【正文】 成功。 本設(shè)計中取 TK =、 shU = 所以 TL = 120/（ 100 55） = 4）實際串入平波電抗器的電感量 考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量： ? ? 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)的仿真說明 一 、 MATLAB 簡介 MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學軟件 ，用于 算法 開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及 數(shù)值計算 的高級技術(shù)計算語言和交互式環(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）限制輸出電流脈動的臨界電感量 2L 由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。 已知： AII Nd a x ???? ? ?? max31 dVT II A 可得晶閘管的額定電流 )(AVTI 計算結(jié)果 ： ? ? AII VTAVT 22 4 .9 43~16 8 .7 )2~( ??，取 300A 本設(shè)計選用晶閘管的型號為 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 U2是一個重要的參數(shù)， 選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。 5）計算調(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)小時間常數(shù)近似處理條件： ???is TT131 111 1 8 0 . 83 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 2 ciSW???? ，滿足條件。接下來可用一個實例來說明這個問題。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測反饋回路構(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 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，必須使其 具 有較好的抗擾性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 ， 系統(tǒng) 的 轉(zhuǎn)速 是 無靜差 的，此時起 主要調(diào)節(jié)作 用的是 轉(zhuǎn)速負反饋 ， 但負載電流達到 時 ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器會 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 無靜差 調(diào)節(jié)，這樣 過電 流時會自動調(diào)節(jié)使 系統(tǒng) 保持安 全，這便是利用 兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的結(jié)果。 調(diào)節(jié)器 達到飽和 ， 則輸出為一個 定值 ， 輸出不再 受 輸入量變化影響 ，除 了出現(xiàn) 個反向輸入信號導致 調(diào)節(jié)器退出飽和 狀態(tài)，就是說，調(diào)節(jié)器達到飽和 可以 斷開輸入與輸出的 連 系， 無 聯(lián)系 即相當于 調(diào)節(jié)環(huán) 處于 開環(huán) 狀態(tài) ，而調(diào)節(jié)器不飽和 ， PI調(diào)節(jié)器的作用會 使 輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總保持 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— 測速發(fā)電機 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 兩個調(diào)節(jié)器， 便可 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用 。 圖 2— 3 突加擾動的動態(tài)過程 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 兩個調(diào)節(jié)器， 便可 實現(xiàn) 轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用 。 線性控制系統(tǒng)中，當 時 系統(tǒng)的 輸出才會 真正保持穩(wěn)定 ，但實際系統(tǒng)運行 過程中 往往存在眾多非線性等因素，過渡 過程 只有 有限的 一段， 因此 階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值 一般 取附近的范圍，圖 2— 2 中， 調(diào)節(jié)時間即為以響應曲線達到并不 超出規(guī)定 的 誤差允許 范圍 所需的最短時間 。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍 是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍 ，所以在沒有靜差率的限制 下 ， 任何調(diào)速系統(tǒng)都 無法 得到 確定 的 調(diào)速范圍， 反過來 也如此 二、動態(tài)性能指標 機械設(shè)備 及相關(guān) 生產(chǎn)工藝對 控制 系統(tǒng)的 動態(tài) 性能指標 有 很高的要求， 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 大致 包 括 兩方面， 一 是 對給定信號的跟隨性能指標 ，二 是 對擾動輸入信號的抗擾性能指標， 下 面 分別對二者進行敘述。 用字母 s 表示。比如 它 的 調(diào)速 效率不高 ， 目前應用場合也 很有限 ，而且 只能實現(xiàn)有級調(diào)速， 大多適用于小功率直流電機、開環(huán)控制當中，在電動玩具 、 一些起重機、 卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)也 有應用 。努力掌握各種直流調(diào)速 的 工作原理 和 調(diào)速方法 ，有 所傾向的學習與研究，使其 向 適應于 國民經(jīng)濟各個生 產(chǎn)領(lǐng)域 的 方向發(fā)展 。 現(xiàn)代電動機自動控制系統(tǒng)在 硬 件結(jié)構(gòu)上有望朝著總線化方向發(fā)展 ， 所以 電機的控制也 可通過總線控制進行實現(xiàn) ，總線化可 使 各種電動機的控制系統(tǒng)得到 良好的 控制 效果 ，這也是 現(xiàn)代電機 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， 通過矩陣 基7 礎(chǔ) 直 觀的 認識 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 特性也 成為控制理論兩個最基本的概念 。 機械 工程、 電氣工程 以及 控制 科學 與 控制工程 中涉及的大多數(shù)問題 ，都是 通過 用系統(tǒng)的相關(guān) 理論 來分析和解決的。電力電子技術(shù)6 的應用 領(lǐng)域被拓寬 到一個新的高度， 其中 主要以逆變、斬波為中心 作用于 實現(xiàn)電 能 的 輸送 和變換 ，如今在 變頻調(diào)速、開關(guān)電源、靜止變頻等電力電子裝置 已 得到廣泛應用 。 直流調(diào)速技術(shù)不斷得到 提高和應用 ， 其相關(guān)理論 也 漸漸成熟、完善、系統(tǒng) 化 和 標準化， 直流調(diào)速 技術(shù)已經(jīng)難以被取代， 在 PWM 調(diào)速、精確高的電氣傳動系統(tǒng) 中 也是 如此 。 成為了很長 一段時間 第二十世紀內(nèi) 調(diào)速的主流。 對于調(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 ， 一是 抗負載擾動，二個 是 抗電網(wǎng) 電壓擾動 。 Speed regulator。而電動機的調(diào)速性能，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約電能等方面有著直接的決定性的影響。直流電機基本 上 成為唯一能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機，雖然這些年交流 電機發(fā)展相當迅速， 直流電動機 也不斷受到交流電 機及其他 類型電機的對比 與競爭 。 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 19 世紀 20 年代，法拉第發(fā)明 了 第一臺 永磁電機之后 ，人們 開始 認識電機并 逐步了解 電機的基本概念和基本理論 。很多直流 傳動系統(tǒng)屬于 高精度穩(wěn)速系統(tǒng)， 它的 穩(wěn)速精度 可達五十萬分之一，大 范 圍 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比超過 1： 11000，而且其實 響應時間也 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)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式， 被 廣泛 應用 于 電 力 機車、無軌電車等交通領(lǐng)域，機床、 軋鋼車等機械領(lǐng)域 以及 起重設(shè)備 和 經(jīng)常啟動并調(diào)速的電氣傳動裝置當中 。 傳統(tǒng)直流電動機 是 采用晶閘管 的相 控 方式，雖然這種方式 在 經(jīng)濟、可靠性上都能 滿足工業(yè)要求 ，但是 它的 相控方法復雜， 在 散熱 方面也 有 很 高的要求 。這類控制問題解決起來 相當棘手 ，采用經(jīng)典控制理論是很難達到目地。 第一： 高性能處理器的應用 與 發(fā)展 。 第二： 在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基 礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用。 本文主要的課題內(nèi)容： 1. 掌握直流電機的工作原理及應用； 2. 設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 3. 建立數(shù)學模型，計算相關(guān)設(shè)計參數(shù)； 4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計的合理性； 5. 完成相關(guān)實驗，分析 結(jié)果并得出結(jié)論。 直流調(diào) 速系統(tǒng)的性能指標 根據(jù) 生產(chǎn)機械 的 各種類型， 提出 轉(zhuǎn)速 控制 系統(tǒng) 的 三個基本要求調(diào)速 、穩(wěn)速、加減速。 對于圖 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，達到 輸出 穩(wěn)態(tài) 的時間越短 越好。 動態(tài)降落后 經(jīng)過 系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用輸出 量 逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ，是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差總是低于 動態(tài)降落 的 。 本次 設(shè)計的 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR和 ACR都采用 PI調(diào)節(jié)器。 在電動機轉(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零，兩個 調(diào)節(jié)器都會 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)，實際 上 PI控制 的 所有 自動控制系統(tǒng)都允許 轉(zhuǎn)速 有 很小 的 超調(diào) ，對于完全不允許超調(diào)的情況，應采用其他控制 器 進行 控制。故在雙閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動 波動對轉(zhuǎn)速的影響 小很多 。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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)速和電流都采用負反饋閉環(huán)。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。 2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 因為電流超調(diào)量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，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)計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器 ? ? ? ?ssKsW nnnASR ? ?? ?? 1 3）計算轉(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）校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 由 h=4，查得 % 10%n? ??，不滿足設(shè)計要求，應使 ASR 退飽和重 計算 n? 。時整流電壓 Ud0與二次電壓 U2之比，即 A=Ud0/U2 ； B延遲角為α時輸出電壓 Ud與 Ud0之比，即 B=Ud/Ud0； ε —— 電網(wǎng)波動系數(shù)； 1～ —— 考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 根據(jù)設(shè)計要求，采用公式： ? ? BAUU d?~12 ? (52) 由表查得 A=；取ε =；α角考慮 10176。因此，應在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。 MATLAB 可以進行 矩陣 運算、繪制 函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實現(xiàn) 算法 、創(chuàng)建用戶界面、連接其他 編程語言 的程序等，主要應用于工程計算、控制設(shè)計、 信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、 金融建模 設(shè)計與分析等 領(lǐng)域 。 32 圖 65 雙閉環(huán)數(shù)學 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狀態(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如仿真圖 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)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿Γ莆樟诉@一方面未來的發(fā)展動態(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)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算； 第四，直流電動機數(shù)學模型的建立，參數(shù)的計算； 第五 ，運用 MATLAB 仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行的仿真，與此同時，進一步熟悉了 MATLAB 的 相關(guān)功能，掌握了其使用方