【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）字?jǐn)?shù)理工科、文科類均不少于。潔，布局合理，文字注釋規(guī)范。

　　

【正文】 于各 種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量 [11]。 設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備 直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為： 220V， 136A， 1460r/min, eC =? min/r,允許過(guò)載 32 32 32 倍數(shù) λ =； 晶閘管裝置放大系數(shù)： Ks=40； 電樞回路總電阻： R=； 時(shí)間常數(shù)： Tl=， Tm=； 電流反饋系數(shù)： ? =； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ? =? min/r； 取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為 12V，輸出限幅值為 10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定 =10V。 設(shè)計(jì)要求： ① 靜態(tài)指標(biāo) :無(wú)靜差； ② 動(dòng)態(tài)指標(biāo)： 電流超調(diào)量 %5%?i? ，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10%?n? [3]。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) 整 流裝置滯后時(shí)間常數(shù)： Ts=； ???KeIRUn 33 33 33 電流濾波時(shí)間常數(shù)： sToi ? ； 電流環(huán)小 時(shí)間 常數(shù)，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 ???? oisi TTT ； 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5%?i? ， 并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可用電流型 PI 調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù) ssKsW iii ?? )1()( A C R ?? 選擇電流調(diào)節(jié)器 參數(shù) ACR 超調(diào)時(shí)間常數(shù) i? =Tl=； 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因要求 %5%?i? ，故應(yīng) 取 IK =?iT =于是， ACR 的比例系數(shù)為 ???KeIRUn 34 34 34 ?????? Ksτ iRKK Ii ? 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ci? = IK = （ 1）校驗(yàn) 晶閘管裝置傳遞函數(shù) 的 近似條件 是否滿足：sci T31?? 。 因?yàn)????? 13 1 sT ci?，所以滿足近似條件。 （ 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的近似條件是否滿足：lmci TT13?? 。 現(xiàn)在 ?? lmTTci? ，滿足近似條件。 （ 3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件：oisci TT131?? 。 ???KeIRUn 35 35 35 現(xiàn)在 ???? 131131 ois TT ci?，滿足近似條件。 按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求和近似條件。 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 確 定時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 2 ?iT =； 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： sTon ? ； 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)： ???? ? onin TTT 2 ； 選擇 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速環(huán)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)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。 故 ASR 選擇 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為： ssKsW nnnA S R ?? 1)( ?? ???KeIRUn 36 36 36 選擇 轉(zhuǎn)速 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 超調(diào)時(shí)間常數(shù)： shT nn 1 ???? ?? ； 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： ? ? 62 1222 ?????? ? nN Th hK 于是， ASR 的比例系數(shù)為 ? ? 1 ????? ???????? nmeRTh TChKn ? 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 1 ????? nNN KK ??? ； （ 1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件是否滿足：i T??51? 。 現(xiàn)在i sT ????? ?? 15 1，所以滿足簡(jiǎn)化條件。 ???KeIRUn???KeIRUn 37 37 37 （ 2）校驗(yàn) 小時(shí)間常數(shù)近似處理 是否滿足：oni TT?? 2 131? 。 現(xiàn)在oni TT ??????? 1312 131，滿足近似條件。 （ 3）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %%m ax ?? KbCC； 而 m i n/ 1 51 3 ????? ， 因此 % %)(2%)(% m a xn ???????????? ?? m nNb TTnnZCC ?? 顯然 %10%?n? ，所以滿足設(shè)計(jì)要求。 4 MATLAB 仿真設(shè)計(jì) MATLAB 仿真軟件介紹 38 38 38 MATLAB 是 ―矩陣實(shí)驗(yàn)室 ‖（ Matrix Laboratory）的縮寫(xiě) ,它是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的，集數(shù)學(xué)計(jì)算、結(jié)果可視化和編程于一身，能方便地進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和大量工程運(yùn)算及數(shù)值分析的功能十分強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。 MATLAB 簡(jiǎn)單易用、人機(jī)界面良好，又有著演算紙式的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言的美稱，使復(fù)雜繁瑣的科學(xué)計(jì)算和編程變的日 益簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確有效。目前，越來(lái)越多的理工科大學(xué)生和科學(xué)技術(shù)工作者正在學(xué)習(xí)和使用 MATLAB 語(yǔ)言，它已經(jīng)成為世界上應(yīng)用最廣泛的計(jì)算軟件之一。 MATLAB 的最初版本是在 20 世紀(jì) 70 年代由美國(guó)新墨西哥大學(xué)的 Cleve Moler 教授用 FORTRAN 開(kāi)發(fā)的矩陣分析軟件。在 20 世紀(jì) 80 年代初期，由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了 Math Work 公司，采用 C 語(yǔ)言改寫(xiě)了 MATLAB 的內(nèi)核，并將其正式推向市場(chǎng)。時(shí)至今日，經(jīng)過(guò) Math Works 公司的不斷完善， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多 學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)勁的大型軟件。在國(guó)外， MATLAB 已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部 39 39 39 門， MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問(wèn)題 [12]。 MATLAB 的主要特點(diǎn) 自 MATLAB 正式推出后，其功能越來(lái)越強(qiáng)大，其主要特點(diǎn)如下： (1) MATLAB 的基本單位為矩陣，其表 達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程計(jì)算中常用的形式類似。而且矩陣的操作十分方便。 (2) MATLAB 語(yǔ)言以解釋方式工作，對(duì)每條語(yǔ)句進(jìn)行解釋后即運(yùn)行，鍵入算式即得結(jié)果，無(wú)需編譯，對(duì)錯(cuò)誤可立即做出反應(yīng)。 (3) 具有非常友好的人機(jī)界面。 MATLAB 語(yǔ)言規(guī)則與人們長(zhǎng)期以來(lái)使用的在演算紙上進(jìn)行演算的書(shū)寫(xiě)習(xí)慣十分相似，易學(xué)易讀適于交流。 (4) 具有強(qiáng)大的作圖和數(shù)據(jù)可視化功能?？梢园褦?shù)據(jù)圖形的形式加以表現(xiàn)，非常簡(jiǎn)單、方便。 (5) 具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。 MATLAB 軟件包括 MATLAB 主程序和許多日益 增多的工具箱，例如：仿真工具箱、優(yōu)化工具箱、信號(hào)處理工具箱 Simulink 簡(jiǎn)介 40 40 40 Simulink 是 Matlab 軟件下的一個(gè)附加組件，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 MATLAB 軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時(shí)它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真 與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來(lái)調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。 Simulink 仿真與分析的主要步驟按先后順 序?yàn)闉?:從模塊庫(kù)中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。 Simulink 模塊庫(kù)提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號(hào)源模塊庫(kù) (Source) ,接收模塊庫(kù)（ Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Signal Routing），信號(hào)屬性模塊庫(kù)（ Signal Attributes），數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)（ Math Operations），邏輯和位操作庫(kù)（ Logic and Bit Operations）等等，此外還有一些特定學(xué)科仿真的工具箱。 Simulink 還為用戶提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（ GUI）。對(duì)于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過(guò)圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡(jiǎn)單，它與用微分方程和差分方 41 41 41 程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點(diǎn)。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與 MATLAB、 C 或者 FORTRAN 語(yǔ)言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。 從 版開(kāi)始有了電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（ Power System Blockset），該模塊庫(kù)主要是由加拿大 Hydro Quebec 公司和 TECSIM International 公司共同開(kāi)發(fā)的。在Simulink 環(huán)境下用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的模塊可以方便地進(jìn)行 RLC 電路、電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真。本次設(shè)計(jì)中需要用到的電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真就是在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，主要使用電力系統(tǒng)模塊庫(kù) SimPower System和 Simulink 進(jìn)行的。通過(guò)電力電子電路和電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真，不僅展示了MATLAB/Simulink 的強(qiáng)大功能，并且學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)仿真的方法和技巧，可以深入地研究電路和系統(tǒng)的原理和性能 [14]。 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速 系統(tǒng)仿真模型 42 42 42 由于面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法是以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，按照系統(tǒng)的構(gòu)成，從 SimPower System 和 Simulink 模塊庫(kù)中找出對(duì)應(yīng)的模塊，按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。圖 41 是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)作的雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。 43 43 43 44 44 44 圖 41 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 下面分 別介紹雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中主要模塊的封裝建模以及參數(shù)的設(shè)置。 調(diào)節(jié)器的建模 PI 調(diào)節(jié)器可以直接調(diào)用 Simulink 中的功能模塊，但是考慮飽和和輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器需要自己封裝模型，模型中把比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分調(diào)節(jié)器integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模 塊Saturation 設(shè)定。電流調(diào)節(jié)器 ACR 及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的模型及參數(shù)分別如圖 4 43所示。其中 ASR、 ACR 的限幅值均設(shè)定為 [10,10]。