【正文】 同時，向在百忙中抽出時間對本文進(jìn)行評審，并參與本文答辯相關(guān)老師表示衷心地感謝。在本論文寫作過程中，查閱和參考了眾多文獻(xiàn)資料，得到了許多教益和啟發(fā)，在此向參考文獻(xiàn)的作者致以誠摯的謝意。除此之外，輔導(dǎo)員老師的諄諄教誨使我從初來的青澀漸漸走向了成熟，不再盲目的憧憬未來，而知道要踏實(shí)穩(wěn)重的走好今后人生的每一段路。在此感謝所有對我進(jìn)行幫助的老師和同學(xué)，特別感謝夏小虎老師，是在他的幫助我的畢業(yè)設(shè)計才得以完成的?？傊?，在設(shè)計過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)會了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。由仿真計算結(jié)果表明，利用 MATLAB 的 Simulink 對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計,可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性能、抗擾性能及穩(wěn)定性，使得對系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計及校正變得更簡單方便，大大縮短了系統(tǒng)的調(diào)試周期，提高了開發(fā)系統(tǒng)的效率。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差。根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。29結(jié) 論通過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流晶閘管調(diào)控系統(tǒng)以及雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析。如圖 52，在 啟動過程結(jié)束，電樞電流下降到零，轉(zhuǎn)速上升到最高且已經(jīng)超調(diào)，電流給定“—”，本系統(tǒng)為不可逆系統(tǒng)，晶閘管整流裝置不能產(chǎn)生反向電流，這時電樞電流為零，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也為零，沒有反向制動轉(zhuǎn)矩，有因為是理想空載啟動狀態(tài)，所以電動機(jī)保持在最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)， 后加上負(fù)載，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降， ASR 開始推出飽和，電流環(huán)發(fā)揮作用，是電動機(jī)穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速上。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。 a) b)圖 52 晶閘管 電機(jī)模型雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果a)轉(zhuǎn)速響應(yīng) b)電流響應(yīng)下面分析一下仿真結(jié)果：啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值?？刂苹芈返闹黝}是轉(zhuǎn)速和回路兩個調(diào)節(jié)器，以及反饋濾波環(huán)節(jié)，講兩部分拼接起來及組成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。模型有晶閘管 直流電動機(jī)組成的主電路和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的控制電路兩部分組成。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用 Power System 工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。掌握了強(qiáng)大的 SIMULINK 工具后，會大大增強(qiáng)用戶系統(tǒng)仿真的能力。sKsWnASR?1)(??4：選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取 h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為shTn087.??? ????sThKnN所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 )(????nmenRhC???5：校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 ??snN? 1）校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足 ，由于 ，滿足簡化條件；icT??i????.4 2）校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件： ，ion?2/13由于 ，滿足近似條件。3：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇。 （1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為 ；（2）??根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 ；（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)onT son1. nT?近似處理，取 。 sT????ci按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設(shè)計指標(biāo)要求和近似條件。 sT???ci 2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足： ，lmciT13??現(xiàn)在 = ，滿足近似條件。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成 PI 型, 其傳遞函數(shù)為241()iACRsWK???3，選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： ； 電流開環(huán)增益：因要求 ，故取sTli076.?? %5?i?，因此 ，??iITK 135/5./.0??iIK13/siIiR??4，校驗近似條件。?3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和 。*nom?設(shè)計要求：（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；（2）動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 ，啟動到額定轉(zhuǎn)%5?i?速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 ；%10?n? 電流環(huán)的設(shè)計 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖 49 所示：49 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1）三相橋式電路的平均失控時間為 。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。222．準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最大值，并保持恒定，使系統(tǒng)最快起動，即在電流受限制條件下使系統(tǒng)最短時間內(nèi)起動。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng),電流出現(xiàn)一段小于 的過程,直到dLI穩(wěn)定。但是，由于 仍大于負(fù)載電流 ，*iUdI dIdLI轉(zhuǎn)速將在一段時間內(nèi)繼續(xù)上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)0*n?器 ASR 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 ，所以電動機(jī)imU仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。此外還應(yīng)指出，為了保iimiU???* dIdmI證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中ACR不應(yīng)飽和。為了克服這個擾動， 和 也必須基本上按線性增長，才能保持I d0dUc21恒定。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定 作用下*imU的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（圖dI） 。2，第II階段（ t1～t 2）是恒流升速階段。直到 ， ,電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 不再迅速增長，dIdmI?*imi dI標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。當(dāng)ctU0dIdIdLI后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。1，第I階段（0～t 1）是電流上升階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 由靜止?fàn)顟B(tài)起動時。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)變化比起單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。從動態(tài)性能上看，負(fù)載擾動 作用在被調(diào)量 n 的前面，可以通過測速發(fā)dLI電機(jī)檢測出來，使負(fù)載擾動通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得到及時調(diào)節(jié)。2．抗電網(wǎng)電壓擾動：由于電網(wǎng)電壓擾動和負(fù)載擾動在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它們的動態(tài)抗擾效果就不同。在突加(突減)負(fù)載時，必然會引起動態(tài)速降(速升)。在設(shè)計 ACR 時，應(yīng)強(qiáng)調(diào)具有良好的跟隨性能。（一） 動態(tài)跟隨性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。動態(tài)性能可分為動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能兩種。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 顯露出來。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖46所示。當(dāng)負(fù)載電流達(dá) 到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流dmI調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。穩(wěn)態(tài)時有： ()dmidII??*從而得到圖45靜特性的AB段。 o（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和：此時，ASR 輸出達(dá)到限幅值 ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速*imU的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：此時兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都為零，即18 ()nUn??* ()diiI?* () 0*n?? 0A段。實(shí)際上，在正常U?運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。17nASR ACRU*n+ UnUiU*i+ UctTA+UdIdUPEMTG 環(huán)ni外環(huán)內(nèi)環(huán)圖 43 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 Ks ? 1/CeU*n UctIdEnUd0Un+ +ASR+U*i IdR R ? ACRUi UPE圖44雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 44，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，如圖43所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrn(a) (b)16圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（注: ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—直流測速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器 UPE—電力電子裝置 Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓 Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*—電流給定電壓 Ui —電流反饋電壓）總的來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用為：（1） ASR 的作用：使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 U*n 變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；對負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定允許的最大電流。在調(diào)速系統(tǒng)工作時，要先給電動機(jī)加勵磁，ASR 的輸出作為 ACR 的輸入，利用 ASR 的輸出限幅可達(dá)到限制啟動電流大小的目的。15(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖 41 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖 ，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、單相全控橋、直流電動機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。雙閉環(huán)(轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)) 直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實(shí)際工作中,在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖41a 所示。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。 （）sKsUWpipiinexpi ?1)()( ???令 τ1= τ=R1C1，則傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式piK ()sKspipi 11)(????式 表明，PI 調(diào)節(jié)器也可以用一個積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)來表示， ?1 是微分項中的超前時間常數(shù)，它和積分時間常數(shù) ? 的物理意義是不同的。0RKipi? 10?由此可見，PI 調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。 在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，線路如圖 34 所示。如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。