【正文】 程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 21 電流調(diào)節(jié)器的設計 22 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 24 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關系 27第四章 Matlab仿真及結果分析 29 工程設計舉例 29 電流環(huán)的設計 29 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計 31 在Simulink環(huán)境下的仿真及分析 32 電流、轉(zhuǎn)速雙環(huán) 32 起動過程分析 34 電流環(huán) 36 轉(zhuǎn)速環(huán) 38 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 40 反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性 40 比例調(diào)節(jié) 42 比例積分控制規(guī)律 43 仿真結果分析總結 44參考文獻 46致 謝 47王倩：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與Matlab仿真第一章 前言 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。說明了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理和轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的性能，詳細分析了系統(tǒng)的起動過程及參數(shù)設計，運用Simulink進行直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學建模和系統(tǒng)仿真，分析轉(zhuǎn)速和電流的波形，并進行調(diào)試，使系統(tǒng)趨于完善，合理。原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 本設計就要求結合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計，要求繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進行工程設計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法:1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速。 2）靜止可控整流器。本設計選用第二種靜止可控整流器。2）晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2/3為止，因為角再大時，電流便連續(xù)了。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。這時，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是 （24）如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算?；蛘甙醋顕乐氐那闆r考慮，取。這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。 限流保護——電流截止負反饋 直流電動機起動時，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，堵轉(zhuǎn)時，電流將遠遠超過允許值。電流負反饋起作用后，相當于圖中的AB段。從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應大于電機的額定電流，一般取(~)。圖211 他勵直流電動機等效電路構成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。如果不需要在結構圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖213a。圖214 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 （232）式中。：是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成1. 系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值； 2) 電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。與此同時，由于ASR不飽和，從上述第二個關系式可知:。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 4. 兩個調(diào)節(jié)器的作用 1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用 “準PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有 調(diào)節(jié)器的工程設計方法 ： 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設計者有扎實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學者則不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法。 ： 1）概念清楚、易懂； 2）計算公式簡明、好記； 3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； 4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式； 5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 1. 系統(tǒng)設計對象雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構圖繪于圖37，它與前述的圖36不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。1. 電流環(huán)結構圖的簡化 1）忽略反電動勢的動態(tài)影響圖38 電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡 在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即≈0。 從動態(tài)要求上看，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)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。由圖39a可知 （317）忽略高次項，上式可降階近似為 （318）近似條件可由式求出 （319）式中 ——轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。圖313 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成/，再把時間常數(shù)為1/和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （321） 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見圖314），現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 （329） （330） （331） 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關系 外環(huán)的響應比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。 系統(tǒng)的仿真分為三個步驟，分別是：建模、設置參數(shù)、仿真及仿真結果分析。 電流環(huán)的設計 1）整流裝置滯后時間常數(shù)。根據(jù)設計要求，而且，因此，電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)設計。 2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計 1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為； 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：?，F(xiàn)在，滿足近似條件。濾波環(huán)節(jié)可以抑制檢測信號中的交流分量，但同時也個反饋檢測信號帶來延遲。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖44。當≥后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上升。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中ACR是不應飽和的，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設計時必須注意的。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：1）當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；2）當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。a）動態(tài)結構圖b）電流和轉(zhuǎn)速波形圖45 電流調(diào)節(jié)器開環(huán)系統(tǒng)由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時，其輸入偏差電壓即 =其中 ——為電流反饋系數(shù)。2. 閉環(huán)a）動態(tài)結構圖b）電流和轉(zhuǎn)速波形圖46 電流調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。當轉(zhuǎn)速上升時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。1） 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關系是 （43）當K值較大時，比小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。圖412b比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程。第三階段，當轉(zhuǎn)速達到給定值后，由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。閉環(huán)控制又常稱 為反饋控制或偏差控制。其控制精度較高。比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。