【正文】 生由于時(shí)間常數(shù)而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因滯后的響應(yīng)速度。 圖5—1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖仿真結(jié)果如下：用繪圖命令plot(tout , yout) 在MATLAB 命令窗口里繪制圖形，觀察仿真輸出，如下圖所示：仿真結(jié)果說明：轉(zhuǎn)速和電流滿足設(shè)計(jì)所需的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。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。 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換由上圖可寫出下列基本關(guān)系式： E= (1+) =JSω = E= Te=其中: 為電樞電路時(shí)間常數(shù)； 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） 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)過程；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(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)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 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)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖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 （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 ——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： 2007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， 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)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見圖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：=========上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決 于n和，或者說，同時(shí)取決于 和。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過程的主要階段，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。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(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)，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。所以由上式可畫出直流電動(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。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)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真下圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖：說明：在SIMULINK中，PWM為一個(gè)完整模塊。圖4—2如果將討論的問題限制在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的小偏差情況，經(jīng)過化簡(jiǎn)，可得此時(shí)系統(tǒng)的增量方程為： 為簡(jiǎn)化起見，式中表示增量的下標(biāo)1已刪去。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，tonT/2,則Uab的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：1) 晶閘管裝置放大系數(shù)：=302) 電樞回路總電阻：R=3) 時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)=機(jī)電時(shí)間常數(shù)=4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻=20設(shè)計(jì)指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量%≤5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤15%。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些,抗擾性能卻比較好。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。圖2—4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：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 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析圖2—5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和—輸出達(dá)到限幅值，不飽和—輸出未達(dá)到限幅值。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(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)降落。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索[1]。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。由于電力電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動(dòng)態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，在20世紀(jì)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)成為調(diào)速傳動(dòng)的主流。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。它在理論上實(shí)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)[1，6]。在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全都降落完了。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。穩(wěn)態(tài)時(shí)：==其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。當(dāng)增加到（負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后