【正文】 ed governor,current governor,double loop control system,simulink 目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒 論 1 直流調(diào)速概念 1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 1 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 2 本文的研究內(nèi)容 3第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 4 動態(tài)性能指標(biāo) 6 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 8 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 11 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 11 起動過程分析 12 動態(tài)抗干擾性分析 15 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 15 PI調(diào)節(jié)器 15 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法 16 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 16 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 17 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計 18 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 18 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計 18第三章 PWM脈寬調(diào)制 22 PWM基本介紹 22 脈寬調(diào)制變換器 22 橋式可逆PWM變換器 23第四章 直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 26 數(shù)學(xué)模型的建立 26 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 26 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 27 本設(shè)計中電動機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集和計算 31第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 33 MATLAB簡介 33 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 33結(jié) 論 36致 謝 37參 考 文 獻(xiàn) 38附 錄 38第一章 緒 論 直流調(diào)速概念直流調(diào)速[1]是指人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。其特點是利用了直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機(jī)，從而方便地實現(xiàn)調(diào)速。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。雖然直流電動機(jī)可以滿足這些要求，但由于直流電動機(jī)在容量、體積、重量、成本、制造和運(yùn)行維護(hù)方面都不及交流電動機(jī)，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機(jī)代替直流電動機(jī)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索[1]。本文的主要工作：1. 掌握電機(jī)傳動的工作原理及應(yīng)用；2. 設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵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。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。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。圖2—22）超調(diào)量 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： （2—4）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。圖2—4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析圖2—5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(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。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。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。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。ASR的輸出電壓為 ACR的輸出電壓為 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 PI調(diào)節(jié)器 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式[1，2，3]：由圖可得：：PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)：PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些,抗擾性能卻比較好。圖3很好地說明了這一點。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：1) 晶閘管裝置放大系數(shù)：=302) 電樞回路總電阻：R=3) 時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)=機(jī)電時間常數(shù)=4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻=20設(shè)計指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量%≤5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤15%。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。 橋式可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H型）電路，如圖3—5所示。當(dāng)正脈沖較寬時，tonT/2,則Uab的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：1) 電流一定連續(xù)；2) 可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行；3) 電動機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；5) 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。圖4—2如果將討論的問題限制在穩(wěn)態(tài)工作點附近的小偏差情況，經(jīng)過化簡，可得此時系統(tǒng)的增量方程為： 為簡化起見，式中表示增量的下標(biāo)1已刪去。第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 MATLAB簡介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計電路時,要對所設(shè)計的電路的性能進(jìn)行預(yù)計、判斷和校驗。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真下圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖：說明：在SIMULINK中，PWM為一個完整模塊。包括：可控硅整流電路，觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。正是有了這次設(shè)計，讓我在大學(xué)四年的最后一個學(xué)期過的豐富而又充實，我應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計的這份精神和態(tài)度去面對以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。1. 掌握電機(jī)傳動的工作原理及應(yīng)用。目前應(yīng)用的比較多的是MATLAB ,它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫。轉(zhuǎn)動慣量J=*m。所以由上式可畫出直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點。相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，VT2和VT3同時通斷，使電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓+ Us或 Us。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。二. 速度環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù) ①電流環(huán)等效時間常數(shù)：=②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差。自動控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。在圖2—7所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(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。（3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。在這個階段中ASR與ACR同時發(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。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua0的關(guān)系為：其中：A整流器系數(shù)； 整流器輸入交流電壓； 整流器觸發(fā)角； 觸發(fā)器移項控制電壓；K觸發(fā)器移項控制斜率；整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=。圖2—6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、　各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算由雙閉環(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，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：=========上述關(guān)系表明，在