【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校期間最后一個(gè)重要的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生全面運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)基本技能，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究的綜合訓(xùn)練。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)楦鞣N試驗(yàn)提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。 寫(xiě)出平衡方程式、拉普拉斯變換由上圖可寫(xiě)出下列基本關(guān)系式： aUE= R(1+ aTS?) dI eT l=J?S ω fU= fR??ffIT?1 E= ????feMpK Te= dfdmII?其中: aRLT? 為電樞電路時(shí)間常數(shù)； ffRLT? 為勵(lì)磁電路時(shí)間常數(shù)；p 為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；M 為勵(lì)磁繞組和電樞繞組的互感； 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖將 S=d/dt 看作算子，則上述諸式也就是它們的拉氏變換。圖 3—6 也繪出了雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形。 脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。如前所述 ,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成 PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示: （5）sKW?)1()?? 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用1) 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 很快的跟隨給定電壓 Un*的變化；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；2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；3) 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流；1) 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 Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；2) 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 ??????nijrmjjsTKsW1?根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為 0 型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。 第二階段是恒流升速階段。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見(jiàn)圖 2—6中虛線。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。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ??%25?或 的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，可見(jiàn)圖 2—2。 圖 2—1事實(shí)上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（2—1）表示 ???eKIRUn （2—1）式中 n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；U——電樞供電電壓； I——電樞電流； R——電樞回路總電阻，單位為 ? eK——由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢(shì)系數(shù)。國(guó)際上許多國(guó)家交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化階段，大有取代直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的勢(shì)頭。直流傳動(dòng)之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡(jiǎn)單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真 學(xué) 生 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 所 在 單 位： 電氣工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2022 年 6 月 25 日摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)數(shù)十萬(wàn)分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá) 1：10000 以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間已縮短到幾毫秒以下。但就目前而言，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，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。在上式中， e是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U；（2） 減弱勵(lì)磁磁通 ?；（3） 改變電樞回路電阻 R。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。二、抗擾性能指標(biāo)一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見(jiàn)圖 2—3。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。圖 2—6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、　各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有以下關(guān)系：*Un= = ??= 0ni= i= dI?= dlc= sdK0= sdeRInC??= sdlneKRIU???上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *Un決定，ASR 的輸出量*iU是由負(fù)載電流 dlI決定的，而控制電壓 cU的大小則同時(shí)取決 于n 和 dI，或者說(shuō)，同時(shí)取決于 *和 dlI。從電流升到最大值 amI開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，在這個(gè)階段中，ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”,對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。自動(dòng)控制理論證明,0 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 相當(dāng)于一般負(fù)載的情1dI況，脈動(dòng)電流的方向始終為正； 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，但2dI平均值仍為正，等于負(fù)載電流。所以由上式可畫(huà)出直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。目前應(yīng)用的比較多的是 MATLAB ,它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫(kù)。正是有了這次設(shè)計(jì)，讓我在大學(xué)四年的最后一個(gè)學(xué)期過(guò)的豐富而又充實(shí)，我應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計(jì)的這份精神和態(tài)度去面對(duì)以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。致 謝感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師麻鴻儒老師以及在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給予我較大幫助的輔導(dǎo)老師，沒(méi)有他們的幫助，我是無(wú)法順利的完成這次設(shè)計(jì)的，再次向輔導(dǎo)老師表示感謝。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。圖 4—1上圖為一他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路，其中： aU E分別為電動(dòng)機(jī)電樞端電壓和反電勢(shì)；dI f電動(dòng)機(jī)電樞電流和勵(lì)磁電流；aR L電樞電路電阻和電感；f 勵(lì)磁電路電阻和電感；fU電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓；ω電動(dòng)機(jī)的角速度；J電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；eT l電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。因此， Uab 在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來(lái)。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛 [4]。這樣 ,經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié),要將其設(shè)計(jì)成典型Ⅰ型系統(tǒng),同理,經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象形如式(2)。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。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。速度調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來(lái)整定的。這樣是下垂特性只適合于 0n?的情況，因?yàn)槿绻?0n?,則*nU?,ASR 將退出飽和狀態(tài). 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達(dá)到 dI時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出*imU,這時(shí),電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差,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。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 2—4 所示。對(duì)于線性控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論上要到 ??t才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。由圖 2—1 可見(jiàn)，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點(diǎn)是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來(lái)提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級(jí)計(jì)算機(jī)交換信息； (7) 具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。脫離了對(duì)靜差率的要求。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間： 1）動(dòng)態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 maxc叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。PI 調(diào)節(jié)器輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。由于電流 aI保持恒定值 amI，即系統(tǒng)的加速度 dtn/為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRUemd???知，dU也線性增加，這就要求 kU也要線性增加，故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。但由于在起動(dòng)過(guò)程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制” 。因此,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng),典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 （2）)1()??TsKW （3）)()2s?典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小,但抗擾性能差。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管，GTO，IGBT 等。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。如圖 4—2 所示。使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB 的 Simulink 工具箱，從元件庫(kù)中選取所需的元件,連接好原理圖,加上激勵(lì)源,然后單擊仿真按鈕即可自動(dòng)開(kāi)始,可以同時(shí)觀察復(fù)雜的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形,以及得到電路性能的全部波形 [6，8] 。參 考 文 獻(xiàn)[1]，2022[2] 2022[3]章燕申,[4]王兆安,，2022[5]張柳芳,. 新探平頂山師專,[6] MATLAB ,2022.[7]王果,[8]徐月華, ,[9]麻鴻儒,刑大成,譚敦生,室,[10]馬葆慶,[11]—,2022[12],1998[13]WANG Weihong,ZHANG Jinggan The Application of MATLAB Language in Teaching theDoubleclosedloop Timing System JOURNAL OF EEE 2022,25(3)[14],“Current control techniques for threephase voltagesource PWM converters:A Survey,”IEEE Industrial Electronics, 1998，45（5）691703附 錄表一 各種整流電路是失控時(shí)間（f=50HZ）整流電路形式 最大失控時(shí)間 Tsmax/ms 平均失控時(shí)間 Ts/ms單相半波 20 10單相橋式（全波） 10