【文章內(nèi)容簡介】 括系統(tǒng)的仿真和實(shí)際工作軟件等，目前世界上已有多種仿真軟件出現(xiàn)，如 Neuralogix 的產(chǎn)品 ； 模糊控制器和被控對象的匹配技術(shù) ； 模糊控制器和被控對象的匹配技術(shù)仍然 依賴于人們的經(jīng)驗(yàn)。 這些模糊控制技術(shù)隨著大規(guī)模集乘電路技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，工藝技術(shù)的發(fā)展而不斷成熟起來。但是，模糊控制畢竟還是一門新興學(xué)科，仍有許多問題有待解決。目前，模糊控制理論還存在需要解決的系統(tǒng)方法有 ： 人的知識和經(jīng)驗(yàn)的表達(dá) ；知識推理的法則 ； 人的知識的獲取和總結(jié) ； 模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù) ； 模糊控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí) ； 模糊控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) ； 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 ； 用模糊控制更能容忍干擾和元器件的變化，使系統(tǒng)適應(yīng)性更好。應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，應(yīng)用前景更加開闊。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況 在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī) 械要求在一定范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并要求有良好的穩(wěn)態(tài) 、 動態(tài)性能。 （ 一 ） 直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍廣，靜差率小，穩(wěn)定性好，具有良好的動態(tài)性能。在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng) 域中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎采用直流電力拖動系統(tǒng)。直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：提高調(diào)速系統(tǒng)的單機(jī)容量；提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單緊湊；提高控制單元水平，使其具有控制監(jiān)視，保護(hù)診斷及自復(fù)原等多種功能。 （ 二 ） 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢 （ 1） .高頻化 ： 在功率驅(qū)動裝置中，低頻的半控器件 —— 晶 閘管在中 小功率范圍將會被高頻的全控器件 —— 大功率晶體管所代替，既可提高系統(tǒng)性能又可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 （ 2） 交流化 ： 隨著交流調(diào)速系統(tǒng)成本的逐步降低，不僅現(xiàn)有的直流調(diào)速系統(tǒng)將被交流調(diào)速所取代，而且大量的原來恒速運(yùn)行的交流傳動系統(tǒng)將改為交流調(diào)速系統(tǒng)，原來直流調(diào)速所不能達(dá)到的高轉(zhuǎn)速，大功率領(lǐng)域，也將采用交流調(diào)速系統(tǒng)。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 （ 3） 網(wǎng)絡(luò)化 ： 大規(guī)模多機(jī)協(xié)同工作的高度自動系統(tǒng)，需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動設(shè)備及控制器作為一個節(jié)點(diǎn)連到現(xiàn)場總線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)集中或分散的生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控。借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制如模糊控制。神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自藕控制等己深入到運(yùn)動控制系統(tǒng)的各個方面，各種觀測器和辯識技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，大大改善了控制系統(tǒng)的性能。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。雖然交流調(diào)速得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但直流電動機(jī) 具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，至今在金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域 仍有廣泛的應(yīng)用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 本課題的研究內(nèi)容及目的 對于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個方而，而在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在所需要的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。 本 設(shè)計(jì) 采用 PWM 控制方法，設(shè)計(jì)并制作出具有模糊控制全數(shù)字化直流調(diào)速控制器，解決直流電機(jī)負(fù)載參數(shù)時變情況下能滿足穩(wěn)定轉(zhuǎn) 速精度的要求， 具體內(nèi)容有：設(shè)計(jì)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)總體構(gòu)成，并根據(jù)給定對象及要求對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；研究模糊控制理論，以及模糊控制與 PID 控制技術(shù)相結(jié)合的控制方案；完成主電路，控制電路，驅(qū)動和相關(guān)輔助電路的硬件設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)軟件流程。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的理論 分析 控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用分析 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 任何一臺需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對控制性能都有一定的要求。例如，精密機(jī)床要求加工精度達(dá)到幾十微米至幾微米；重型機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，最高和最低相差近 300 倍；容量幾千 kW 的初軋機(jī)軋輥電動機(jī)在不到 1 秒的時間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程；高速造紙機(jī)的抄紙速度達(dá)到 1000m/min，要求穩(wěn)速誤差小于 %。所有這些要求，都可以轉(zhuǎn)化成運(yùn)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時的依據(jù)。 調(diào)速系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制的要求：生產(chǎn)機(jī) 械對調(diào)速系統(tǒng)提出了不同的轉(zhuǎn)速控制要求，分為調(diào)速，穩(wěn)速，加、減速控制。調(diào)速是指在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔（有級）地或者平滑（無級）地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速是指以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波 動等）而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。而加、減速控制對頻繁起、制動的設(shè)備要求盡快地加、減速，縮短起、制動時間，以提高生產(chǎn)率；對不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動盡量平穩(wěn)。 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：運(yùn)動控制系統(tǒng)穩(wěn) 定運(yùn)行時的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面具體分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。 （ 1） 調(diào)速范圍 D 生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比稱為調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmax nnD ? （ 21） 其中 , maxn 和 minn 一般都是指電動機(jī)額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于 少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 （ 2）靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載有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 0n 之比，稱為靜差率 s ，即 0nns N?? （ 22） 或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000 ??? nns N （ 23） 顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。 直流調(diào)速常用的方法 （一） GM 調(diào)速系統(tǒng) 圖 21 所示為旋轉(zhuǎn)變 流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由交 流電動機(jī)（異步機(jī)或同步機(jī)）拖動直流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動機(jī) M 供電，調(diào)節(jié) G 的勵磁電流 if即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。為了給 G 和 M 提供勵磁電源，通常專設(shè)一臺直流勵磁發(fā)電機(jī) GE，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可以另外單用一臺交流電動機(jī)拖動。 圖 21 GM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 （二） VM 調(diào)速 1957 年，晶閘管問世，到了 20 世紀(jì) 60 年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，逐步取代了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和離子拖動變流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革。圖 22 所示是 VM 調(diào)速系統(tǒng)的原理 圖。圖中 VT 是晶閘管可控整流器，常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 通過調(diào)節(jié)除觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Ud,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 圖 22 VM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 （三） 直流 PWM 調(diào)速 PWM (Pulse Width Modulation)就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形。 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電 ,過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、 GTO、IGBT 等。采用簡單的單管控制時，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)稱脈寬調(diào)制變換器。 MV TV DL+U S+ 圖 23 直流斬波器 電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖 直流斬波器 電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖 23，其 中 VT 表示電力電子開關(guān)器件， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓 接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓 波形如圖 23，好像是電 源電壓 Us 在 ton 時間內(nèi)被接常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 上，又在 (T –ton) 時間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬波”。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000 左右；若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源 采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 對上述三種系統(tǒng)進(jìn)行比較，該設(shè)計(jì)未模糊化之前選用了 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)器參數(shù) 的 計(jì)算 設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求 以 一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 為例，設(shè) 直流電動機(jī)參數(shù)： 60NP kW? ， 1000 / minNnr? ， 200NUV? ， 308NIA? ， ??， 主回路總電阻 ??， 電磁時間常數(shù) ? ， 機(jī)電時間常數(shù) ? ， 電流反饋濾波時間常數(shù) ? ， 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)? ， 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓 10nmUV? ,調(diào)節(jié)器 ASR,ACR 飽和輸出電壓8imUV? , ? .如果要求系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)無靜差 ， 調(diào)速范圍 D=10， 電流超調(diào)量%5%?i? ，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10%?i? 。 固有、預(yù)置參數(shù)計(jì)算 (1) 固有參數(shù)計(jì)算 電勢系數(shù)： )m i n/)(100 rVn RIUC N aNNe ??????? 整流裝置滯后時間常數(shù) TS,三相零式晶閘管整 流電路的平均失控時間：? 。電流環(huán)小時間常數(shù) sTTT oiSi ???? (2) 預(yù)置參數(shù)計(jì)算 由 ACR 輸出限幅值： ? ， 則 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 ?????? cm NcmdoS U UUUK 取起動電流限制在 339A 內(nèi)，即 339dmIA? 由 ASR 輸出限幅值為： 10imUV? 則電流反饋系數(shù)為： )/(02 AVIU dmim ???? 由轉(zhuǎn)速最大給定值： 10nmUV? ，則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： )m i n/.( rVnU Nnm ???? 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5%?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器。 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： sTii ??? 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 %5%?i? 時，查相關(guān)資料可取超調(diào)量 %%?i? ，此時， 39。 ?? iITK ，電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) T s?? ,阻尼系數(shù)ξ=， 因此： )( 05 139。 ????? sTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為： 39。39。 ?? ???? ??S iIi K RKK 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) （ 1） 計(jì)算 電流環(huán)等效時間常數(shù) 39。/1 IK ,由于 sTK ii 39。 ????? 39。 ??iiTK, 則 sTK ii 39。 ????? 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) ? 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)： sssTTTonin 0 2 6 1 1 1 ??????? 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5, 則 ASR 的超前時間常數(shù)為 ： sT nn ?????? ， ASR 比例系數(shù)： 02 139。 ???? ????????? nmen TR TChhK ? ? 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 )( 62 1 222239。 ???????? sThhK nN (2) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時 ,由相關(guān)資料查得 , %%?n? ,不能滿足設(shè)計(jì)要求 ,但資料中的數(shù)據(jù)是按線性系統(tǒng)計(jì)算的 ,而突加階躍給定時 ,ASR 飽和 ,不符合線性系統(tǒng)的前提 ,下面按 ASR 退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。由已知數(shù)據(jù)： 339dmIA? ， 308dNIA? ，dm dNII?? ,則 3 3 9 / 3 0 8 1 .1AA? ??, m i n)/( rC RIneNN ?????? 當(dāng) h=5 時， z 為負(fù)載系數(shù)，查相關(guān)資料可得， %?? bCC ， 則： mnNbn T