【正文】 r c t gTa r c t ga r c t g cccc ??????? ?????? ?? 1 8 01 8 0 ? 比 T 大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。把各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來(lái)看， h=5 時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。 表 34 典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 h 3 4 5 6 7 8 9 10 bCC/? % % % % % % % Ttm Ttv 13． 60 典型 I 型系統(tǒng)和典型 II 型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，一般來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)性能中典型 I 型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型 II 型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。 如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 ???sUi* ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，從其中可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。在一般情況下，希望電流超調(diào)量 i? =5%，由表 32，可選 ? =， iITK? =，則 iciI TK ??? 21? （ 3—23） 再得用式（ 3—17）和式（ 3—18）得到 ?????????? ?? ilsisli TTKRTK RTK ?? 22 （ 3—24） (4) 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 20R20R 20R20RCo iCo i balRAR1CiUcUi*dI??++ 圖 35 含給定濾波與反 饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 35 所示。 (2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 和電流環(huán)中一 樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波的反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 ???sUn* ，再把時(shí)間常數(shù)為 IK1 和 onT 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn TKT ??? 1 （ 3—32） 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 ASR 中。故 ASR 選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW nnnASR ?? 1?? ③ 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù) sshT nn 1 7 ???? ?? 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益 22222 62 1 ??? ?????? ssThhKnN 于是， ASR 的比例 系數(shù)為 ? ? 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? ④ 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 111 ?? ????? ssKK nNN ??? a 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 iI TK?? 31? ： iI ssTK ???? ??? 11 ，滿足近似條件； b 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 onI TK31?? ： onI ssTK ???? ?? 11 53131，滿足近似條件。 MATLAB 語(yǔ)言有以下特點(diǎn)： ① 起點(diǎn)高。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形?，F(xiàn)在它們己有控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖象處理、系統(tǒng)辯識(shí)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析等 20 多個(gè)工具箱，并且還在繼續(xù) 擴(kuò)展。 用 SIMULINK 創(chuàng)建的模型是分層的，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)來(lái)查看下一級(jí)中更加詳細(xì)的內(nèi)容。也可以在 MATLAB 的命令窗口直接鍵入 Powerlib。 在 6 個(gè)基本模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫(kù)中去。 XYGraph 模塊相當(dāng)于示波器輸入 X,Y 變量時(shí)的顯示，它在仿真啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)生成。在仿真過(guò)程中用戶只需直接把模型調(diào)到自己的仿真程序中即可。 6脈沖觸發(fā)模型構(gòu)建是通過(guò) Extras Control blocks(附加控制模塊 )中的 Control blocks(控制模塊 )庫(kù)中的 Synchronized 6Pulse Generator（ 6 脈沖同步觸發(fā)器）來(lái)實(shí)現(xiàn)。 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對(duì)稱(chēng)交流電壓源、 晶閘管整流橋、直流電動(dòng)機(jī) 、轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán) 等部分組成?？梢钥闯?，對(duì)于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用 SIMULINK 實(shí)現(xiàn)仿真非常簡(jiǎn)單。 對(duì)仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)觀測(cè)和保存，可通過(guò)下面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)： ① 實(shí)時(shí)觀測(cè) 可以用 SIMULINK 中的顯示模塊對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)觀 測(cè)。 ⑤ 連接模塊庫(kù)：包括地、中性點(diǎn)和母線 (公共點(diǎn) )。運(yùn)行SIMULINK 以后，打開(kāi) Blocksetamp。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包相 比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)編寫(xiě)出許多有用的工具箱為自己的專(zhuān)業(yè)服務(wù)。 ③ 強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的作圖功能?，F(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。 (4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 36 所示，圖中 *nU 為轉(zhuǎn)速給定電壓， n?? 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 *iU 。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 ??sUi* ，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 ? ?? ?? ?111* ??? sKsWsUsIIcliid ?? （ 3—31） 這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù) IK1 的一階慣性環(huán)節(jié)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 li T?? （ 3—18） 則 RKKK i siI ? ?? （ 3—19） 上述結(jié)果是在一系列假定條件下得以的，現(xiàn)將用過(guò)的假定條件歸納如下，以便具體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè) 計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng) U d0( s) K s /T s s+1 1/R (T l s+ 1) R/T m s 1/ CeI dl( s)I d( s)E++1/T on s+1 1/T oi s+1ASR ACR1/T oi S+11/T on S+1E (s)U c( s)U i( s)U n(s )*++電流環(huán) 圖 34 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 勢(shì)的作用去掉。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。把典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能的各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來(lái)看 ， h=5 應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。 表 33 典型 II 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)（按 minrM 準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系） h 3 4 5 6 7 8 9 10 σ % % % % % % % % Ttr Tts k 3 2 2 1 1 1 1 1 由于過(guò)渡過(guò)程式衰減震蕩性質(zhì)，調(diào)節(jié)時(shí)隨 h 的變化不是單調(diào)的， h=5 時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短。 ② 典型 II 型系統(tǒng) 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 18 表 32 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 221 TTTTm ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm Ttv 典型 II 型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?112 ??? Tss sKsW ? （ 3—9） 其中頻段也是以 decdB/20? 的斜率穿越 0dB 線。 參數(shù) K、 T 與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù) n? 、 ? 之間的換算關(guān)系 TKn?? （ 3—6） KT121?? （ 3—7） 則 Tn 21??? （ 3—8） 由二階系統(tǒng)的性質(zhì)可知，當(dāng) 1?? 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng) 1?? 時(shí)，是過(guò)阻尼的單調(diào)特性；當(dāng) 1?? 時(shí)，是臨界阻尼。自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而 III 型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 c 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 U n*U nU iU i* U c U d0 W AS R(s) W AC R(s) K s /T s s+1 1/R (T l s+ 1) R/T m sβα1/ CeI dlI dE++ + + 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài) 結(jié)構(gòu)框圖 在雙閉環(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(guò)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(lái)，抗擾性能大有改善。 (2) 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)時(shí) dmimd IUI ?? ?* （ 3—2） 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，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。 它可以很方便地根據(jù)原理圖畫(huà)出來(lái)，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器就可以了。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： rV m in / ??? （ ≈10V/ maxn ）。所以轉(zhuǎn)速的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng) ， Nn? 值一定，由式（ 2—4）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。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。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。這兩種情況都是危險(xiǎn)的。 先看轉(zhuǎn)速特性 ? ?2Pfn? 。電流經(jīng) A 刷由 d 端流入線圈，在線圈內(nèi)部電流方向是由 d 到 c、由 b 到 a，如圖中箭頭所示。 (4) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究 深入學(xué)習(xí)和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn) 行模型搭建和仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與探究。在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié) 并且要求有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)然，近年來(lái)， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場(chǎng)合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算 機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。晶閘管 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。最后，用 MATLAB 仿真軟件搭建了仿真模型，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。 Doubleclosedloop?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。在Simulink 中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)單，而且仿真過(guò)程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。 因此在軋機(jī)、造紙等對(duì)力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。 課題 內(nèi)容 本課題以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動(dòng)機(jī)的基本方程給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用 MATLAB 進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果分析、研究，驗(yàn)證河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 3 控制方案的合理性。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到圖 21(a)所示的位置時(shí)， ab 導(dǎo)體剛好在 N 極下， cd 導(dǎo)體剛好在 S 極下。 ABE EABNSNSabcdIdabcI （ a） (b) 圖 21 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條 :一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，電樞電流增大， aaRI 使電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時(shí)，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個(gè)因素的影響部分地互相抵消，使并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。直流電動(dòng)機(jī)在這些方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。在調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性能中，主要有兩個(gè)要求： （ 1）調(diào)速，要求系統(tǒng)能夠