【正文】 通過電力電子電路和電機控制系統(tǒng)的仿真，不僅展示了MATLAB/Simulink 的強大功能，并且學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)仿真的方法和技巧，可以深入地研究電路和系統(tǒng)的原理和性能 [14]。 MATLAB 語言規(guī)則與人們長期以來使用的在演算紙上進行演算的書寫習(xí)慣十分相似，易學(xué)易讀適于交流。 ???KeIRUn???KeIRUn 37 37 37 （ 2）校驗 小時間常數(shù)近似處理 是否滿足：oni TT?? 2 131? 。 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗等內(nèi)容。到 Id 小于 dLI 時，電動機才開始在負載的阻力下減速， 直到 穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。 圖 27 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 Ⅰ 階段是電流上升階段。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng) 于 使該調(diào)節(jié) 環(huán)開環(huán)。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 22（ a）所示。 由于有上述優(yōu)點，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)， 這 也 是我們選取它作為研究對象的重要原因。 靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速之比 0n ，稱作靜差率 S，即 ??? KeIRUn??? KeIRUn ???KeIRUn???KeIRUn 9 9 9 或用百分?jǐn)?shù)表示 顯然，靜差率 是 用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。一般應(yīng)用于電動玩具中。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 本文 在 介紹 雙閉環(huán)直流PWM 調(diào)速 系統(tǒng)原理基礎(chǔ)上 ， 根據(jù)系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)采用工程設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)。 摘要（ 300字左右的漢字，用中、英文書寫，中文在前，英文在后）。 譯文原文（或復(fù)印件）應(yīng)附 在譯文后備查。 直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速 ,以滿足工作機械的要求。而在我們國內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時期，已經(jīng)基本發(fā)展成熟，目前的趨勢仍是追趕 著發(fā)達國家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。 8 8 8 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)，稱為 ―調(diào)速范圍 ‖和 ―靜差率 ‖。 （ 4）低速性能好，調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高。 15 15 15 H 型雙極式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點如下： （ 1） 電流一定連續(xù)； （ 2） 可使電動機在四象限運行； （ 3） 電動機停止時有微振電流， 從而可以 消除靜摩擦死區(qū)； （ 4） 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍 然比 較寬， 可以充分 保證器件的可靠導(dǎo)通； （ 5） 低速時，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達 1： 20210 左右。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用 PI 調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 Id 顯露出來 [10]。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。 U H 型PWM 功率放大電路 PWM發(fā)生器 直流電動機 PI 調(diào)節(jié)器ACR PI 調(diào)節(jié)器ASR 電流反饋 轉(zhuǎn)速反饋 n 30 30 30 圖 31 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 調(diào)節(jié)器 的設(shè)計原則 為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題： （ 1） 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)； （ 2） 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間； （ 3） 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計 確 定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)： 2 ?iT =； 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： sTon ? ； 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)： ???? ? onin TTT 2 ； 選擇 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速環(huán)無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。而且矩陣的操作十分方便。 從 版開始有了電力系統(tǒng)模塊庫（ Power System Blockset），該模塊庫主要是由加拿大 Hydro Quebec 公司和 TECSIM International 公司共同開發(fā)的。 43 43 43 44 44 44 圖 41 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 下面分 別介紹雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中主要模塊的封裝建模以及參數(shù)的設(shè)置。 (5) 具有極強的可擴展性。 4 MATLAB 仿真設(shè)計 MATLAB 仿真軟件介紹 38 38 38 MATLAB 是 ―矩陣實驗室 ‖（ Matrix Laboratory）的縮寫 ,它是以矩陣運算為基礎(chǔ)的，集數(shù)學(xué)計算、結(jié)果可視化和編程于一身，能方便地進行科學(xué)計算和大量工程運算及數(shù)值分析的功能十分強大的數(shù)學(xué)軟件。 設(shè)計要求： ① 靜態(tài)指標(biāo) :無靜差； ② 動態(tài)指標(biāo)： 電流超調(diào)量 %5%?i? ，空載起動到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10%?n? [3]。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時 ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快???KeIRUn???KeIRUn???KeIRUn 25 25 25 增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 的數(shù)值仍比較大，輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流 Id 迅速上升。因此，對靜特性來 21 21 21 說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 這樣的理想起動過程波形如圖 上圖 （ b）所示， 這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。不可逆系統(tǒng)是指電動機只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動機可以正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的 。 (3) 改變電樞電壓調(diào)速 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。因此我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡稱 PWM）方向發(fā)展。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律 、 性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。文章重點介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和 PWM 發(fā)生器、直流電機模塊互感等參數(shù)的設(shè)置 。 附錄。 軟件工程類課題應(yīng)有程序清單（光盤）。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合 [1]。而國外進口設(shè)備價格昂貴，也給國產(chǎn)的全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [2]。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面： （ 1） 調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： （ 1）主電路線路非常簡單，需要用到的功率器件比較少。同一組的 IGBT 管同時導(dǎo)通或截止，不同組的 IGBT 管的導(dǎo)通與截止是不相同的。這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài) 數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎(chǔ)的???K eIRUn 23 23 23 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。為了保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用， 故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器 ACR 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。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。 （ 3）校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件：oisci TT131?? 。在歐美等高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。 Simulink 還為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（ GUI）。其中 ASR、 ACR 的限幅值均設(shè)定為 [10,10]。在其下提供了豐富的仿真模塊。 MATLAB 的最初版本是在 20 世紀(jì) 70 年代由美國新墨西哥大學(xué)的 Cleve Moler 教授用 FORTRAN 開發(fā)的矩陣分析軟件。其傳遞函數(shù) ssKsW iii ?? )1()( A C R ?? 選擇電流調(diào)節(jié)器 參數(shù) ACR 超調(diào)時間常數(shù) i? =Tl=； 電流環(huán)開環(huán)增益：因要求 %5%?i? ，故應(yīng) 取 IK =?iT =于是， ACR 的比例系數(shù)為 ???KeIRUn 34 34 34 ?????? Ksτ iRKK Ii ? 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 ci? = IK = （ 1）校驗 晶閘管裝置傳遞函數(shù) 的 近似條件 是否滿足：sci T31?? 。 （ 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，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 第 Ⅱ 階段是恒流升速階段。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不 再靠 電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計采用雙極性驅(qū)動可逆 PWM 變換器。 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)中， 一般以電動機的額定轉(zhuǎn)速 Nn 為最高轉(zhuǎn)速，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)該是最低速時的靜差率，即 ??? K e IRUn ???KeIRUn??? K e IRUn ???KeIRUn 10 10 10 于是，最低轉(zhuǎn)速為 而調(diào)速范圍為 將式 26 代入 minn ，得 上式表示調(diào)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。 比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改