【正文】 我還要感謝我們的學(xué)院和學(xué)校，是她們給了我這次實踐機(jī)會，使我對大學(xué)四年所學(xué)的知識有了一個很好的綜合，并給我留下了美好的回憶。 圖 36 轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形 通過圖 34 與圖 36 的比較，我們可以看出：在未加微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)時，當(dāng)上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 27 出現(xiàn)一個突然的負(fù)載擾動，由于只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對負(fù)載擾動有抑制作用，將引起轉(zhuǎn)速大幅度下降，電樞電流大幅度上升；采用微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，由于對負(fù)載擾動進(jìn)行了微分補(bǔ)償，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降較小，電樞電流上升幅度也減小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性好。在 MATLAB 中可實現(xiàn)工程計算、算法研究、建模和仿真、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)等功能。另外轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值應(yīng)按調(diào)速系統(tǒng)允許最1() nA S R n nsW s K s? ? ??nNn e mKRK CT????n nhT? ? ?( 1 )2 emnnh C TK h R T?????基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 18 大電流來調(diào)整，以確保系統(tǒng)運行安全。 圖 26 速度環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 所以轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)應(yīng)該校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)比較好，這首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求。在實際應(yīng)用中，如果輸入電壓 Uin 一直存在，電 容 C1 就不斷充電，不斷進(jìn)行積分，直到輸出電壓 Uex 達(dá)到運算放大器的限幅值 Uexm 時為止，該過程稱作運算放大器飽和。 用 PI 調(diào)節(jié)器作為調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置，當(dāng)采用模擬控制時，可用運算放大器來實現(xiàn) PI 調(diào)節(jié)器，其線路圖如圖 25 所示，其中 Uin 和 Uex 分別表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出電壓的絕對值，圖中所示的極性表明它們是反相的， Rbal 為運算放大器同相輸入端的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路 電阻的并聯(lián)值，那么按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，我們便可以得到 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： (23) 式 中 KpiPI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)， Kpi=R1/R0, τ PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，τ =R0C1 令τ 1= Kpiτ，τ 1 為微分項中的超前時間常數(shù)，即得 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 其外部鏈接圖如圖 24。 振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波送到 PWM 比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM 比較器的同相輸入端，通過 PWM 比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。 TL494 是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如 下： （ 22） 輸出脈沖的寬度是通過電容 CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)。 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 12 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： 2 1To n T To n To nU d U s U s U sT T T? ??? ? ? ????? 雙極式控制可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點： 1）、電流一定連續(xù)。 圖 21 電動機(jī)實物圖 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： ?Ce RIUn ??? （ 21） 式中 n轉(zhuǎn)速（ r/min） ； U電樞電壓 （ V） ； I電樞電流 (A)； R電樞回路總電阻 ； 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 11 ?勵磁磁通 （ Wb）； Ce由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的點動勢常數(shù)。 但是， 直流測速發(fā)電機(jī)存在造價高、碳刷需經(jīng)常維護(hù)、不易在現(xiàn)有系統(tǒng)上加裝等問題；光電碼盤也有造價高、需與電機(jī)軸彈性連接等問題 。 ? ?11111 1222221 221220xxBAA uxAAxy I xx???? ? ? ????????? ? ? ???? ? ?? ? ? ??? ??? ????? ??? ?上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 7 將式 (19)改寫為： 1 11 1 12 2 1 11 1 12 1x A x A x B u A x A y B u? ? ? ? ? ? (110) 2 21 1 22 2x y A x A y B u? ? ? ? (111) 22 2 21y y A y B u A x? ? ? ? (112) 則有 (113) 這個 (nm)階子系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器為： 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1? ?( ) ( )x A G A x A y B u G y? ? ? ? ? 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 1 2 2 1?( ) ( ) ( )A G A x B G B u A G A y G y? ? ? ? ? ? ? (114) 其中， 1G 為 ()n m m?? 矩陣。 4）、有幾個觀測器極點要設(shè)置時，對于單極點可遠(yuǎn)離原系統(tǒng)極點 5~10 倍遠(yuǎn)。 通過上述討論可知，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的重構(gòu)，關(guān)鍵在于 G 矩陣的存在和 適當(dāng)?shù)倪x擇。 2）、 根據(jù) F、 C， 用式 (17)計算出 G。 觀測器的設(shè)計準(zhǔn)則如下 ： 1）、 由于采用反饋控制，對原系統(tǒng)矩陣 A 和 B 的精度要求降低，但對矩陣 C 仍需有較高的精度。 然而， y 和 y? 是可以測量得到的，為克服上述缺點，我們可以將系統(tǒng)輸出和觀測器輸出的偏差 yy ?? 作為 矯正， 就能使偏差項穩(wěn)定，這樣就構(gòu)成了閉環(huán)觀測器?？梢?根據(jù)系統(tǒng)的輸入量、輸出量和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)重構(gòu)， 實現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)稱為狀態(tài)觀測器。 22 MATLAB/SIMULINK 簡介 但是對 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的測量是十分困難的， 由此我們可以利用 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器估值，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的測量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩變化的擾動補(bǔ) 償。我們經(jīng)?？吹綍校瑺顟B(tài)觀測器的設(shè)計都是默認(rèn)系統(tǒng)的輸出完全可測。 4 觀測器的極點配置 18 第 三 章 系統(tǒng)各部分介紹及設(shè)計內(nèi)容 但是由于種種原因，狀態(tài)變量并不是都可測量得到。 假設(shè) x? 是 x 的估值，容易想到一種產(chǎn)生 x? 的最簡單辦法就是構(gòu)造一個原系 x Ax Buy Cx???基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 2 統(tǒng)的狀態(tài)模型 ,即 (12) 用模型的狀態(tài)來作為實際系統(tǒng)狀態(tài)的估值，如圖 11 所示 ： 圖 11 簡單觀測器的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖 顯然，這樣建立的狀態(tài)觀測器是開環(huán)的，只有當(dāng)模型與實際系統(tǒng)精確地一致，且初始狀態(tài)相同，即 )0()0(? xx ? 時，才有 xx?? 。 圖 12 全階狀態(tài)觀測器結(jié)構(gòu)圖 全階觀測器的設(shè)計準(zhǔn)則 從圖 12 可以看到，觀測器的積分器輸入端除了控制輸入外，還有兩個輸入信號： ? ? ? ? ?( ) ( )Ax G y y Ax G y G C x A G C x G y? ? ? ? ? ? ? ? (16) F A GC?? (17) 圖 12 可畫成圖 13 所示。 3）、 由于才用反饋，因此，不再需要在投入運行時，使觀測器的初始狀態(tài)與 系統(tǒng)初始狀態(tài)值一致，為此，通常觀測器的初始狀態(tài)值可設(shè)置在零，然后，在反饋控制作用下，觀測器能獲得正確的系統(tǒng)狀態(tài)估計值。 4)、 為了減少上述影響，觀測器極點應(yīng)盡可能在遠(yuǎn)離系統(tǒng)極點的左面位置，即在 s 左半平面的負(fù)方向，這樣才能使觀測器瞬態(tài)響應(yīng)很快衰減，其間接的好處是使得觀測器的狀態(tài)估計值很快收斂到系統(tǒng)的狀態(tài)值。若特征值太負(fù)，狀態(tài)觀測器的頻帶很寬，抗干擾能力低。 對系統(tǒng) (11),假定 系統(tǒng)能觀測， 且 rankC m? ，則表明系統(tǒng)的輸出 ()yt 實際上已經(jīng)給出了部分狀態(tài)變量。此時可以通過不斷追加可測得輸出1 1 1 1 1 2 121()x A x A y B uy A x ?? ? ? ???1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 2( ) ( ) ( )z A G A z B G B u A G A G A G A y??? ? ? ? ? ? ? ???基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 8 變量 ， 擴(kuò)展輸出的維數(shù)來構(gòu)造新系統(tǒng) ： (117) 直到滿足 ),( CeA 是可觀測為止，其中 ? ?TCjCiCe .....? 。 由此，我們可以利用狀態(tài)觀測器分別對轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)，并且用重構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行狀 態(tài)反饋，從而使調(diào)速系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、更具有抗擾性。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ t＜ Ton 時， Uab=Us,電樞電流 Id 沿回路經(jīng) VT1,VT4 流通；當(dāng) Ton≤ t＜ T 時，驅(qū)動電壓反相， Id 沿回路經(jīng)二極管 VD2,VD3 續(xù)流， Uab=Us。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng) 設(shè)置邏輯延時。5%的精確度。 圖 23 TL494 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 制，而內(nèi)部誤差放大器 EA2 則用來打開和關(guān) 斷TL494，用于保護(hù)控制。這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 15 問題分成兩步來解決，第一步解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)。但是 Kpi 是小于穩(wěn)p i 11( 1 )() KsW pi ss????基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 16 態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù) Kp 的，因此快速性被降低了，換來對穩(wěn)定性的保證。 在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的 轉(zhuǎn)矩 環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數(shù)。因此，大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型Ⅱ系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 圖 27 直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 27 是直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖，其參數(shù)如表一 ： 表一、系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 符號 描述 數(shù)值 Un 參考輸入電壓 10V Ks UPE 放大倍數(shù) 38 TL 電樞回路電磁時間常數(shù) Tm 電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù) Ts UPE 時間常數(shù) R 電樞電阻 Ce 反電動勢系數(shù) Cm 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 19 ? 電壓 — 速度比 L 電感 J 轉(zhuǎn)動慣量 由結(jié)構(gòu)圖可以列出電機(jī)的狀態(tài)方程： 在電機(jī)負(fù)載擾動變化緩慢的條件下，將電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作常值處理，得： 選取狀態(tài)變量 X1=n,X2=ML,X3=Id, 設(shè)系統(tǒng)的輸出為 Y=Id=X3,則系統(tǒng)的狀態(tài)方程組和輸出方程的矩陣形式為： 由系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出狀態(tài)方程，得能觀測性矩陣： 容易證明， N 的秩為 3，由能觀測性判據(jù)，此系統(tǒng)狀態(tài)完全能觀測。 對觀測的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行微分補(bǔ)償 現(xiàn)在我通過觀測的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對其進(jìn)行微分補(bǔ)償，并通過仿真波形比較微分補(bǔ)償對系統(tǒng)性能的影響。而且我相信隨著現(xiàn)代控制