【正文】 學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 II畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。作 者 簽 名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日 　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日IV直流電機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析摘 要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。從機(jī)械特性上看就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和負(fù)載機(jī)械特性的的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 thyristor；open loop。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動(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。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)做原動(dòng)機(jī)。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。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)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，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。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。第三部分為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)部分，完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)控制特性研究，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)分析。圖 21 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時(shí)，這時(shí)不管控制極的信號(hào)情況如何，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。整流是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟姽┙o直流用電設(shè)備。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號(hào)，共陰極的一組為 VTVT3和 VT5，共陽極的一組為 VTVT4 和 VT6。如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，瞬時(shí)電壓平衡方程： （）dtiLRiEud??0式中 E 為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢；i d 為整流電流瞬時(shí)值；L 為主電路總電感；R 主電路等效電阻；對(duì) ud0 進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值 Ud0 。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（）已經(jīng)不適用了。l?（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算：當(dāng)阻抗角 ? 值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角 ?，可用數(shù)值解法求出一組電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。一般可近似的只考慮連續(xù)段。如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地(有級(jí))或平滑地(無級(jí))調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。（2）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落△n ，與N理想空載轉(zhuǎn)速 n 之比，稱作靜差率 s，即0 s= ()0nN?顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。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≤%～%。 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測速發(fā)電動(dòng) TG，引出與輸出量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 Un，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un*進(jìn)行比較，得到偏差電壓 ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)裝置的控制電壓 ，去nU? ct控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣，圖 31 所示單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系為：電壓比較環(huán)節(jié)： nnU???* ，放大器： nPcUK?? ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： csdUK?0 ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： sd0，VM 系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性： CeRIn?，測速發(fā)電機(jī)： n??以上各關(guān)系式中： ——放大器的電壓放大系數(shù)； pKKs——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的等效電壓放大倍數(shù)； ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，單位為 Vmin/r；? ——電機(jī)反電勢系數(shù)；eC根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系可以畫出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。(2) 從前面對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K 值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。這種系統(tǒng)正是依靠偏差來保證實(shí)現(xiàn)控制作用的。對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。 PI 調(diào)節(jié)器如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，13這便是比例積分控制。2. PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式（）兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。實(shí)際上，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 的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以dmI保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 ACR 的輸出作為“ 觸發(fā)電路 ”的控制電壓 Uc，利用 ACR 的輸出限幅可以限制整流橋的最大導(dǎo)通角 αmax。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI 作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。由 ，且ASR不飽和 得：diiIU?* *imiU??，說明n 0A段靜特性從 (理想空載狀態(tài) )一直延續(xù)到 ，而 一般都大于dmI??dI dmI?d額定電流 的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 時(shí)表現(xiàn)為dmI轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。圖中 和 分別表)(sWASR)(sACR示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。其中動(dòng)態(tài)抗擾性能對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。（二） 動(dòng)態(tài)抗擾性能：1．抗負(fù)載擾動(dòng)：由圖 46 可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。如圖 46 所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 和dU??20負(fù)載擾動(dòng) 都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗dLI擾效果是一樣的。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。突加給定電壓 后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作*nU用，使 、 、 都上升，但是在 沒有達(dá)到負(fù)載電流 之前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量（圖47） 。3，第 III 階段（t 2 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。直到 = 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 = ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才能到達(dá)LeTL峰值。3．轉(zhuǎn)速超調(diào)：采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。?2）電流濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給出，即 。電流環(huán)截止頻率 1.??sKIci? 1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足： ，3cisT??因?yàn)? ，所以滿足近似條件。 速度環(huán)的設(shè)計(jì)1：確定時(shí)間常數(shù)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（PI）,其傳遞函數(shù)為：。利用 SIMULINK 軟件仿真對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀的得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而加深對(duì)工程設(shè)計(jì)方法的理解使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。其中主電路部分，主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、移相控制環(huán)節(jié)和直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。在 是突然加 1/2 額定負(fù)載后電動(dòng)機(jī)電流上升轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過 左右時(shí)間的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。系統(tǒng)中采用比例調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)是有差系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)是無差系統(tǒng)。本文對(duì)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)在開環(huán)控制和單閉環(huán)控制的分析，以及雙閉環(huán)控制，進(jìn)行了深入的分析研究，并用計(jì)算機(jī)仿真工具 MATLAB 的 Simulink 工具箱，建立了雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真模型。30參考文獻(xiàn)[1] 王建輝．自動(dòng)控制原理．清華大學(xué)出版社，2022[2] 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．機(jī)械工業(yè)出版社，2022[3] 洪乃剛．電力電子技術(shù)基礎(chǔ)．清華大學(xué)出版社，2022[4] 顧繩谷．電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)．機(jī)械工業(yè)出版社，2022[5] 葉 斌．電力電子應(yīng)用技術(shù)．清華大學(xué)出版社，2022[6] 李傳琦．電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)．電子工業(yè)出版社，2022[7] 林 飛．電力電子應(yīng)用技術(shù)的 MATLAB 仿真．中國電力出版社， 2022[8] 劉 松．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．清華大學(xué)出版社，2022[9] 黃忠霖．電力電子技術(shù)的 MATLAB 實(shí)踐．國防工業(yè)出版社， 2022[10] 李友善．自動(dòng)控制原理．國防工業(yè)出版社，1999[11] 洪乃剛．電力電子技術(shù)基礎(chǔ)．清華大學(xué)出版社，2022[12] 沈 輝．精通 Simulink 系統(tǒng)仿真與控制．北京大學(xué)出版社，2022[13] 張德豐． MATLAB Simulink 建模與仿真．電子工業(yè)出版社，2022[14] 李先允．自動(dòng)控制系統(tǒng)．高等教育出版社，2022[15] 魏克新． MATLAB 語言自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)．機(jī)械工業(yè)出版社， 202231致 謝在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到了許多的問題和難點(diǎn)，但在老師和同學(xué)的幫助下，特別是在指導(dǎo)教師夏小虎的幫助和鼓勵(lì)下，所有困難都得到了解決，使我能夠圓滿的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。四年來，我收獲的不僅僅是專業(yè)知識(shí)，也不僅僅是做人道理，更多的還有對(duì)待種種困難的堅(jiān)強(qiáng)的心態(tài)，我會(huì)把這些都當(dāng)作人生道路中難得的財(cái)富，因?yàn)樗鼈儠?huì)激勵(lì)自己不斷的前進(jìn)，使自己更加堅(jiān)強(qiáng)，同時(shí)對(duì)生活賦予新的意義。 楊 先2022 年 6 月 合肥學(xué)院32主電路圖電路