【文章內(nèi)容簡介】 系數(shù)= 式 （）：αPI調(diào)節(jié)器圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框圖分析轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性：按照梅森公式可以直接寫出轉(zhuǎn)速、給定電壓、和負載擾動之間的關(guān)系： 式 （）公式中轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)：Kol = αKpKs/Ce 式 （）開環(huán)系統(tǒng)的負載速降為： = IL*R/Ce 式 （）轉(zhuǎn)速負反饋控制系統(tǒng)的負載速降為： = IL*R/（Ce(1+K））=/(1+Kol) 式 （）從上面的公式可以看出，采用轉(zhuǎn)速負反饋控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)后，系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)速降減小了（1+Kol）倍，使得閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)是硬的多，可以大大增加閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，靜差率也小得多。分析： = r/min ，在開環(huán)系統(tǒng)中已經(jīng)求解過 ，而開環(huán)放大倍數(shù)為：Kol = αKpKs/Ce = ，可求得閉環(huán)速降為： = /(1+Kol) = ，已知要求靜差率s 5% ,可求得調(diào)速范圍D = 20 ，滿足工程中對直流電機調(diào)速系統(tǒng)的要求。反過來，也可以求出滿足s = 5% ，D = 20 時的 = = r/min 式 （）系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)Kol = 31 ,控制電路中放大器的比例系數(shù)Kp = 。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性：閉環(huán)傳遞函數(shù)： 式 （）該系統(tǒng)是一個三階系統(tǒng)，其特征數(shù)學(xué)方程式的一般表達式為： 式 （）根據(jù)勞斯判據(jù)，該系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是特征方程式的系數(shù)的a0 、a1 、a2 、a3 均大于零。可求得系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界條件。對系統(tǒng)進行模型的搭建，然后打開系統(tǒng)中的各個模塊的屬性設(shè)置，打開模塊的屬性參數(shù)設(shè)置窗口，從上面分析過程，對系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)的參數(shù)進行計算，再通過仿真調(diào)試，得到的結(jié)果為=，1/ = 。最后對照著圖一中的系統(tǒng)框圖連接模塊，：，此反饋為負反饋，PID調(diào)節(jié)器只用到PI調(diào)節(jié)部分，分別改變Kp和Ki的值進行系統(tǒng)仿真，觀察波形圖并分析仿真實驗的結(jié)果，計算或調(diào)試出使系統(tǒng)性能更優(yōu)的PI參數(shù)，本例按照上述計算的結(jié)果設(shè)置。圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型運行結(jié)果及分析：運行仿真模型，雙擊Scope示波器觀察，可以看得到仿真結(jié)果的波形圖：下部分為轉(zhuǎn)速波形圖，上部分為電流波形圖，： 轉(zhuǎn)速、電流波形圖 Kp = Ki = 0 轉(zhuǎn)速、電流波形圖 Kp = 0 、Ki = 轉(zhuǎn)速、電流波形圖 Kp = 、Ki = 對這個通過比例積分控制器進行控制的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)試分析，從仿真結(jié)果可以得出一些結(jié)論，在本次的基于比例積分控制的PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗中，比例積分調(diào)節(jié)器中只用到PID調(diào)節(jié)器中的PI環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)，并沒有用到其中的微分環(huán)節(jié)。針對不同Kp和Ki參數(shù)時，系統(tǒng)仿真結(jié)果的波形圖進行比較分析，分別可以得出比例系數(shù)和積分系數(shù)對仿真結(jié)果的影響，通過改變比例積分調(diào)節(jié)器的Kp和Ki參數(shù)值，能夠得到轉(zhuǎn)速響應(yīng)的波形圖，從輸出結(jié)果的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量進行分析比較，對電流波形圖及轉(zhuǎn)速波形圖進行觀察比較，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算。分別改變Kp和Ki的值，運行系統(tǒng)并觀察轉(zhuǎn)速電流波形圖可得：當Kp = ,Ki = ，效果比較好，并且穩(wěn)定時間也比較短，經(jīng)過一次振蕩之后就基本上穩(wěn)定了，在3s時負載的擾動后起到的影響也小。通過轉(zhuǎn)速的波形圖，可預(yù)估：空載轉(zhuǎn)速為950n/min。這比我們額定的轉(zhuǎn)速1000n/min小得多。滿載轉(zhuǎn)速為980n/min。所以轉(zhuǎn)差率s=，并且比我們所希望轉(zhuǎn)速也比較遠，因此不選擇其他Kp和Ki值，雖然其超調(diào)等比較好。通過對仿真結(jié)果的波形圖進行分析，結(jié)合系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標，通過相互對比仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：PI調(diào)節(jié)環(huán)的比例系數(shù)越小超調(diào)量以及上升時間也越小，也就是Kp的值越大時，系統(tǒng)的超調(diào)量就越大，同時上升速度也就越大。隨著Kp值的減小系統(tǒng)的靜差率會增大，靜差率越大系統(tǒng)的調(diào)速性能也就越不好，輸出與給定之間的差值較大。得出結(jié)論：當比例系數(shù)Kp的值越小時，其轉(zhuǎn)差率也會隨比例系數(shù)的值增大，但是我們一般都是期望得到盡量小的轉(zhuǎn)差率的調(diào)速系統(tǒng)，提高電機的工作效率，這時就需要積分環(huán)節(jié)來進行調(diào)節(jié)，積分系數(shù)Ki的值越大，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)誤差的時間就越快，但如果過大的話就會出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，影響上升時間。所以在綜合超調(diào)量、上升時間、穩(wěn)態(tài)誤差等因素之后，我們選擇當Kp = ，Ki = 。此時系統(tǒng)的性能指標還是會有一點不完美，卻已經(jīng)是比較好仿真的結(jié)果。本次單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)用比例積分環(huán)調(diào)節(jié)器作為控制器，通過計算或調(diào)試設(shè)計出恰當?shù)谋壤禂?shù)和積分系數(shù)，改變比例積分環(huán)節(jié)的參數(shù)，分別調(diào)試出仿真結(jié)果的波形圖，分析比較系統(tǒng)的超調(diào)量和靜差率，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)時間和抗干擾性得出比較理想的系統(tǒng)模型。從上面的分析中可以得出結(jié)論：比例積分調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇是通過一定計算和仿真調(diào)試后，對系統(tǒng)性能進行分析，對比不同PI參數(shù)值時系統(tǒng)運行結(jié)果的超調(diào)量、穩(wěn)定性和上升時間等動靜態(tài)特性，可以得出PI調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki對系統(tǒng)運行結(jié)果的影響：如果比例系數(shù)Kp增大，能夠改善系統(tǒng)反應(yīng)的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度。隨著Kp系數(shù)的增大調(diào)速系統(tǒng)的上升時間也就越短，即響應(yīng)速度越快，Kp數(shù)值越大調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高。隨著比例系數(shù)Kp的過大也會使調(diào)速系統(tǒng)的超調(diào)量變大，這樣會減弱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有可能會讓調(diào)速系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。但是Kp系數(shù)取值如果太小的話，調(diào)速系統(tǒng)整體的調(diào)節(jié)精度也會隨之降低，系統(tǒng)的上升時間變長即響應(yīng)速度變小，調(diào)速系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間也會越長，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能及穩(wěn)定性都會受到不良的影響。如果積分系數(shù)Ki增大的話，調(diào)速系統(tǒng)達到穩(wěn)定是的穩(wěn)態(tài)誤差也會隨之減小。隨著Ki系數(shù)的增大調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也就越小，出現(xiàn)擾動時誤差消除的速度也就越快。但是如果積分系數(shù)Ki的過大，可能會在系統(tǒng)啟動開始時產(chǎn)生電流的積分飽和現(xiàn)象。如果Ki系數(shù)越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差很難被消除，系統(tǒng)整體的調(diào)節(jié)精度也會隨之減小。得出結(jié)論：PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置必須考慮兩個參數(shù)對系統(tǒng)的相互影響，比例系數(shù)與積分系數(shù)要配合使用，調(diào)試計算出比較合適的PI參數(shù)。 基于電氣原理圖的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真該系統(tǒng)的基于電氣原理圖的仿真是建立在上一章的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣仿真上的，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣仿真，其實現(xiàn)過程也是是依據(jù)系統(tǒng)原理圖建立電氣模型圖，將整個系統(tǒng)中的子模塊分別進行參數(shù)設(shè)計和電氣連接，本次轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只需要從輸出的轉(zhuǎn)速中引出一反饋環(huán)節(jié)，只需要對轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)進行設(shè)置即可，在本章上一節(jié)中有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計，可拿來稍做改動即可進行仿真。：圖 基于電氣原理圖的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖，直流電機的主電路是相同的，與開環(huán)系統(tǒng)相異的是控制電路的設(shè)計，開環(huán)系統(tǒng)中是沒有控制電路的，而轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)主電路的基礎(chǔ)上增加一轉(zhuǎn)速反饋控制回路環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速反饋控制回路中的各個模塊的設(shè)計及參數(shù)的選擇可以根據(jù)上一節(jié)設(shè)計的傳遞函數(shù)模型搭建。在下面的詳細介模型仿真過程中，為了避免直流電機主電路部分的重復(fù)，主要進行單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路模型的搭建?？刂齐娐返哪Ｐ痛罱ê蛥?shù)設(shè)計：在電氣仿真模型的搭建中，通過設(shè)置給定信號作為調(diào)節(jié)環(huán)的初始值，添加轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制，控制回路就是由這些模塊搭建而成，模擬實際的工程應(yīng)用，在仿真中增加了一些限幅環(huán)節(jié)，中間有波形圖的輸出可以觀察調(diào)速控制電路的控制電壓電流的數(shù)據(jù)隨時間變化的情況。本次仿真中采用比例調(diào)節(jié)器Kp = 10 ，可以通過仿真實驗進行優(yōu)化得到更合適的參數(shù)。：圖 比例放大器屬性參數(shù)設(shè)置圖圖 限幅器屬性參數(shù)設(shè)置圖為了讓同步觸發(fā)器能夠正常的工作，這里設(shè)置了限幅器環(huán)節(jié)，改變給定信號數(shù)值并進行調(diào)試仿真，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置可以參考數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)仿真的參數(shù)設(shè)計 ,仿真的時間為0 s ，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機參數(shù)的設(shè)置和開環(huán)系統(tǒng)相同。運行仿真系統(tǒng)，調(diào)試并觀察scope波形圖，電機m端輸出的分別是轉(zhuǎn)速的波形，單位是轉(zhuǎn)每分鐘，電機的電樞電流的波形，單位是安培，電機的勵磁電流，單位是安培，電機的轉(zhuǎn)矩，單位是牛米。橫坐標是時間，單位是秒。：圖 單閉環(huán)系統(tǒng)輸出波形圖根據(jù)上述波形圖的結(jié)果和開環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖比較：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)系統(tǒng)的硬，擾動負載引起的波動和對轉(zhuǎn)速的影響明顯比開環(huán)系統(tǒng)小，理論上減少為開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)倍，其中K為比例系數(shù)，從上述的公式中可以看出，隨著比例系數(shù)K值的增大系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，調(diào)速系統(tǒng)的擾動所帶來的影響也就越弱。5 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 基于傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真在第三章和第四章的內(nèi)容中，分別對開環(huán)系統(tǒng)和單閉環(huán)系統(tǒng)進行了分析，開環(huán)系統(tǒng)是無法滿足要求的，單閉環(huán)系統(tǒng)在啟動的過程中會存在電流過大的問題，這樣就無法滿足一些對速度控制有嚴格要求的工程，因此在本章中引入轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在工程應(yīng)用中非常主流調(diào)速系統(tǒng)，針對一些對調(diào)速性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求更高的場合，大多會采用雙閉環(huán)系統(tǒng)，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中PID控制是非常經(jīng)典的應(yīng)用。作為直流調(diào)速系統(tǒng)中的典型，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的是非常有特點的，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器相互配合，在控制回路中設(shè)置電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)兩個控制回路通過負反饋對調(diào)速系統(tǒng)進行控制調(diào)節(jié)，其中轉(zhuǎn)速