【導(dǎo)讀】系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行虛擬環(huán)境下的仿真研究，不僅使用方便，也大大降低了研究成本。最后，用MATLAB仿真軟件搭建了仿真模型，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。平滑調(diào)速，這為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

　　

【正文】 給定濾波的反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 ???sUn* ，再把時(shí)間常數(shù)為 IK1 和 onT 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn TKT ??? 1 （ 2— 36） 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 II 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。由此可見(jiàn)， ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ? ?ssKsW nnnA S R ?? 1?? （ 2— 37） 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(shí)間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?11112 ???????? sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnn ?? ?????? （ 2— 38） 令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 NK 為 mennN TCRKK ?? ?? （ 2— 39） 則 ? ? ? ?? ?112 ??? ? sTs sKsW nnNn ? 上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下： iI TK?? 31? （ 2— 40） onI TK31?? （ 2— 41） (3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 nK 和 n? 。按照典型 II 型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式（ 2— 14）有 nn hT??? （ 2— 42） 再由式（ 2— 17），有 222 1nN ThhK ??? （ 2— 43） 因此 ? ?nmen RTh TChK??? ??2 1 （ 2— 44） 至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定，無(wú)特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5 為好。 (4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 2— 11 所示，圖中 *nU 為轉(zhuǎn)速給定電壓， n?? 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 *iU 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 balRU i *20R20R20R20RCo nRnCn++Co nUn*n?? 圖 2— 11 含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為 0RRK nn? （ 2— 45） nnn CR?? （ 2— 46） onon CRT 041? （ 2— 47） 設(shè)計(jì)實(shí)例 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)： VUN 220? ， AIN 136? ， min/1460 rnN ? ， rVC e min / ?? ，允許過(guò)載倍數(shù) ，飛輪慣量 22 mNGD ?? ； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40?sK ； 電樞回路總電阻： ?? ； 勵(lì)磁電壓 VUf 220? ，勵(lì)磁電流 AIf ? ； 時(shí)間常數(shù)： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù)： ?? V/A （≈ 10V/ dI ） 。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： rV m in / ??? （≈ 10V/ maxn ）。 要求： (1) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為無(wú)靜差； (2) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)為電流超調(diào)量 i? ? 5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 n? ? 10%； (3) 基于直流電 動(dòng) 機(jī) 的 基本方程，建立直流電 動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 (1)．電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 ① 由NNaNe n IRUC ?? 得 136 1 4 6 ?????? N NeNa I nCUR1 （ ? ） ② ??? fff IUR （ ? ） ③ 勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取 0，則電樞電感估算如下： ???? ???? NN Na Ipn CUL （ H） ④ 電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感： ???? f eaf I CL （ H） ⑤ 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 ???? gGDJ （ 2mkg? ） ⑥ 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 7 11 3 61 3 ????? NeL ICT （ mN? ） (2) 電流環(huán)設(shè)計(jì) ① 確定時(shí)間常數(shù) a 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sTs ? ； b 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT ： 三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 （ 1～ 2）oiT =，因此， oiT =2ms=； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 c 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) iT? ： sTTT oisi ???? ② 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： i? ≤ 5%，而且 0 0 3 ????ilTT，因此可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器用 PI 型，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW iiiACR ?? 1?? ③ 確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時(shí)間常數(shù) sTli ??? 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求 i? ≤ 5%時(shí)應(yīng)取 ??iITK ， 因此 3 50 0 3 ???? ? iciI TK ? （ 1?s ） 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ?? ④ 檢驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ?? Ici K? a 晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件為 sci T31?? ： cis ssT ????? ?? 11 13 1，滿足近似條件； b 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 lmci TT13?? ： cilm ssTT ????? ?? 11 1313，滿足近似條件； c 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 oisci TT131?? ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 ciois ssTT ????? ?? 11 131131，滿足近似條件。 ⑤ 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用放大器取 ?? KR 400 ，各電阻和電容值計(jì)算如下 ?????? KKRKR ii ，取 40 ?K FFRC iii ??? 63 ????? ，取 F? FFRTC oioi ?? 630 ?????? ，取 F? 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 %5% ??i? ，滿足設(shè)計(jì)要求。 (3) 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì) ① 確定時(shí)間常數(shù) a 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 sT i ?? b 轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) onT ： 根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 onT = c 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) nT? ： sTTT onin ??? ?? ② 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速環(huán)。故 ASR 選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW nnnASR ?? 1?? ③ 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù) sshT nn 0 8 1 7 ???? ?? 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益 22222 9 60 1 7 62 1 ??? ?????? ssThhKnN 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 于是， ASR 的比例系數(shù)為 ? ? 1 7 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? ④ 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 111 ?? ????? ssKK nNN ??? a 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 iI TK?? 31? ： iI ssTK ???? ??? 11 0 3 3 53131，滿足近似條件； b 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 onI TK31?? ： onI ssTK ???? ?? 11 3 53131，滿足近似條件。 ⑤ 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容值（取 ?? KR 400 ） ?????? KKRKR nn 4 6 ，取 470 ?K FFRC nnn ??? 63 ????? ，取 F? FFRTC onon ?? 1101040 630 ?????? ，取 1 F? ⑥ 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量： ? ?mnNNbn TTnnzCC ????????????? ?? ?? m a x2 當(dāng) h=5 時(shí) %%100m a x ???bCC 而 m in/ in/ rrC RIn edN ????? 因此， %10% % ???????n?，滿足設(shè)要求。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 3． 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 仿真與研究 MATLAB 簡(jiǎn)介 (1) MATLAB 語(yǔ)言 MATLAB軟件是由美國(guó) NewMexico 大學(xué)的 C1eveMoler 博士于 1980 年開(kāi)始開(kāi)發(fā)的， 1984 年由 C1eveMOIer 等人創(chuàng)立的 Mathwork 公司正式推出了第一個(gè)商業(yè)版本。MATLAB 是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。這使它成為國(guó)際控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣的首選軟件工具。現(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。在控制 界，很多著名專家和學(xué)者為其擅長(zhǎng)的領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了工具箱，而其中很多工具箱己經(jīng)成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。 MATLAB 語(yǔ)言有以下特點(diǎn)： ① 起點(diǎn)高。每個(gè)變量代表一個(gè)矩陣，它可以有 nm? 個(gè)元素，每個(gè)元素都看作是復(fù)數(shù)，各種運(yùn)算對(duì)矩陣和復(fù)數(shù)都有效。 ② 人機(jī)界面適合科技人員。 MATLAB 的程序與科技人員的書(shū)寫習(xí)慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員交流。 MATLAB 是以解釋方式工作的，若有錯(cuò)誤立即做出反應(yīng)，便于編程者立即改 正。這些都減輕了編程和調(diào)試的工作量。 ③ 強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的作圖功能。能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)確定坐標(biāo)繪圖，能繪制多種坐標(biāo)系的圖形。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。 ④ 智能化程度高。繪圖時(shí)自動(dòng)選擇最佳坐標(biāo)以及按輸入或輸出自動(dòng)選擇算法；數(shù)值積分時(shí)自動(dòng)按精度選擇步長(zhǎng)，自動(dòng)檢測(cè)和顯示程序錯(cuò)誤的能力強(qiáng)，易于調(diào)試。 ⑤ 功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)。 MATLAB 軟件包括基本部分和專業(yè)部分?；静糠职?:矩陣的各 種運(yùn)算和各種變換、代數(shù)和超越方程求解、數(shù)值積分等。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本專業(yè)的知識(shí)編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)。這些工具箱就是專業(yè)部分。現(xiàn)在它們己有控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖象處理、系統(tǒng)辯識(shí)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析等 20 多個(gè)工具箱，并且還在繼續(xù)擴(kuò)展。 MATLAB 語(yǔ)言集計(jì)算、數(shù)據(jù)可視和程序設(shè)計(jì)于一體，并能用人們熟悉的符號(hào)表畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 示出來(lái)，在工程計(jì)算方面具有不可比擬的優(yōu)越性，它還為圖形處理提供了豐富的函數(shù)。數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)中包括了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)。因此， MATLAB 已成為世界上應(yīng)用最廣泛的工程計(jì)算應(yīng) 用軟件之一。 (2) SIMULINK 仿真工具 SIMULINK 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。 SIMULINK界面為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，用戶建模通過(guò)簡(jiǎn)單的單擊和拖動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)，使得建模就像用紙和筆來(lái)畫(huà)畫(huà)一樣容易。它與傳