【正文】 在控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域中，利用 MATLAB/SIMULINK 建立系統(tǒng)的仿真模型，工作快捷，開發(fā)界面友好，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期大為縮短，并且可以減少不必要試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入，從而減少了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試費(fèi)用，在一定程度上有助于系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)與擴(kuò)展。通過以上分析可以看到，用 SIMULINK 對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真是比較成功的，這同時(shí)也證明了串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的有效性和可行性。由圖可以測(cè)出，穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速為 n=440rpm，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)降落 C=[(467443)/443]100%=%，恢復(fù)時(shí)間 t=()s=。由圖可以測(cè)出，穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速 n=440rpm，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)降落 C=[(440422)/440] 100%=%，恢復(fù)時(shí)間 t=()s=。由圖可以測(cè)出系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速 n=440rpm，上升時(shí)間 t =，調(diào)節(jié)1時(shí)間 t =，超調(diào)量 σ=[(460440)/440] 100%=%。由圖可以測(cè)出，系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速 n=800rpm，上升時(shí)間 t =，調(diào)節(jié)時(shí)間 t =2s，超調(diào)量 σ=[(820800)/800]100%=% 。由圖可以測(cè)出，系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速 n=440rpm，上升時(shí)間 t =，調(diào)節(jié)時(shí)間 t =，超調(diào)量 σ=[(460440)12/440] 100%=%。on由上述參數(shù)，根據(jù)雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ，用MATLAB/SIMULINK 可以建立雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖所示。不過這兩段的時(shí)間只占全部啟動(dòng)時(shí)間的很小的一部分，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過程。起動(dòng)過程中的主要階段是恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定。只是在轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 退出飽和，才真正發(fā)揮線性調(diào)節(jié)作用。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制特征。隨著轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。綜合上述可知，在這一段內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)fz節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。以后，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 的作用下減速。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流調(diào)節(jié)器 ACR 的給定電壓 U 立即從gi限幅值降下來，主電路電流 I 也隨之迅速減小。在這個(gè)階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零（即 U = U ， U =0） 。同時(shí)，還要求整流裝置的最大電壓 U 必須留有dm余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)該出現(xiàn)飽和，以保證提供足夠大的整流電壓滿足調(diào)節(jié)能力的需要。上述情況表明，電流恒值調(diào)節(jié)過程同時(shí)伴隨著對(duì)反電動(dòng)勢(shì)ddm擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程，反電動(dòng)勢(shì)擾動(dòng)對(duì)電流的影響被電流調(diào)節(jié)器的積分作用所補(bǔ)償。 U 和 U 也必k0d須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保證 I 恒定。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，反電動(dòng)勢(shì) E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。在這個(gè)階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 U 作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 I 恒定gim d（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)） 。第二階段是恒流升速階段，即以最大電流給定升速。這一階段的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由不飽和很快達(dá)到飽和，而電流調(diào)節(jié)器一般是不飽和的，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。初始位置快速前移，迅速地使整流電壓 U 增大，0d進(jìn)而使電流 I 迅速增大。當(dāng) I I 后，轉(zhuǎn)速 n 開始增長(zhǎng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 U 后，由于在啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不gn飽和、飽和、退出飽和三個(gè)階段，因此，整個(gè)過渡過程也分為三個(gè)階段。直至超調(diào)后，速度環(huán)才真正發(fā)揮作用，使轉(zhuǎn)速漸趨穩(wěn)定。表 雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 635 615 603 570 536 485晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 15 15 15 15 15 15負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源電壓 U（V） 210 210 210 210 210 210給定電壓 2 2 2 2 2 2圖 雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線從動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程來看，突加給定信號(hào)U 的瞬時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋很小，近似為零，gn速度調(diào)節(jié)器很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓U ，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，使電動(dòng)gim機(jī)很快地起動(dòng)，起動(dòng)后，雖然轉(zhuǎn)速反饋電壓U 增長(zhǎng)了，但是由于速度環(huán)的積分作fn用，只要還是U U ，速度環(huán)輸出仍維持在限幅值上不變，直到轉(zhuǎn)速超調(diào)，即Ufng U ，輸入偏差電壓 U 變成負(fù)值，速度環(huán)退出飽和。一旦轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，速度環(huán)即失去作用，只剩下電流環(huán)起作用。何況速度環(huán)用的是PI 調(diào)節(jié)器，整個(gè)系統(tǒng)是無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。通過圖形可以看出單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要比開環(huán)機(jī)械特性要硬。為此無靜差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)常采用比例積分運(yùn)算器（稱為 PI 調(diào)節(jié)器） 。從靜特性方程進(jìn)行的推理可知，由于放大器的放大倍數(shù)不可能為無窮大，所以閉環(huán)轉(zhuǎn)速降落也不可能為 0，在靜態(tài)時(shí)其放大倍數(shù)接近無窮大，或靜態(tài)時(shí)其輸入電壓為 0，但仍保持有輸出電壓。有靜差調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行給定信號(hào)和反饋信號(hào)綜合的運(yùn)算器是比例放大器（稱為P 調(diào)節(jié)器） ，其輸出電壓就是可控整流電源的控制電壓。但是，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能回升到原來的數(shù)值。根據(jù)所觀察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下曲線：表 單閉環(huán)系統(tǒng)有靜差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速 n(r/min) 668 645 595 565 512 470晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 15 15 15 15 15 15負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源 U（V ） 200 200 200 200 200 200給定電壓 3 3 3 3 3 3圖 單閉環(huán)系統(tǒng)有靜差實(shí)驗(yàn)曲線通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)觸發(fā)電路導(dǎo)通后，增大電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載電流增加，電樞回路的電壓也增加，但是此時(shí)二極管整流裝置輸出的整流電壓還沒有變化，所以電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之下降。轉(zhuǎn)速 n(r/min) 640 612 587 554 536 510晶閘管電流 IG(A) 晶閘管電壓 UG(V) 17 17 17 17 17 17負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M() 0 電源電壓 U(V) 220 220 220 220 220 220給定電壓 (V) 3 3 3 3 3 3引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋只能減少靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落，使轉(zhuǎn)速盡可能維持接近恒定，而不可能完全回復(fù)到原來數(shù)值。給定電壓由0V 到 3V 的過程中，轉(zhuǎn)速隨之逐漸變大，當(dāng)給定電壓從 3V 到 5V，轉(zhuǎn)速開始降低，同時(shí)晶閘管電流下降。表 開環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)所觀察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下曲線：圖 開環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)觸發(fā)電路導(dǎo)通后，電源電壓不變，只改變系統(tǒng)負(fù)載的情況下晶閘管電流也隨著變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，晶閘管電流也隨之略有增大。：表 測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)條紋數(shù)超前條紋數(shù)（min）最低電壓（V）最高電壓（V）轉(zhuǎn)速換算（r/min）6 72 10118 64 756根據(jù)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)曲線如下：圖 測(cè)速發(fā)電機(jī)工作特性實(shí)驗(yàn)曲線根據(jù)繪出的曲線可知，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電壓，測(cè)速機(jī)輸出電壓 Un和轉(zhuǎn)速 n 之間是完全的線性關(guān)系，但測(cè)速機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于磁場(chǎng)的變化，其比例發(fā)生變化，而在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通常是作為線性元件看待的。(3)把鋁槽放到有 4 條白條紋的軸承上，調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)速旋鈕到可以透過鋁槽看到條紋相對(duì)靜止或緩慢移動(dòng)為止，并記錄一分鐘可見白條紋移動(dòng)過去條紋數(shù)，用萬用表測(cè)量此時(shí)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓，記錄下來。：圖 實(shí)驗(yàn)接線圖：(1)檢查已連接好的裝備電路，找出測(cè)量測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓接線端。如看到紙條向后移10所 貼 紙 條 數(shù) 數(shù)一 分 鐘 向 前 移 動(dòng) 的 紙 條動(dòng)，轉(zhuǎn)速 n =n r/min。當(dāng)我們看到紙條不移動(dòng)時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速 n =100* r/min。為了防止通過晶閘管的電流過大，在晶閘管和電流表之間串入一個(gè)可調(diào)電阻，令其對(duì)通過晶閘管的電流進(jìn)行控制使之一直小于 1A。原理圖如下：圖 繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 實(shí)驗(yàn)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析根據(jù)次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路圖以及雙閉環(huán)原理結(jié)構(gòu)框架圖將實(shí)物在 MCL平臺(tái)上運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓低于二極管電壓，無法實(shí)現(xiàn)整流，后來分別在轉(zhuǎn)子三條回路中串入三個(gè)可調(diào)電阻，目的為了增大轉(zhuǎn)子側(cè)電壓，使轉(zhuǎn)子側(cè)電壓大于二極管電壓。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋在系統(tǒng)中分別起作用，又不致互相牽制而影響系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流。這樣，系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。自動(dòng)控制理論提示，進(jìn)一步解決問題的唯一途徑是對(duì)電流這個(gè)物理量也實(shí)行負(fù)反饋控制。然而系統(tǒng)中只靠電流截止環(huán)節(jié)來限制啟動(dòng)和升速的沖擊電流，其性能仍然不能令人滿意。因?yàn)檫@里只有一個(gè)環(huán)，所以成為單閉環(huán)系統(tǒng)。說到雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速，我們得首先來簡(jiǎn)要認(rèn)識(shí)一下單閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。特別是晶閘管次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級(jí)調(diào)速可以將異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機(jī)械能送回到電動(dòng)機(jī)軸上，因此效率高。 系統(tǒng)電路及原理圖設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)速是通過繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)而產(chǎn)生的。5 次同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)研究在晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路結(jié)構(gòu)完全確定的情況下，可以根據(jù)系統(tǒng)控制信號(hào)的傳遞關(guān)系，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。斜坡信號(hào)的斜率是可調(diào)的。此時(shí)系統(tǒng)的給定信號(hào)不能再采用階躍給定形式，可以采用給定積分器作為系統(tǒng)的給定裝置。而工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)工藝條件并不要求在電流約束條件下的最快速起動(dòng)，而是對(duì)起動(dòng)加速度有嚴(yán)格限制，要求起動(dòng)過渡過程平緩。ASR 的輸出信號(hào)經(jīng)限幅后作為電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸入給定信號(hào)。為了保證設(shè)備的安全，速度調(diào)節(jié)器設(shè)置輸出限幅電路，以限制電動(dòng)機(jī)的最大電流。時(shí)，U =0，相當(dāng)C??于轉(zhuǎn)子沒有附加電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)工作于固有特性。隨 ACR 輸出的增加， 向 90176。為此，電流調(diào)節(jié)器?min ?min須設(shè)置輸出限幅電路。電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出為零時(shí)，應(yīng)整定最小逆變角 ，以保證最低速起動(dòng)。另外，安裝時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)的軸中心應(yīng)與電動(dòng)機(jī)的軸中心重合，以保證安裝質(zhì)量。在采用他勵(lì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)時(shí)，為了保證檢測(cè)精度，應(yīng)使用穩(wěn)壓電源勵(lì)磁繞組供電。測(cè)速發(fā)電機(jī)分交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩種。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度反饋是利用速度檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的，最常見的速度檢測(cè)裝置是測(cè)速發(fā)電機(jī)。因此通過測(cè)量交流電流便可間d接反映直流側(cè)逆變電流的大小，交流檢測(cè)常采用交流互感器。在變流電路直流側(cè)檢測(cè)fi電流大小，一般常用直流電流互感器或者用霍爾電流變換器直接測(cè)量主回路電流。4 控制環(huán)節(jié)單元電路研究 反饋檢測(cè)裝置 電流檢測(cè)裝置在晶閘管控制系統(tǒng)中，需要檢測(cè)主回路的電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓，作為電流反饋信號(hào) U 。+2 ) ()eD02439??p由上式可以很明顯看出，若 =15176。)= ()p?p20D6IXd從上式解出 I ，得d I = sin(30176。若令式中d ?TdE26=60176。此時(shí)轉(zhuǎn)子整?p流器相當(dāng)于一個(gè)“全控”橋，滯后 角導(dǎo)通。~30176。 串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機(jī)械特性串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工作在第二工作區(qū)內(nèi)的機(jī)械特性與轉(zhuǎn)子整流器的第二工作狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，重疊角恒等于 60176。而一般繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)為21?axe≥2，T 為繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，故 T ≥ T 。若用 I 表示第一工作區(qū)與第二工作區(qū)交界處的電流，則dlm根據(jù) cos60176。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入第二工作區(qū)后，機(jī)械特性將進(jìn)一步變軟，式()已經(jīng)不適用了，所以上式求出的串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩實(shí)際上是不存在的，因此稱其為理想最大轉(zhuǎn)矩。也就是說，轉(zhuǎn)子整流器進(jìn)入第二工作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性也必然會(huì)進(jìn)入第二工作區(qū)。將式() 帶入式()，消0d 0d20去 s，可得 T = (E )I ()e01?ddIX3D0?利用式()和式 ()，可以求得串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性第一工作區(qū)的表達(dá)式 T = (SS ) ()e 2TDTD002d )R2X3S(Ed????0式中，s 為串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)理想空載(I =0)轉(zhuǎn)差率，即 s = cos 。 串級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)工作在第一工作區(qū)內(nèi)的機(jī)械特性交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 T =