【正文】 結(jié) 論 隨著近代電力電了技術(shù)和計算機技術(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控制的生產(chǎn)過程自動化的方向邁進 ， 以達到高速、優(yōu)質(zhì)、高效率地生產(chǎn)?？梢娹D(zhuǎn)速環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。 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。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。這與設(shè)計要求吻合。 實際工程上，一般要求 幅 值裕度 dBGm 6? ，相角裕度 deg40?mP 。 2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對負載的大幅度突變也有良好的抗擾能力。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。 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 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。 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。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)進行設(shè)計。 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。從這兩點出發(fā)，則應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型 I 型系統(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。 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 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。對實際系統(tǒng)進行仿真，首先需要建立實際系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后將其轉(zhuǎn)化為某種仿真模型（如模擬仿真中各元件間的連接關(guān)系和計算機 仿真中能夠在計算機上運行的仿真模型），最后利用仿真模型建立仿真器進行仿真。 數(shù)學仿真采用數(shù)學模型，用數(shù)學語言描述系統(tǒng)行為子集的特征。系統(tǒng)數(shù)學模型的表是多樣的，對于連續(xù)系統(tǒng)，數(shù)學模型主要是基于微分方程組來表征的，而離散系統(tǒng)的數(shù)學模型主要是基于差分方程組來表征的。 計算機是一種解算工具。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 30 第五章 MATLAB簡介 MATLAB 的概述 客觀世界中的物理現(xiàn)象和物理系統(tǒng)通常可以用數(shù)學方程來描述，例如我們熟悉的“質(zhì)量 彈性 阻尼”機械運動系統(tǒng)的動態(tài)過程和“電感 電容 電阻”電路的動態(tài)過程，都可以用二階方程來描述。在計算退飽和超調(diào)量時，因退飽和的過程與同一系統(tǒng)在負載擾動下的過渡過程是完全一樣的，故可利用附表 2 給出的典型Ⅱ系統(tǒng)擾動性能指標來計算退飽和超調(diào)量。 不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 47 所示 圖 47 校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán) 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? 。由圖 43 可知 111)1(1)1()()(2* ???????????sKsKTsTs KsTsKUSIsWIIiiIiIidc l i? (48) 忽略高次項， )(sWcli 可降階近似為 111)(??SKsWIcli (49) 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 )(* sUi ，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 111)()()(* ??? sKsWsUsIIc i lid ?? (410) 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖 41 中的電流環(huán)后，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 27 移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 )(* sUn /? ，再把時間常數(shù)為 1/ IK 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 onI TKT n ??? 1 (411) 則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖 46。上述 結(jié)果是在一系列假定條件下得到的。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型的電流調(diào)節(jié)器。最后，由于 sT 和 oiT 一般比 lT 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 24 RKKK i siI ? ??是一個慣性環(huán)節(jié)。以下就是我們設(shè)計的過程。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表 示，以濾平電流檢測信號。這就是我們最終要設(shè)計成的圖形。例如，可逆軋鋼機需要連續(xù)正反向軋制許多道次，因而對轉(zhuǎn)速的動態(tài)跟隨性能和抗擾性能都有較 高 的要求，而一般生產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)則主 要 要求一定的轉(zhuǎn)速抗擾性能，其跟隨性能如何沒有多大關(guān)系。其中 bC 稱作抗擾指標中輸出量的基準值，視具體情況而定。一般用 maxC? 占輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?C 的百分數(shù)%1001m ax ?? ?CC 來表示。顯然，調(diào)節(jié)時間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好。 1） 上升時間 rt 圖 37 繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的 ?C 是輸出量 C 的穩(wěn)態(tài)值。 1． 跟隨性能指標 在給定信號或參考輸入信號 )(tR 的作用下，系統(tǒng)輸出量 )(tC 的變化情況可用跟隨性能指標來描述。 通過以上的敘述我們知道 典型 I型系統(tǒng)和典型 II型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別外，一般來說，在動態(tài)性能中典型 I型系統(tǒng)可以在跟隨性能中做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型 II型 系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。 ,后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié) ( 1)s?? ，就無法把相頻特性抬到 180176。而圖 35b） 表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 I 型和 II 型系統(tǒng)還有多種多樣的結(jié)構(gòu)，下面各選一種作為典型。分母中的 rs 項表示該系統(tǒng)在原點有 r 重極點，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。簡化的思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分作兩步： 第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。 3） 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計時，只要內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 17 把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設(shè) 計過程就要簡便得多。反復試湊過程也就是系統(tǒng)的穩(wěn)、準、快和抗干擾諸方面矛盾的正確解決過程，需要有熟練的設(shè)計技巧才行。 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 3） 在轉(zhuǎn) 速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 圖 33 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾動作用 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 15 由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負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)生抗負載擾動的作用。必須回饋制動時，可采用可逆的電力電子變換器。但由于在起動過程 I、Ⅲ兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想起動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制” 。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR 起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。但是，只要 dI 仍大于負載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。在這一階段中， ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 一般不飽和。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的 I、Ⅱ、Ⅲ三個階段。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與此同時，由于 ASR 不飽和， *imi UU ? ，從上述第二個關(guān)系式可知 dmd II ? 。 圖 24 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 ?— 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。它可以很方便地根據(jù)原理圖（見圖 23）畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器就可以了。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 9 圖 22 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 *nU — 轉(zhuǎn)速給定電壓 nU — 轉(zhuǎn)速反饋電壓 *iU — 電流給定電壓 iU — 電流反饋電壓 為了獲得良好的靜﹑動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖 23所示。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接 ,如圖 22 所示。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流 保持為最大值 dmI 的恒流過程。這樣的理想起動過程波形示于圖 21b） 。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流 dcrI 值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間。這是從單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。 以上就是關(guān)于轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的一些內(nèi)容，為了實現(xiàn)更好的控制效果，我們需要讓電流負反饋和轉(zhuǎn)速負反饋分別起作用，這就是我要設(shè)計的轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓 dU 一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。 5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使 R 變化）。 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源有： 1）負載變化的擾動（使 dI 變化）。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 5 反饋控制規(guī)律 介紹了以上這些之后，再來看下他的反饋控制規(guī)律： 轉(zhuǎn)速反 饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。 圖 11 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 上圖為帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖。 2． 靜差率 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由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，稱作靜差率 s ,即 0nns N?? (13) 或用百分數(shù)表示 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 4 %10 00 ??? nns N (14) 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面： 1）調(diào)速 —— 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或 平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速； 2）穩(wěn)速 —— 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； 3）加、減速 —— 頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起﹑制動盡量平穩(wěn)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 3 接下來介紹幾種主要的可控直流電源： 1）旋轉(zhuǎn)變流機組 —— 用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流