【正文】 調(diào)節(jié)器的建模 PI 調(diào)節(jié)器可以直接調(diào)用 Simulink 中的功能模塊，但是考慮飽和和輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器需要自己封裝模型，模型中把比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分調(diào)節(jié)器integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模 塊Saturation 設(shè)定。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與 MATLAB、 C 或者 FORTRAN 語(yǔ)言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。 MATLAB 軟件包括 MATLAB 主程序和許多日益 增多的工具箱，例如：仿真工具箱、優(yōu)化工具箱、信號(hào)處理工具箱 Simulink 簡(jiǎn)介 40 40 40 Simulink 是 Matlab 軟件下的一個(gè)附加組件，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的 MATLAB 軟件包。 MATLAB 的主要特點(diǎn) 自 MATLAB 正式推出后，其功能越來(lái)越強(qiáng)大，其主要特點(diǎn)如下： (1) MATLAB 的基本單位為矩陣，其表 達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程計(jì)算中常用的形式類似。 MATLAB 簡(jiǎn)單易用、人機(jī)界面良好，又有著演算紙式的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言的美稱，使復(fù)雜繁瑣的科學(xué)計(jì)算和編程變的日 益簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確有效。 按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求和近似條件。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) 整 流裝置滯后時(shí)間常數(shù)： Ts=； ???KeIRUn 33 33 33 電流濾波時(shí)間常數(shù)： sToi ? ； 電流環(huán)小 時(shí)間 常數(shù)，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 ???? oisi TTT ； 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5%?i? ， 并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：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、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓大小，以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。 直到 Id 約等于 dmI ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。圖中? ?sW RAs 和 ? ?sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， 由 第一個(gè)關(guān)系式 可得： 從而得到靜特性曲線的 CA 段。因?yàn)?PI 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩） 受限 的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。在每一個(gè) PWM 周期 的負(fù)脈沖區(qū)間， VT VT3 導(dǎo)通， VTVT4 截止，電流的方向仍然不變，只不過(guò)電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動(dòng)較大。對(duì)于可逆系統(tǒng)，又可以分 為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式。 （ 3）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。 （ 3） 加、減速：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)。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 本課題研究的主要內(nèi)容 本 課題 設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)也向著控制的數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容。 而直流電機(jī)的調(diào)速一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，如何更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化控制更是重中之中 。給出了 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿 真 模型和仿真結(jié)果 ，驗(yàn)證了仿真模型及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置的正確性。 譯文內(nèi)容必須與課題（或?qū)I(yè)內(nèi)容）相關(guān)，并需注明詳細(xì)出處。 裝訂時(shí)論文在 前，文獻(xiàn)綜述在后。 正文（應(yīng)含引言、結(jié)論等）。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）可雙面打印或單面打印。調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量 ， 據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)方案 ， 以確保系統(tǒng)能夠正常 、 穩(wěn)定地運(yùn)行。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好 ， 應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng) 。我國(guó)自主的全數(shù)字化直流調(diào)速裝置還沒(méi)有全面商用，產(chǎn)品的功能上沒(méi)有國(guó)外產(chǎn)品的功能強(qiáng)大。我國(guó)關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有 ： 綜合性最優(yōu)控制， 4 4 4 補(bǔ)償 PID 控制， PID 算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控 制技術(shù)。所以由晶閘管—直流電動(dòng)機(jī)（ V—M）組成的直流調(diào) 速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 (2) 改變電動(dòng)機(jī)主磁通 ? 調(diào)速 該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速；缺點(diǎn)是調(diào)速范圍小而且通常是配合調(diào)壓調(diào)速在基速以上作小范圍的升速。 調(diào)速性能指標(biāo)及要求 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高 [4]。 直流脈寬 調(diào)速系統(tǒng)的介 紹 ??? K e IRUn??? K e IRUn??? K e IRUn ???KeIRUn???KeIRUn???KeIRUn 11 11 11 直流脈寬 調(diào)速系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn) 自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 12 12 12 PWM變換器 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱 PWM 變換器。 4 個(gè) IGBT 管分成兩組， VT1， VT4 為一組； VT2， VT3 為另一組。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。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)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn) 態(tài) 時(shí)總是為零。穩(wěn)態(tài)時(shí)： ??? K e IRUn??? K e IRUn??? K e IRUn ??? KeIRUn???KeIRUn??? K e IRUn 22 22 22 其中，最大 Idm 電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許 的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一條垂直的特性。 當(dāng)突加給定電壓 后 ， 經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用， 、 、 dI 都跟著上升，但是 dI 在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流 dLI 以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升 。 在這個(gè)階段中 ASR 與ACR 同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)， ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則力圖使盡快地跟隨 ASR 輸出的變化。但由于在起動(dòng)過(guò)程 Ⅰ 、 Ⅱ 兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱作 ―準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 ‖。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量 [11]。 現(xiàn)在 ?? lmTTci? ，滿足近似條件。 現(xiàn)在oni TT ??????? 1312 131，滿足近似條件。在國(guó)外， MATLAB 已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。 (4) 具有強(qiáng)大的作圖和數(shù)據(jù)可視化功能。 Simulink 模塊庫(kù)提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號(hào)源模塊庫(kù) (Source) ,接收模塊庫(kù)（ Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Signal Routing），信號(hào)屬性模塊庫(kù)（ Signal Attributes），數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)（ Math Operations），邏輯和位操作庫(kù)（ Logic and Bit Operations）等等，此外還有一些特定學(xué)科仿真的工具箱。 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速 系統(tǒng)仿真模型 42 42 42 由于面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法是以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，按照系統(tǒng)的構(gòu)成，從 SimPower System 和 Simulink 模塊庫(kù)中找出對(duì)應(yīng)的模塊，按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。 。本次設(shè)計(jì)中需要用到的電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真就是在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，主要使用電力系統(tǒng)模塊庫(kù) SimPower System和 Simulink 進(jìn)行的。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真 與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來(lái)調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。 (3) 具有非常友好的人機(jī)界面。在 20 世紀(jì) 80 年代初期，由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了 Math Work 公司，采用 C 語(yǔ)言改寫(xiě)了 MATLAB 的內(nèi)核，并將其正式推向市場(chǎng)。 現(xiàn)在i sT ????? ?? 15 1，所以滿足簡(jiǎn)化條件。 因?yàn)????? 13 1 sT ci?，所以滿足近似條件。 31 31 31 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是： （ 1） 概念清楚、易懂； （ 2） 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； （ 3） 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； （ 4） 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； （ 5） 適用于各 種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速略 27 27 27 有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。超調(diào)后 ， ASR 輸入偏差電壓變負(fù) ，使 它開(kāi)始 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR 的給定電壓）才從限幅值降下來(lái)，但是，由于 Id 仍大于負(fù)載電流 dLI ，在開(kāi)始一段時(shí)間??? K e IRUn 26 26 26 內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。 從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段 。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 三個(gè)階段。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速