【正文】 是斜率為 decdB/20? 的中頻段的寬度，稱作“中頻寬”。 具體選擇參數(shù)時，如果工藝上主要要求動態(tài)響應(yīng)快，可取 ?? ～ ，把 K 選大一些；如果主要要求超調(diào)小，可取 ?? ～ ，把 K 選小一些；如果要求無超調(diào)，則取 ?? ， TK ? ；無特 ω c殊要求時，可取折中值，即 ?? ， TK ? ，此時略有超調(diào)（ ? =%）。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 a) b) 圖 2— 7 典型 I 型系統(tǒng) 典型 I 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 在階躍輸入下的 I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無誤差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與 K 值成反比，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為∞。分母中的 rs 項表示該系統(tǒng)在原點處有 r 重極點，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。 c 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大值，起快速的自動保護作用。 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。 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 (2) 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)時 dmimd IUI ?? ?* （ 2— 6） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 節(jié)器就可以了。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖 2— 3 所示。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機等，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。 PID 調(diào)節(jié)器中有比例微分（ PD）、比例積分（ PI）和比例積分微分（ PID）三種類型。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小常有波動，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍 D=20～ 40，靜差率 s≤5%。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。 為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。 轉(zhuǎn)速控 制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 直流電動機常用的起動方法有三種： ① 直接起動； ② 接入變阻器起動； ③ 降壓 起動。這兩種情況都是危險的。 先看轉(zhuǎn)速特性 ? ?2Pfn? 。因為電刷畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 B1 和 B2 靜止不動，電流 i 總是從正極性電刷 B1 流入，經(jīng)過處于 N 極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于 S 極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷 B2 流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于 N極和 S 極下時，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。 在工程實踐中，有許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的 基礎(chǔ) ，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。 盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中 V— M 系統(tǒng)的 應(yīng)用 量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎? 。 由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。 對于那些在實際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險或?qū)嶒炠M用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對設(shè)計好的系統(tǒng)直接進行實驗。最后，用 MATLAB 仿真軟件搭建了仿真模型，對調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真研究。 通過對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的研究與仿真，可以清楚地看到，直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，可以在給定調(diào)速范圍內(nèi)，實現(xiàn)無靜差平滑調(diào)速，這為直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的硬件實驗提供了理論依據(jù)。然而沒有經(jīng)過實驗研究是不能將設(shè)計好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實際中去的。 MATLAB 提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。在 工程設(shè)計 與理論學(xué)習(xí)過程中，會接觸到大量關(guān)于調(diào)速 控制系統(tǒng) 的分析、綜合與設(shè)計問題。從生產(chǎn) 機械 要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制性 能， 盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易， 但 長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位 。電樞鐵心上裝置了由 A 和 X 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別 接到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片 ,換向片之間互相絕緣。此時換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。 從電動勢公式 ?nCE ea ? 和電壓方程可知 aeaeea ICRCUCEn ??? ??? （ 2— 1） 上式通常稱為電動機的轉(zhuǎn)速公式。 機械特性是指 NUU? ， 勵磁回路電阻 fR =常值時，電動 機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 ? ?eTfn? 。 (2) 直流電動機速度的調(diào)節(jié) 電動機是用以驅(qū)動生產(chǎn)機械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動機的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運行停止時要求的定位精度等等。這兩個指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍 D=3～ 10 時，保證靜差率 s≤%～ %。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會產(chǎn)生糾正偏差的自動調(diào)節(jié)過程。由 PD 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用 PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的帶后－超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。為此，在電機最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行 。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差， 這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。根據(jù) r=0,1,2,?的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、?系統(tǒng)。因此 I 型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。 典型 I 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表 22（ KT=）。參數(shù)之間的關(guān)系如下： 122 ??hhc?? （ 2— 15） 211 ??hc?? （ 2— 16） 222211 2 12 112 1 ThhhhThK c ????????????? ??? （ 2— 17） 典型 II 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 在階躍輸入和斜坡輸入下， II 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時都是無誤差的，在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與開環(huán)增益 K 成反比。這個趨勢與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與 h 值的關(guān)系恰好相反，反應(yīng)了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 9 所示，其中的濾波環(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)。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。 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* ??? sKsWsUsIIc liid ?? （ 2— 35） 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù) IK1 的一階慣性環(huán)節(jié)。 (4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(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 2— 11 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 。 ⑤ 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容值（取 ?? KR 400 ） ?????? KKRKR nn 4 6 ，取 470 ?K FFRC nnn ??? 63 ????? ，取 F? FFRTC onon ?? 1101040 630 ?????? ，取 1 F? ⑥ 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量： ? ?mnNNbn TTnnzCC ????????????? ?? ?? m a x2 當(dāng) h=5 時 %%100m a x ???bCC 而 m in/ in/ rrC RIn edN ????? 因此， %10% % ???????n?，滿足設(shè)要求。每個變量代表一個矩陣，它可以有 nm? 個元素，每個元素都看作是復(fù)數(shù)，各種運算對矩陣和復(fù)數(shù)都有效。 ④ 智能化程度高。 MATLAB 語言集計算、數(shù)據(jù)可視和程序設(shè)計于一體，并能用人們熟悉的符號表畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 示出來，在工程計算方面具有不可比擬的優(yōu)越性，它還為圖形處理提供了豐富的函數(shù)。因此， MATLAB 已成為世界上應(yīng)用最廣泛的工程計算應(yīng) 用軟件之一。 ⑤ 功能豐富，可擴展性強。 MATLAB 的程序與科技人員的書寫習(xí)慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員交流。MATLAB 是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： rV m in / ??? （≈ 10V/ maxn ）。 (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)，同時將給定信號改成 ???sUn* ，再把時間常數(shù)為 IK1 和 onT 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 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn TKT ??? 1 （ 2— 36） 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 li T?? （ 2— 22） 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖 2— 14 所示的典型形式，其中 RKKK i siI ? ?? （ 2— 23） 上述結(jié)果是在一系列假定條件下得以的，現(xiàn)將用過的假定條件歸納如下，以便具體設(shè)計時校驗。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。由此可見， h=5 是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時 間 st 最短的條件是一致的。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 表 23 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 由于過渡過程式衰減振蕩性質(zhì)，調(diào)節(jié)時間隨 h 的變化不是單調(diào)的， h=5 時的調(diào)節(jié)時間最短。 ② 典型 II 型系統(tǒng) 典型 II 型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?112 ??? Tss sKsW ?