【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速77 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 的場合得到廣泛的應(yīng)用。 直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没渲饕攸c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) 動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng) 的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機交換信息； (7) 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。 而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，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交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究和探索 [1]。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng) , 采用轉(zhuǎn)速 、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性 。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)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計方法的88 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 優(yōu)點，即計算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計 問題，等等。 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 本文的研究內(nèi)容 本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自 動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用 Simulink 對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。 本文的主要工作： 1. 掌握電機傳動的工作原理及應(yīng)用； 2. 設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)； 主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。 3. 建立數(shù)學(xué)模型，計算其參數(shù)； 4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計； 5. 完成相關(guān)實驗。 99 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 1010 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動機具 有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動機 (V—M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。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) [1， 6]。 從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（ 2—1）表示 ??? eK IRUn （ 2— 1） 式中 n—— 電動機轉(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 ? 1111 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 eK —— 由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （ 2） 減弱勵磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵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。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出 的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運行時，應(yīng)盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響 [1，6]。 一、靜態(tài)性能指標(biāo) 1212 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 1）．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低 轉(zhuǎn)速 minn 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 2— 2） 2）．靜差率 靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖 2— 1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落 1edn? = 2edn? ，但由于 0102 nn ? ，因此 12 ss ? 。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。在1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 時也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時，電動機就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。 由圖 2— 1 可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。 1313 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 圖 2— 1 事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求。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。 動態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標(biāo)。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。 一、跟隨性能指標(biāo) 在給定信號（或稱參考輸入信號） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號表示方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，1414 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 達到 ?c 的時間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間： 1）上升時間 rt 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài) 響應(yīng)的快速性，見圖 2— 2。 圖 2— 2 2）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %100% m a x ??? ? ?c cc? （ 2— 4） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。 3）調(diào)節(jié)時間 st 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。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)定下來為止的時間。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是1515 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ? ?%2%5 ?? 或 的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖 2— 2。 二、抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標(biāo)，可見圖 2— 3。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間： 1）動態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 %maxc? 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值? ?212, ??? ?ccc 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落 %maxn? 。 2）恢復(fù)時間 ft 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值2?c 之差進入某基準(zhǔn)量 bc 的 ? ?%2%5 ?? 或 范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間 ft ，其中 bc 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定 。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。 1616 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 圖 2— 3 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 : 電動機在啟動階段 ,電動機的實際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號 ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號 ,直流電壓迅速上升 ,電流也隨即增大直到等于最大給定值 , 電動機以最大電流恒流加 速啟動。電動機的最大電流 (堵轉(zhuǎn)電流 )可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用 。 對負載引起的轉(zhuǎn)速波動 ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化 ,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏1717 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使電 流恢復(fù)到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行 [1， 5， 6， 8]。 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 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。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。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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 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測速發(fā)電機 TA1818 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 電流互感器 UPE電力電子變換器 *Un 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 *Ui 電流給定電壓 Ui 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 —輸出達到限幅值，不飽和 —輸出未達到限幅值。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，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時