【正文】 成功。 本設(shè)計(jì)中取 TK =、 shU = 所以 TL = 120/（ 100 55） = 4）實(shí)際串入平波電抗器的電感量 考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量： ? ? mHLLLLL TDd )2(,m a x 121 ???? （ 510） 5) 電樞回路總電感 : TDd LLLL 21 ???? =++2 = 29 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 控制系統(tǒng)的仿真說(shuō)明 一 、 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 是美國(guó) MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于 算法 開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及 數(shù)值計(jì)算 的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和Simulink 兩大部分。 根 據(jù) 本 電 路 形 式 查 得 1K = ，所以1L = 55 5%? ? = 2）限制輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量 2L 由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。 已知： AII Nd a x ???? ? ?? max31 dVT II A 可得晶閘管的額定電流 )(AVTI 計(jì)算結(jié)果 ： ? ? AII VTAVT 22 4 .9 43~16 8 .7 )2~( ??，取 300A 本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)為 KP（ 3CT） 300A （ 螺栓型） 額定電壓： VDRM 2021V 額定電流： IT(AV) 300A 26 整流變壓器的設(shè)計(jì) U2是一個(gè)重要的參數(shù)， 選擇過(guò)低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。 5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容： 取 0R =40 ?k ，則 0 9 0 . 4 8 3 4 0 3 6 1 9 . 3 2nnR K R k? ? ? ? ? ?，取 3700?k 。 電流 環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： ???is TT131 111 1 8 0 . 83 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 2 ciSW???? ，滿足條件。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。 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。電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 所以 在設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，必須使其 具 有較好的抗擾性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 ， 系統(tǒng) 的 轉(zhuǎn)速 是 無(wú)靜差 的，此時(shí)起 主要調(diào)節(jié)作 用的是 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 ， 但負(fù)載電流達(dá)到 時(shí) ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器會(huì) 飽和輸出 ，此刻起 主要作用的 將 是 電流調(diào)節(jié)器 ， 系統(tǒng) 的 電流 表現(xiàn) 為 無(wú)靜差 調(diào)節(jié)，這樣 過(guò)電 流時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)使 系統(tǒng) 保持安 全，這便是利用 兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的結(jié)果。 調(diào)節(jié)器 達(dá)到飽和 ， 則輸出為一個(gè) 定值 ， 輸出不再 受 輸入量變化影響 ，除 了出現(xiàn) 個(gè)反向輸入信號(hào)導(dǎo)致 調(diào)節(jié)器退出飽和 狀態(tài)，就是說(shuō)，調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和 可以 斷開(kāi)輸入與輸出的 連 系， 無(wú) 聯(lián)系 即相當(dāng)于 調(diào)節(jié)環(huán) 處于 開(kāi)環(huán) 狀態(tài) ，而調(diào)節(jié)器不飽和 ， PI調(diào)節(jié)器的作用會(huì) 使 輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總保持 為零 。 圖中： U*n、 Un— 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋 電壓 U*i、 Ui— 電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 兩個(gè)調(diào)節(jié)器， 便可 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用 。 圖 2— 3 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 兩個(gè)調(diào)節(jié)器， 便可 實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用 。 線性控制系統(tǒng)中，當(dāng) 時(shí) 系統(tǒng)的 輸出才會(huì) 真正保持穩(wěn)定 ，但實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行 過(guò)程中 往往存在眾多非線性等因素，過(guò)渡 過(guò)程 只有 有限的 一段， 因此 階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值 一般 取附近的范圍，圖 2— 2 中， 調(diào)節(jié)時(shí)間即為以響應(yīng)曲線達(dá)到并不 超出規(guī)定 的 誤差允許 范圍 所需的最短時(shí)間 。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍 是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍 ，所以在沒(méi)有靜差率的限制 下 ， 任何調(diào)速系統(tǒng)都 無(wú)法 得到 確定 的 調(diào)速范圍， 反過(guò)來(lái) 也如此 二、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 機(jī)械設(shè)備 及相關(guān) 生產(chǎn)工藝對(duì) 控制 系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài) 性能指標(biāo) 有 很高的要求， 自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 大致 包 括 兩方面， 一 是 對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo) ，二 是 對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)， 下 面 分別對(duì)二者進(jìn)行敘述。 用字母 s 表示。比如 它 的 調(diào)速 效率不高 ， 目前應(yīng)用場(chǎng)合也 很有限 ，而且 只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速， 大多適用于小功率直流電機(jī)、開(kāi)環(huán)控制當(dāng)中，在電動(dòng)玩具 、 一些起重機(jī)、 卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)也 有應(yīng)用 。努力掌握各種直流調(diào)速 的 工作原理 和 調(diào)速方法 ，有 所傾向的學(xué)習(xí)與研究，使其 向 適應(yīng)于 國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生 產(chǎn)領(lǐng)域 的 方向發(fā)展 。 現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在 硬 件結(jié)構(gòu)上有望朝著總線化方向發(fā)展 ， 所以 電機(jī)的控制也 可通過(guò)總線控制進(jìn)行實(shí)現(xiàn) ，總線化可 使 各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)得到 良好的 控制 效果 ，這也是 現(xiàn)代電機(jī) 調(diào)速的 另一種發(fā)展 方法。 他們所 提出的 狀態(tài)空間法 起到 了關(guān)鍵作用， 通過(guò)矩陣 基7 礎(chǔ) 直 觀的 認(rèn)識(shí) 了 控制系統(tǒng)的許多重要特性 ，主要是能控性和能觀 性 的把握 ， 這兩個(gè) 特性也 成為控制理論兩個(gè)最基本的概念 。 機(jī)械 工程、 電氣工程 以及 控制 科學(xué) 與 控制工程 中涉及的大多數(shù)問(wèn)題 ，都是 通過(guò) 用系統(tǒng)的相關(guān) 理論 來(lái)分析和解決的。電力電子技術(shù)6 的應(yīng)用 領(lǐng)域被拓寬 到一個(gè)新的高度， 其中 主要以逆變、斬波為中心 作用于 實(shí)現(xiàn)電 能 的 輸送 和變換 ，如今在 變頻調(diào)速、開(kāi)關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置 已 得到廣泛應(yīng)用 。 直流調(diào)速技術(shù)不斷得到 提高和應(yīng)用 ， 其相關(guān)理論 也 漸漸成熟、完善、系統(tǒng) 化 和 標(biāo)準(zhǔn)化， 直流調(diào)速 技術(shù)已經(jīng)難以被取代， 在 PWM 調(diào)速、精確高的電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 中 也是 如此 。 成為了很長(zhǎng) 一段時(shí)間 第二十世紀(jì)內(nèi) 調(diào)速的主流。 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng) 而言 ，抗擾性能 是 體現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定 性 的 最重要 指標(biāo) ， 一是 抗負(fù)載擾動(dòng)，二個(gè) 是 抗電網(wǎng) 電壓擾動(dòng) 。 Speed regulator。而電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約電能等方面有著直接的決定性的影響。直流電機(jī)基本 上 成為唯一能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，雖然這些年交流 電機(jī)發(fā)展相當(dāng)迅速， 直流電動(dòng)機(jī) 也不斷受到交流電 機(jī)及其他 類型電機(jī)的對(duì)比 與競(jìng)爭(zhēng) 。 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 19 世紀(jì) 20 年代，法拉第發(fā)明 了 第一臺(tái) 永磁電機(jī)之后 ，人們 開(kāi)始 認(rèn)識(shí)電機(jī)并 逐步了解 電機(jī)的基本概念和基本理論 。很多直流 傳動(dòng)系統(tǒng)屬于 高精度穩(wěn)速系統(tǒng)， 它的 穩(wěn)速精度 可達(dá)五十萬(wàn)分之一，大 范 圍 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比超過(guò) 1： 11000，而且其實(shí) 響應(yīng)時(shí)間也 得到 大大的縮短，甚至低于幾毫秒 。所以就 目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式， 被 廣泛 應(yīng)用 于 電 力 機(jī)車、無(wú)軌電車等交通領(lǐng)域，機(jī)床、 軋鋼車等機(jī)械領(lǐng)域 以及 起重設(shè)備 和 經(jīng)常啟動(dòng)并調(diào)速的電氣傳動(dòng)裝置當(dāng)中 。 傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī) 是 采用晶閘管 的相 控 方式，雖然這種方式 在 經(jīng)濟(jì)、可靠性上都能 滿足工業(yè)要求 ，但是 它的 相控方法復(fù)雜， 在 散熱 方面也 有 很 高的要求 。這類控制問(wèn)題解決起來(lái) 相當(dāng)棘手 ，采用經(jīng)典控制理論是很難達(dá)到目地。 第一： 高性能處理器的應(yīng)用 與 發(fā)展 。 第二： 在建立該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基 礎(chǔ)上，從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。 本文主要的課題內(nèi)容： 1. 掌握直流電機(jī)的工作原理及應(yīng)用； 2. 設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 3. 建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)； 4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性； 5. 完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析 結(jié)果并得出結(jié)論。 直流調(diào) 速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù) 生產(chǎn)機(jī)械 的 各種類型， 提出 轉(zhuǎn)速 控制 系統(tǒng) 的 三個(gè)基本要求調(diào)速 、穩(wěn)速、加減速。 對(duì)于圖 2— 1 中 不同 轉(zhuǎn)速下的 靜 特性曲線 ，它們的轉(zhuǎn)速降落 相等，但空載 轉(zhuǎn)速 ，因此 由靜 差 率 公式可知 。通常情況 在階躍響應(yīng)中 盡量 做到 輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 的 差 值 越小越好，達(dá)到 輸出 穩(wěn)態(tài) 的時(shí)間越短 越好。 動(dòng)態(tài)降落后 經(jīng)過(guò) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用輸出 量 逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 ，是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差總是低于 動(dòng)態(tài)降落 的 。 本次 設(shè)計(jì)的 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器 ASR和 ACR都采用 PI調(diào)節(jié)器。 在電動(dòng)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(hào)減小到近于零，兩個(gè) 調(diào)節(jié)器都會(huì) 退出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)發(fā)揮 作用 。 1．轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 不飽和 該情況下 ， 轉(zhuǎn)速 、電流 調(diào)節(jié)器都不 飽和，穩(wěn)態(tài)后，它們的輸入偏差電壓都為零。 18 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)： 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器 ， 那么轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)，實(shí)際 上 PI控制 的 所有 自動(dòng)控制系統(tǒng)都允許 轉(zhuǎn)速 有 很小 的 超調(diào) ，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制 器 進(jìn)行 控制。故在雙閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響 小很多 。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的 PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 因?yàn)殡娏鞒{(diào)量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器。 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) ： 按設(shè)計(jì)要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器 ? ? ? ?ssKsW nnnASR ? ?? ?? 1 3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)： 按跟隨和抗干擾性能較好原則，取 h=4,則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù)為： 4 0 . 0 1 7 4 0 . 0 6 9 6nnh T s? ?? ? ? ?， 24 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： 12 2 2 215 2 4 74N nhKshT ???? ? ??? 。其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 442 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 25 6）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 由 h=4，查得 % 10%n? ??，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使 ASR 退飽和重 計(jì)算 n? 。時(shí)整流電壓 Ud0與二次電壓 U2之比，即 A=Ud0/U2 ； B延遲角為α?xí)r輸出電壓 Ud與 Ud0之比，即 B=Ud/Ud0； ε —— 電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)； 1～ —— 考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式： ? ? BAUU d?~12 ? (52) 由表查得 A=；取ε =；α角考慮 10176。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來(lái)限制輸出電流的脈動(dòng)量。 MATLAB 可以進(jìn)行 矩陣 運(yùn)算、繪制 函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn) 算法 、創(chuàng)建用戶界面、連接其他 編程語(yǔ)言 的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、 信號(hào)處理與通訊、 圖像處理 、 信號(hào)檢測(cè) 、 金融建模 設(shè)計(jì)與分析等 領(lǐng)域 。 32 圖 65 雙閉環(huán)數(shù)學(xué) 仿真模型 圖 66 雙閉環(huán) 仿真 波形 33 系統(tǒng)的 仿真結(jié)論 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如仿真圖 66 所示。 第一， 了解了調(diào)速的發(fā)展史， 了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊(yùn)涵的發(fā)展?jié)摿Γ莆樟诉@一方面未來(lái)的發(fā)展動(dòng)態(tài)； 第二，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性； 第三， ASR、 ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計(jì)算； 第四，直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計(jì)算； 第五 ，運(yùn)用 MATLAB 仿真系統(tǒng)對(duì)所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行的仿真，與此同時(shí)，進(jìn)一步熟悉了 MATLAB 的 相關(guān)功能，掌握了其使用方