【導(dǎo)讀】我們知道采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)。穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差?？焖倨鹬苿樱患迂?fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。法，是各種交﹑直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎無處不使用電力拖動裝置。礎(chǔ)的，在世界各國的工業(yè)部門中，直流電力拖動系統(tǒng)至今仍廣泛的應(yīng)用著。的突出優(yōu)點(diǎn)在于：容易控制，能在很寬的范圍內(nèi)平滑而精確的調(diào)速，以及快速響應(yīng)等。，與理想空載轉(zhuǎn)速0n之比，稱作靜差率s,即。度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。

　　

【正文】 的算法以函數(shù)的形式分類成庫，使用時直接調(diào)用這些函數(shù)并賦予實際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準(zhǔn)確。 Simulink 是 Math works 公司于 1990 年 推出的產(chǎn)品，是用于 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“ Simu” ，一詞表明它可以用于計算機(jī)仿真，而“ Link”一詞表明它能進(jìn)行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。最近幾年，后來崛起的 Simulink 己成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域在構(gòu)建、仿真與分析動態(tài)系統(tǒng)上使用最為廣泛的軟件包，它支持線性及非線性系統(tǒng)，能創(chuàng)建連續(xù)時間、離散時間或者兩者混合的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)也能夠是多采樣頻率的 （ Multiarte） ，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率結(jié)合起來。 Simulink 作為 MATLAB 的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)的建模與動態(tài)仿真工作平臺。 Simulink 是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機(jī)模型的，特別對于復(fù)雜的非線性，它的效果更為明顯。 Simulink 模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者混合系統(tǒng)。也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。另外， Simulink 還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個過程。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 32 第六章 參數(shù)整定以及仿真 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿 真的相關(guān)數(shù)據(jù) 直流電機(jī)的主要參數(shù)如下： 額定電壓： 220?eU V 額定電流： ?eI A 額定轉(zhuǎn)速： 1500?en r∕min 電勢系數(shù)： ?eC ∕r 允許過載倍數(shù) ?? ,晶閘管放大倍數(shù) 60?sK 電流反饋系數(shù)： ?? V∕A 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ?? V 電磁時間常數(shù)： ?LT s 機(jī)電時間常數(shù)： ?mT s 電樞回路總電阻： ?? 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： ?onT s 電流濾波時間常數(shù)： ?oiT s 中頻寬： h=5，超調(diào)量： %5?i? PI 控制算法的參數(shù)整定 一 .電流環(huán)的計算 1． 確定時間常數(shù) ① 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts， 三相橋式電路的平均失控時間： Ts=? ② 電流濾波時間常數(shù) oiT ： sToi ? ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 iT? ,按小時間常數(shù)近似處理，取 sssTTT oiSi ?????? 2． 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，在根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定把電流環(huán)校正成哪一類系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)上看，希望電流環(huán)做到無靜差 。從動態(tài)上看，希望在啟動過程中電流不要超過允許值，也不要有超調(diào)量，或者超調(diào)量越小越好。從這兩點(diǎn)出發(fā)，則應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型 I 型系統(tǒng)。因此按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 33 數(shù)見式 ssksW iiiA C R ?? )1()( ?? 式中 ik —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 檢查對電源電壓的抗擾性能 ??? iTT L 3． 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ① 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) : sTLi ??? ② 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 ?i ≤5%，按附表 1，應(yīng)取 IK iT? =，因此 ?? ??? ssTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?? ???? ??S iIi K RKK ③ 代入數(shù)據(jù)得到電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 sssW A C R )()( ?? 4． 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ici? ① 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 ciS sT ????? ? 13 1 滿足近似條件。 ② 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 ciLm sTT ?????? ? 1313 滿足近似條件。 ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 34 cioiS TT ????? 131131 滿足近似條件。 5． 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 根據(jù)圖 45，取 ???400R ，各電阻和電容值為 ???????? ii ，取 ??? FFRC iii ?? 3 ???? ， 取 uFCi ? FFRTC oioi ? 30 ????? ，取 FCoi ?? 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 %5% ??i? ，滿足設(shè)計要求。 二．轉(zhuǎn)速環(huán)的計算 1. 確定時間常數(shù) ① 電流環(huán)等效時間常數(shù)IK1 由 ??iITK 知 ssTK iI ???? ? ② 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) onT sTon ? ③ 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) nT? sTKT onIn 018 ?????? 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，生產(chǎn)工藝一般要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時為無靜差，動態(tài)性能具有良好的抗擾性能。典型 Ⅱ 型系統(tǒng)能滿足這些要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)按典型 Ⅱ 型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。其傳遞函數(shù)為 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 35 ssKW nnnA SR ?? )1( ?? 式中 nK —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 3． 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 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 shT nn 1 8 ???? ?? ② 由式 (414)可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 KN = 12222 62 1 ?? ????? sThh n 于是，由式可得 ASR 的比例系數(shù)為 )1( ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ? ③ 代入數(shù)據(jù)得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 s sW A SR )( ?? 4． 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 11 608 ?????? sKK nNN ??? ① 校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足 iI ssTK ???? ??? 11 滿足簡化條件。 ② 校驗轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件是否滿足 on I ssTK ???? ?? 11 滿足近似條件。 5． 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù) 含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 48 所示。取內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 36 ???400R ，各電阻和電容值計算如下 ?????? nn ，取 ???900nR FFRC nnn ?? 3 ???? ，取 FCn ?? FFRTC onon ? 30 ????? ，取 FCon ?? 6． 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時，查附表 3 得 %?n? ,不能滿足 %10?n? 。實際上，附表 3 是按線性系統(tǒng)計算的超調(diào)量，而突加階躍給定時， ASR 飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，具有飽和非線性特性。所以，應(yīng)按 ASR 退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 三 . 按退飽和超調(diào)量的計算方法計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n? 設(shè)理想空載起動時 0?z ，當(dāng) 5?h 時，查附表 2 得： % ?? bCC m i rCRIn edNN ????? 則 %10% %)(2 *m a x ??????????? ?m nNbn TTnnzCC ?? 能滿足設(shè)計要求。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 仿真 一 .電流環(huán)的仿真 1．電流環(huán)的輸出特性分析 圖 61 電流環(huán) Simulink 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 37 由圖 62 可以看出超調(diào)量 %?? ，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間 st p ? ，非常短，電流立即下降至恒定并在 內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束，這樣的階躍響應(yīng)是很理想的。這正好驗證了按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)其超調(diào)量會很小的事實。我們知道超調(diào)量可以反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，由此可見電流環(huán)還是比較穩(wěn)定的。它的上升時間是 0 .0183s，上升時間是用來反映動態(tài)響應(yīng)的快速性的，同樣，電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)是比較快的。可見，系統(tǒng)的跟隨性能是很好 的。 2．電流環(huán)抗擾性能分析 可知其性能指標(biāo)： 最大動態(tài)降落： ???C 最大動態(tài)降落時間： stp ? 同理，圖 63b）為電流環(huán)在擾動作用點(diǎn) 3 施加單位階躍信號的擾動響應(yīng)曲線，由圖可知其性能指標(biāo)： 最大動態(tài)降落： ???C 最大動態(tài)降落時間： stp ? 對大多數(shù)機(jī)器設(shè)備，控制系統(tǒng)的抗擾性能指標(biāo)是至關(guān)重要的，它比系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)更為人們所關(guān)注。對于電流環(huán)，通過上面 的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點(diǎn)： 1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。 2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對負(fù)載的大幅度突變也有良好的抗擾能力。 3）從圖中還可以看出，當(dāng)擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度是非?？斓?，這也是我們設(shè)計此系統(tǒng)的原因之一。 3．電流環(huán)頻域分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 38 根據(jù)自動控制原理，頻域分析的特點(diǎn)是運(yùn)用閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻域特性曲線來分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)及其性能，頻域分析的主要內(nèi)容是畫 Bode 圖與計算頻域性能指標(biāo)。 圖 64 電流閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖 下 由圖 65 得出電流環(huán)的 頻域性能指標(biāo)： 幅 值裕度： Gm =； 相角裕度： Pm = ； 幅值穿越頻率： Wcp = 1?s ； 剪切頻率： Wcg = 1?s 。 實際工程上，一般要求 幅 值裕度 dBGm 6? ，相角裕度 deg40?mP 。可見電流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 39 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 40 圖 68 轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng) Simulink 曲線 通過編程運(yùn)行出的轉(zhuǎn)速圖如上圖，由圖 68 可以看到曲線單調(diào)上升，完全無超調(diào)，并且在 3s 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。我們設(shè)計時要求超調(diào)小于 10%。這與設(shè)計要求吻合。 2．轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能的分析 在分析了電流環(huán)的抗擾性能后，再來分析一下轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能。一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。按照圖 67 分別在擾動信號作用點(diǎn)2 和 3 加階躍擾 動信號后進(jìn)行仿真，它們的階躍響應(yīng)曲線如圖 69a）和圖 69b）所示。 階躍最大動態(tài)降落： ???C 最大動態(tài)降落時間： stp ? 同理由圖 69b）也可得到階躍擾動響應(yīng)性能指標(biāo)有： 最大動態(tài)降落： 24max ???C 最大動態(tài)降落時間： stp ? 由上面的仿真圖可以看出 它的抗擾性能有如下幾點(diǎn)： 1）由于負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的 作用。負(fù)載擾動可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。 2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的大幅度突變也有良好的抗擾能力。 3）從圖中還可以看出，當(dāng)擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度也是非常快的，同樣，這也是我們設(shè)計此系統(tǒng)的原因之一。 3．轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 41 圖 610 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖 得出電流環(huán)的 頻域性能指標(biāo)： 幅 值裕度： Gm =； 相角裕度： Pm = ； 幅值穿越頻率： Wcp = 1?s ； 剪切頻率： Wcg = 1?s 。 實際工程上，一般要求 幅 值裕度 dBGm 6? ，相角裕度 deg40?mP 。可見轉(zhuǎn)速環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。 4． 起動過程電動機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出仿真分析 圖 612 是模擬電動機(jī)的起動過程轉(zhuǎn)速 的仿真曲線。在圖中我們可以看到，電動機(jī)起動時轉(zhuǎn)速逐漸增加，經(jīng)過一段時間轉(zhuǎn)速基本達(dá)到穩(wěn)定。由此可見，它與我們前面第三章所敘述的起動過程的轉(zhuǎn)速波形基本上是一致的，仿真結(jié) 果與理論分析較為吻合。 結(jié) 論 隨著近代電力電了技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，自動化電力拖動正向著計算機(jī)控制的生產(chǎn)過程自動化的方向邁進(jìn) ， 以達(dá)到高速、優(yōu)質(zhì)、高效率地生產(chǎn)。在大多數(shù)綜合自動化系統(tǒng)中，自動化的電力拖動系統(tǒng)仍然是不可缺少的組成部分。 本文設(shè)計的是轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，在設(shè)計中， 使我對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成、數(shù)學(xué)模型、靜特性和動態(tài)性能有