【導讀】系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對直流調(diào)速系統(tǒng)進行虛擬環(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，對調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真研究。平滑調(diào)速，這為直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的硬件實驗提供了理論依據(jù)。

　　

【正文】 給定濾波的反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 ???sUn* ，再把時間常數(shù)為 IK1 和 onT 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn TKT ??? 1 （ 2— 36） 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型 II 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調(diào)量較大，那是線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。由此可見， ASR 也應該采用 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)器的超前時間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 畢業(yè)設計（論文） 27 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?11112 ???????? sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnn ?? ?????? （ 2— 38） 令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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 應選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定，無特殊要求時，一般以選擇h=5 為好。 (4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(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)設計（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） 設計實例 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： 直流電動機參數(shù)： VUN 220? ， AIN 136? ， min/1460 rnN ? ， rVC e min / ?? ，允許過載倍數(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： ?? ； 勵磁電壓 VUf 220? ，勵磁電流 AIf ? ； 時間常數(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)指標為無靜差； (2) 動態(tài)指標為電流超調(diào)量 i? ? 5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量畢業(yè)設計（論文） 29 n? ? 10%； (3) 基于直流電 動 機 的 基本方程，建立直流電 動 機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型，給出系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并進行仿真驗證。 (1)．電動機相關(guān)參數(shù)的計算 ① 由NNaNe n IRUC ?? 得 136 1 4 6 ?????? N NeNa I nCUR1 （ ? ） ② ??? fff IUR （ ? ） ③ 勵磁電感在恒定磁場控制時可取 0，則電樞電感估算如下： ???? ???? NN Na Ipn CUL （ H） ④ 電樞繞組和勵磁繞組互感： ???? f eaf I CL （ H） ⑤ 電動機轉(zhuǎn)動慣量 2 ???? gGDJ （ 2mkg? ） ⑥ 額定負載轉(zhuǎn)矩 7 11 3 61 3 ????? NeL ICT （ mN? ） (2) 電流環(huán)設計 ① 確定時間常數(shù) a 整流裝置滯后時間常數(shù) sTs ? ； b 電流濾波時間常數(shù) oiT ： 三相橋式電路每個波頭的時間是 ，為了基本濾平波頭，應有 （ 1～ 2）oiT =，因此， oiT =2ms=； 畢業(yè)設計（論文） 30 c 電流環(huán)小時間常數(shù) iT? ： sTTT oisi ???? ② 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設計要求： i? ≤ 5%，而且 0 0 3 ????ilTT，因此可按典型 I 型系統(tǒng)設計，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 超前時間常數(shù) sTli ??? 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 i? ≤ 5%時應取 ??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 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 lmci TT13?? ： cilm ssTT ????? ?? 11 1313，滿足近似條件； c 小時間常數(shù)近似處理條件 oisci TT131?? ： 畢業(yè)設計（論文） 31 ciois ssTT ????? ?? 11 131131，滿足近似條件。 ⑤ 計算調(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)可以達到的動態(tài)指標為 %5% ??i? ，滿足設計要求。 (3) 轉(zhuǎn)速環(huán)設計 ① 確定時間常數(shù) a 電流環(huán)等效時間常數(shù)為 sT i ?? b 轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù) onT ： 根據(jù)測速發(fā)電機紋波情況，取 onT = c 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) nT? ： sTTT onin ??? ?? ② 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應按典型 II 型系統(tǒng)設計調(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 的超前時間常數(shù) sshT nn 0 8 1 7 ???? ?? 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 22222 9 60 1 7 62 1 ??? ?????? ssThhKnN 畢業(yè)設計（論文） 32 于是， ASR 的比例系數(shù)為 ? ? 1 7 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? ④ 校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 111 ?? ????? ssKK nNN ??? a 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 iI TK?? 31? ： iI ssTK ???? ??? 11 0 3 3 53131，滿足近似條件； b 小時間常數(shù)近似處理條件 onI TK31?? ： onI ssTK ???? ?? 11 3 53131，滿足近似條件。 ⑤ 計算調(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 h=5 時 %%100m a x ???bCC 而 m in/ in/ rrC RIn edN ????? 因此， %10% % ???????n?，滿足設要求。 畢業(yè)設計（論文） 33 3． 直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 仿真與研究 MATLAB 簡介 (1) MATLAB 語言 MATLAB軟件是由美國 NewMexico 大學的 C1eveMoler 博士于 1980 年開始開發(fā)的， 1984 年由 C1eveMOIer 等人創(chuàng)立的 Mathwork 公司正式推出了第一個商業(yè)版本。MATLAB 是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。這使它成為國際控制領(lǐng)域應用最廣的首選軟件工具?，F(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛應用于控制領(lǐng)域，也應用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。在控制 界，很多著名專家和學者為其擅長的領(lǐng)域開發(fā)了工具箱，而其中很多工具箱己經(jīng)成為該領(lǐng)域的標準。 MATLAB 語言有以下特點： ① 起點高。每個變量代表一個矩陣，它可以有 nm? 個元素，每個元素都看作是復數(shù)，各種運算對矩陣和復數(shù)都有效。 ② 人機界面適合科技人員。 MATLAB 的程序與科技人員的書寫習慣相近，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，若有錯誤立即做出反應，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 強大而簡易的作圖功能。能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖，能繪制多種坐標系的圖形。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。繪圖時自動選擇最佳坐標以及按輸入或輸出自動選擇算法；數(shù)值積分時自動按精度選擇步長，自動檢測和顯示程序錯誤的能力強，易于調(diào)試。 ⑤ 功能豐富，可擴展性強。 MATLAB 軟件包括基本部分和專業(yè)部分?；静糠职?:矩陣的各 種運算和各種變換、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)的知識編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務。這些工具箱就是專業(yè)部分。現(xiàn)在它們己有控制系統(tǒng)、信號處理、圖象處理、系統(tǒng)辯識、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、小波分析等 20 多個工具箱，并且還在繼續(xù)擴展。 MATLAB 語言集計算、數(shù)據(jù)可視和程序設計于一體，并能用人們熟悉的符號表畢業(yè)設計（論文） 34 示出來，在工程計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)學函數(shù)庫中包括了大量的數(shù)學函數(shù)。因此， MATLAB 已成為世界上應用最廣泛的工程計算應 用軟件之一。 (2) SIMULINK 仿真工具 SIMULINK 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。 SIMULINK界面為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，用戶建模通過簡單的單擊和拖動就能實現(xiàn)，使得建模就像用紙和筆來畫畫一樣容易。它與傳