(dòng)過程分 析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 gnU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓 1gU 、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 kU 、可控整流器輸出電壓 dU 、電動(dòng)機(jī)電樞電流 aI 和轉(zhuǎn)速 n 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 28 所示。當(dāng)增加到 La II ? （負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出很快達(dá)到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值 amI （在這過程中 kU ， dU的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的 ，即 amfigim IUU ??? （ 216） 式中， ? — 電流反饋系數(shù)。由于電流 aI 保持恒 定值 amI ，即系統(tǒng)的加速度 tn dd 為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRIU eamd ?? ? 知， dU 也線性增加，這就要求 kU 也要線性增加，故在啟動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值gimU ，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流 amI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值 gn ，電樞電流 aI 等于負(fù)載電流 LI ， ASR 和ACR 的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。 綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： 飽和非線形控制 隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì) 這 樣的控制系統(tǒng)。但由于在起動(dòng)過程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過程與理想啟動(dòng)過程相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。 抗負(fù)載擾動(dòng) 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。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)小得多。 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是： 概念清楚、易懂； 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式； 適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋 控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明， 0 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的，而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。仿真結(jié)果如圖 210 所示。圖 210 很好地說明了這一點(diǎn)。這樣 ， 經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ， 電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán) 節(jié) ， 要將其設(shè)計(jì)成典型Ⅰ型系統(tǒng) ， 同理 ， 經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ， 轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象形如式 （ 222） 。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??； 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)； 功 率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng) 效率因數(shù)比相控整流器高。為了節(jié)能，并實(shí)行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快 速晶閘管， GTO， IGBT 等。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 )(tfu? ， 如圖 31 b 所示，好像 是 電源電壓 sU 在 ont 時(shí)間內(nèi)被接上，又在 )( ontT? 內(nèi)被斬?cái)?，故稱為“斬波”。改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動(dòng)機(jī)兩端電壓波形如圖 32 b 所示 。 它們之間的關(guān)系是： 3241 gggg UUUU ????? 。 1dI 相當(dāng)于一 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 26 圖 33 橋式可逆 PWM 變換器 圖 34 雙極式控制可逆 PWM 變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 27 般負(fù)載的情況，脈動(dòng)電流的方向始終為正； 2dI 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： sonsonsond UTtUT tTUTtU )12( ????? （ 33） 若占空比 ? 和電壓系數(shù) ? 的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中： 12 ?? ?? 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或 ?；?MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 28 斷狀態(tài)，以減少開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能會(huì)略有降低 [4， 7]。為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動(dòng)，關(guān)鍵是要有一個(gè)使電流保持在最大值的恒流過程。如圖 42所示 。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí) 間常數(shù) ： sT =；（見附錄表一） 電流濾波時(shí)間常數(shù) ： oiT = s（ 三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取oiT =2ms=） ； 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 ： 按小時(shí)間常數(shù)近似處理 oisi TTT ??? （ sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多 ,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ） 。 （ 3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ACR 超前時(shí)間常 數(shù) sTli ??? ； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 33 電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益 500 ?? ??? sTK iI； ACR 的比例系數(shù) ?? ???? ??s iIi K RKK。 d、 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為： %5% ??i? ，也滿足設(shè)計(jì)要求。 （ 3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) ASR 超前時(shí)間常數(shù)： shT nn 2 1 ???? ?? 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 22222 152 1 ?? ??? ???? sThhK nN ASR 的比例系數(shù)： 21 )1( ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ? （ 4）近似校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK NNN ??? a、 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：i sT ????? ?? 3 15 1， 滿足條件 。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 35 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 MATLAB 簡(jiǎn)介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的性能進(jìn)行預(yù)計(jì)、判斷和校驗(yàn)。 它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。 電流環(huán)的 MATLAB 仿真 進(jìn)入 MATLAB，單擊 MATLAB 命令窗口工具欄中的 SIMULINK 圖標(biāo)，打開 SIMULINK 模塊瀏覽器窗口，建立電流環(huán)的仿真模型，如圖 44所示。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 36 圖 44 直流電動(dòng)機(jī)電流環(huán)的仿真 模型 圖 45 電流 環(huán) 仿真結(jié)果 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 37 轉(zhuǎn)速環(huán)的 MATLAB 仿真 按照前面電流環(huán)的仿真模型的建立方法，得到轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型，如圖 46 所示。 啟動(dòng)過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段。 直流 PWM 變換器的作用是用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率 一定、寬度可變的脈沖序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這些問題，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等響應(yīng)到轉(zhuǎn)速以后才能反映過來，抗擾性能大有改善。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。同時(shí)她求實(shí)進(jìn)取的作風(fēng)、正值無私的精神和豁達(dá)的胸襟展現(xiàn)了一位學(xué)者的思想境界和人格魅力，為我樹立了學(xué)習(xí)的榜樣