【文章內容簡介】 各物理、 數學 類 尖端技術使 用軟件中 的 數 據運 算 及模擬等 方面 一枝獨秀 。 MATLAB 可以 實現(xiàn) 數 值 和 函數 的精確 繪制、 直線式 矩陣的 運算、 完成和實現(xiàn) 算法 、 溶合 其 它程序設計 的程序 、搭 建用戶 窗口 等，主要 運用于 系統(tǒng) 控制設計、 項目 計算、 信號 觀 測 與 解釋 等 領域 。 矩陣是 MATLAB 的 最基本數據單 元 ，它 使得 MATLAB 的指令 表達 方 式 與 數學 、 物理運用 工程中 經常運用到 的 方 式十分 類 似， 因可此 用 MATLAB 來 計 算問題 會 比用 其它各類類似功能的 語言 來得 簡 便快 捷得多，并且 MATLAB 同時 也吸收了 其它眾多的 軟件的優(yōu)點，使 之 成為一個強大的 數學 運用 軟件 。 更重要的是， 在 最 新版本中 ， MATLAB加入了對 C， C++， JAVA 等語言 的支持 ， 可以 對它們進行 直接 的 調用 ，而且 用戶 還 可以 把 自己 動手 編寫 出來 的 有效且經常會用到的 程序 插入到 MATLAB 的 庫函數 中 ，這樣一來，在下次自己要用時就以 方便 的 調 取出來，節(jié)省時間 。 課題設計內容 在我這一設計中，控制 對象 當然是 直流電動機，用 習慣中的 PI 控制 方法 對雙閉環(huán) 的 直流調速系統(tǒng)進行 詳細的 設計、性能對比 和 仿真， 在此基礎之上，還會對我所設計的整體 方案的合理性 進行探討 。 我在這次設計中主要對以下問題進行了細致工作 ： 1）在系統(tǒng)整體方案的勾畫和設計前，對 雙 閉環(huán)直流 電動機 調速系統(tǒng) 的基本原理和方法進行了學習和了解 ， 并對 它的主要特性 和 組成 進行了綜合分析并咨詢了老師 ， 確定 雙 閉環(huán)調速系統(tǒng)達到的穩(wěn)定狀態(tài)時的工作條件 ，進行總體設計 。 2）在基本原理的基礎上，針對數學模型著手穩(wěn)定性分析。 3）對系統(tǒng)各參數進行計算并選擇合適的數據。 4）利用 SIMULINK 進行系統(tǒng)結果仿真并對其中的上升時間作分析和調整。 5） 與開環(huán)、單閉環(huán)系統(tǒng)進行比較。 5 2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理 我們所說的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)通常是指的轉束、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，以下簡稱雙閉環(huán)調速系統(tǒng)均是此意，特作說明。 直流電動機 雙閉環(huán)的直流電動機調速系統(tǒng)控制對象是直流電動機，所謂調速就是針對電動機轉速進行調節(jié)，所以有必要對其性能做一定介紹。直流電動機具有良好的制動、起動特性，合適用在大范圍上的平滑調速，在許多需要寬范圍調速和要求快速正反轉的電機拖動控制的區(qū)域中得到普遍應用。其穩(wěn)態(tài)轉速可根據電機知識近似表示為： ???eKIRUn () 式中，“ n 指轉速（ r/min） U指電樞電壓（ V） I 指電樞電流（ A） R 指電樞回路總電阻（ Ω ） ?指勵磁磁通（ Wb） eK 指電動勢常”。 由式上式不難理解針對轉速調整所能采取的三種措施為： 1）調節(jié)電樞電壓 2）減弱勵磁磁通 3）調節(jié)電樞回路電阻 很明顯，對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞電壓的方式最好，減弱磁通能夠平滑調速卻受調速范圍限制，一般只作輔助調速，而用電阻調速只能做到有級調速，因此，直流調速以變壓調速為主，轉化為數學表達式為： csd UKU? （ ） 由上討論知，對轉速的調節(jié)實際上是對電樞電壓的調節(jié)，這就是之后雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基礎之一。而在實際生產中，另有一些情況對電樞電流有嚴格要求，這就有了電流反饋參與調節(jié)，形成轉速、電流組成的雙閉環(huán)調速的兩大基礎，這將在后面詳細闡述，此處不作說明。 6 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中存在轉速、電流兩個調節(jié) 器，分別調節(jié)轉速和電流，并引入轉速和電流負反饋。 為了分別使轉速環(huán)和電流環(huán)起作用，就引入兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流上，二者之間進行 嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖 所示 [10]。將轉速調節(jié)器 ASR 的輸出作為電流調節(jié)器 ACR 的輸入，再將電流調節(jié)器的輸出控制電力電子變換器 UPE。從系統(tǒng)結構上來看，電流環(huán)作內環(huán) 嵌套在里面一層 ；轉速環(huán) 作為 外環(huán) 聯(lián)接在電流環(huán)外部 。這樣就 得到了我們常見的電流、 轉速 組成的 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。 ++UPEASR AC R M+TA+TGniU*iUnU*nUcUdUdI 圖 轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)原理圖 ASR轉速調節(jié)器 *iU 電流給定電壓 TG測速發(fā)電機 TA 電流互感器 UPE電力電子變換器 iU 電流反饋電壓 *nU 轉速給定電壓 ACR電流調節(jié)器 nU 轉速反 饋電壓 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理 在實際中，我們可以將 轉速 通過連桿與我們要控制的電動機連接在一起，這樣，當所控制的電動機轉動時，就會帶動測速發(fā)電機以同樣大小的轉速轉動，盡而可以在不知道轉速實際大小的情況下就將其引入了反饋中，再引入一個比例系數串在測速電機后，就可將輸出的 的 處理 信號 引入 到輸入端， 然后將 給定值 同引 7 入的處理信號作對比。后面就是我們熟知的環(huán)節(jié)了，將比對結果引入 放大環(huán)節(jié) 以得到我們想要的用來 控制 電流環(huán)的 電壓 。將這個電壓作為電流環(huán)的輸入，電流環(huán)輸出則通過單向導通的二極管反饋輸入信號處 ， 最 終 達到控制電機轉速的目的[11]。 其中的放大環(huán)節(jié) ， 我們有很多選擇，其中一種方法就是采用集成實現(xiàn)，這對電路來說，并不是難事。 主電路 選擇用可控整流器根據需要來設置 對電 動 機的 輸入 供給 ，二極管可以直接采用習慣中常用的二極管即可 。 所以，具體 原理圖如 圖： U P E MT G0R0R0R0 iRnRnC iU*iU*nU TAdUASRA C RcU 圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖 直流電動機的起動與調速 直流電動機的起動 常用的直流電動機的起動方法有三種： ① 接入變阻器起動； ② 降壓起動； ③直接起動 [12]。 對于經常正反轉運行的調速系統(tǒng)，起、制動過程經濟效益明顯，那么在此過程中就希望始終能夠保持電流最大值，使能得到最大的加速度 [13]。而在生活實際中，電流是不可能一下子變化的，為了能在合理的電流下最快制、起動，關鍵在于如何得到一段保持最大電流的恒電流過程。這就是利用反饋控制規(guī)律的重要原因和作用。當然它也會帶來相應的問題，因為我們希望在起動過程中只有電流負反饋而沒有轉速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉速后又只有轉速負反饋而沒有電流反饋 [14]。 為了達到這一目的，我就引入了反 饋，其中理想的起動圖如圖 。 8 mdI?mdIdlInn tdI 圖 理想起動的過程 直流電動機速度的調節(jié) 電動機是用以驅動生產機械的，根據負載的需要，常常希望電動機的轉速能在一定甚至是寬廣的范圍內進行調節(jié)，且調節(jié)的方法要簡單、經濟 [15]。直流電動機在這些方面有其獨特的優(yōu)點。 由式（ ）知，要對轉速進行調節(jié)的三種方法： 1）調節(jié)電樞電壓 2）減弱 勵磁磁通 3）調節(jié)電樞回路電阻 其中，對于要求在某一給定范圍上做線性調速的系統(tǒng)來說，以電樞電壓改變的方式最佳，用電阻和減弱磁通的方式一般只作輔助調速，因此，直流電動機調速控制以改變電壓調速這一形式為主，數學表達式為： csd UKU ? （ ）由上討論知，對轉速的調節(jié)實際上是對電樞電壓的調節(jié)，此處再說明一次。 9 3 雙 閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的 性能 指標 靜態(tài)性能指標 （ 1） 靜差率 當電機拖動 控 在某一轉速下運轉時，系統(tǒng)從理想空載轉速 0n 至額定 的 負載時轉速降落了 Nn? 與理想空載轉速 0n 之比，叫做靜差率 s[16]，即 ： 0nns N?? （ ） 用百分數可表示為 ： %1000 ??? nns N （ ） （ 2） 調速范圍 生產機械要求電動機在額定負載運轉時，提供的最高運轉速度 maxn 與最低運轉速度 minn 之比，稱為調速范圍，用符號 D 表示，即 ： minmaxnnD? （ ） 式中 “ minn 指 額定 的 負載最低轉速 ， maxn 指 額定 的 負載最高轉速 ” （ 3） 靜差率 與 調速范圍 之間的關系 靜差率 S 可表達為 NNN nn nn ns ??????m inm in0 （ ） 那么，我們根據該式變形 可得 minn 為： s nsnsnn NNN ??????? )1(m in （ ） 結合式（ ）聯(lián)立解得： )1( sn snD NN??? （ ） 10 以上我對靜特性的詳細分析與研究可得出這樣的結論， K 值 將 對 控制 的穩(wěn) 定特性產生不可忽視的 影響 。 它 越大，穩(wěn) 定 速降 相對就 越小， 靜特性 就會 越硬， 特別是在有 靜差率 特別 要求的 控制 范圍 就會 越寬。 還要提出來的是 ， 如果控制中只PK （為常數） 時 ， 那么， 穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除，因為 )1( kC RIn e dcl ??? （ ） 當 且僅在 時 才能使 0??cln ，而 現(xiàn)實生產中， 這是不可能 企及 的。因此，這樣的調速 控制只能歸總到有 靜差 之 調速系統(tǒng)，簡稱有差調速系統(tǒng)。 使用閉、開環(huán)系統(tǒng)的理想機械特性如圖 。 2101020304ccnnnnnnABCDdIn閉 環(huán) 特 性開 環(huán) 特 性1dI 2dI 3dI 4dI 圖 閉、開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較 開壞系統(tǒng)是雙閉環(huán)系統(tǒng)的 基礎，但它有明顯的不足，由上圖不難知，對于一個給定的電壓，它對應的機械特性是固定的，所謂調速只是在坐標上上下移動，并不是說改變了 n? ，對確定的 cU ，工作曲線唯一確定。調速范圍和靜差率是一對互相制約的性能指標，如果在提高調速范圍的同時要能降低靜差率，那么就只能減少 n? 。也就 是說這沒能在穩(wěn)定靜差率的同時增加調速范圍。 對于上面的問題，在提高調速范圍的同時要降低靜差率，解決的方法就是采用反饋的優(yōu)秀技術，組建轉速閉環(huán)形式的調節(jié)系統(tǒng)，降低轉速的大幅降下，減輕靜差，增寬調速的范圍。很容易看出，閉環(huán)控制的范圍要遠遠大得多。 11 雙閉環(huán)控制 的性能指標 我都很清楚，在這一環(huán)節(jié)中，如欲做到能改善系統(tǒng)的動、靜的態(tài)性能，我們可以做的就是添加一種調節(jié)器，靜態(tài)的指標我們在上節(jié)中已做了詳盡的講述，本節(jié)主要對各動態(tài)級性指標做闡述，我們研究的 系統(tǒng) 的 動態(tài) 級 性能指標 是在長期的生活生產中，結合各種經驗和實 際要求，通過一定時間的整理觀察以及實踐 后 總結得到 的。在 智能 化 及近似智能化的 系統(tǒng)中， 我們認為 動 態(tài) 指標 就 是 兩種比較突出明顯的參數系數，我們會一一作對它們做介紹。 （ 1） 跟隨性能指標 1） 上升時間 rt 實際上， 在 經典 的階躍響應 模擬 過程 上 ， 當 輸出量 C 從 0 開始 首 次 提高到到穩(wěn) 定時的數 值 ?C 所 需要 的時間 就是我們通常 稱 的 階躍響應的上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性，見圖 : ??CCm ax ??? C)2(5 0000 或?CtCt0rt pt st 圖 常見 階躍響應 的 過程和 各種 跟隨性能指標 2） 調節(jié)時間 st 在原