【正文】 （ 2— 13） 它的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖和開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如圖 28 所示，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?? （ 2— 10） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 KT121?? （ 2— 11） 則 Tn 21??? （ 2— 12） 表 2— 1 典型Ⅰ 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ξ 超調(diào)量 σ 0% % % % % 上升時(shí)間 tr ∞ 峰值時(shí)間 tp ∞ 相角穩(wěn)定裕度γ 截止頻率 c? 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。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用I 型和 II 型系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法 (1) 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化，突出主 要矛盾。 ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。在設(shè)計(jì) ASR 時(shí)，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流過(guò)程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 采用 PI 調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn) 定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。 在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng) 態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面的要求。 圖 2— 2 晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)校正 由前述分析可知，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速指標(biāo)要求。 (3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落 為 Nn? ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 NNN nn nn ns ??????m inm in0 于是，最低轉(zhuǎn)速為 ? ?s nsnsnn NNN ??????? 1m in 而調(diào)速范圍為 m inm inm ax nnnnD N?? 將上面的 minn 式代入，得 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 ? ?sn snD NN??? 1 （ 2— 4） 式（ 2— 4）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。 (2) 靜差率 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱作靜差率 s，即 0nns N?? （ 2— 3） 或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000 ??? nns N 顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn 式中 n — 轉(zhuǎn)速（ r/min）； U— 電樞電壓（ Ｖ ）； I— 電樞電 流（ Ａ ）； R— 電樞回路總電阻（ ? ）； ?— 勵(lì)磁磁通（ Ｗ b）； eK— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的基本要求是： ① 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大； ② 起動(dòng)電流要??； ③ 起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。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)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。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通。 論文的主要內(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)證控制方案的合理性。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)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正 反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度 、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài) 響 應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。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。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這種方法十分費(fèi)時(shí)而且費(fèi)用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。在 20 世紀(jì) 60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。而用 MATLAB 軟件對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行虛擬環(huán)境下的仿真研究，不僅使用方便，也大大降低了研究成本。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 Simulink 會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為 一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到 達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不 讓 電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 (3) 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。 由于電流 i 為恒定，一周中磁通密度的方向?yàn)橐徽回?fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩 TXA 將是交變的，無(wú)法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 由于實(shí)際運(yùn)行中 aI 較易測(cè)得，且 aI 隨 2P 的增大而增大， 故也可把工作特性表示為 n， eT ， ? ?aIf?? 。若勵(lì)磁繞組斷開(kāi)， fI =0， 主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。這是互相矛盾的。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 (3) 加、減速。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對(duì)于同樣硬度的特性，理 想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。例如，在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG，檢測(cè)出輸出量或被調(diào)量 n 大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 fnU ，與轉(zhuǎn)速給定電壓 nU 相比較后，得到偏差電壓 nU? ，經(jīng)放大器產(chǎn)生觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU ，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流 dcrI 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。要想既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用，只用一個(gè)調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考 慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器。圖中還表示了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。 ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* 由第一個(gè)關(guān)系式可得 0* nUn n??? （ 2— 5） 此時(shí)，由于 ASR 不飽和， *iU ＜ *imU ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知 dI ＜ dmI 。 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能 (1) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 6 所示。但從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，存在著能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別。 ② 電流調(diào)節(jié)器的作用： a 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中 ，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。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。選擇它作為典型 I 型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以－20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。 典型 I 型系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù) KT 的關(guān)系列于表 2— 1。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 2— 8 典型 II 型系統(tǒng) 典型 II 型系統(tǒng)與典型 I 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù) T 也是控制對(duì)象固有的。典型 II 型系統(tǒng)的超調(diào)量一般都比典型 I 型系統(tǒng)大，而快速性要好。這是設(shè)計(jì)選 擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。 Un*( s ) ++++11?sT oi 1?sTKss11?sTRl11?sT onA S R A C R 1?sToi?1?sT on? sTRm eC1Ui( s )E ( s )Id L( s )Id( s )Ud 0( s )Uc( s )電 流 環(huán) 圖 2— 9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由測(cè)速電電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用 onT 表示。 最后，由于 sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常為 oisi TTT ??? （ 2— 19） 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為 oisci TT131?? （ 2— 20） (2) 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。圖中*iU 為電流給定電壓， dI?? 為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 控制電壓 cU 。由此可見(jiàn)， ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ? ?ssKsW nnnA S R ?? 1?? （ 2— 37） 式中 nK — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 ⑤ 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用放大器取 ?? KR 400 ，各電阻和電容值計(jì)算如下 ?????? KKRKR ii ，取 40 ?K FFRC iii ??? 63 ????? ，取 F? FFRTC oioi ?? 630 ?????? ，取 F? 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 %5% ??i? ，滿足設(shè)計(jì)要求?，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。 ③ 強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的作圖功能。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本專業(yè)的知識(shí)編寫(xiě)出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)。