【正文】 Elementary Linear Circuit Analysis Second Edition[M]。電力電子設(shè)備和應(yīng)用手冊(cè)[M]。北京電力電子技術(shù)[M]。電力電子器件[M]。系統(tǒng)仿真技術(shù)[M]?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真[M]。電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)[M]。自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]。北京：清華大學(xué)出版社，1996。[10]胡漢才。高等學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)手冊(cè)[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003。[8]余永權(quán)，汪明慧，黃英。單片微機(jī)控制技術(shù)[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003。[6]潘新民，王燕芳。交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991。[4]何立民。電力電子技術(shù)[M]。大連：大連理工大學(xué)出版社，1996。[2]徐維祥。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]。最后，向所有幫助過我的人致以最誠摯的謝意。非常感謝我的同學(xué)們，在與他們共同的學(xué)習(xí)、工作、生活過程中，他們給予了我及時(shí)的幫助和建議，開拓了我的思路。在此，我再一次對(duì)陳老師的培養(yǎng)和關(guān)懷表示誠摯的謝意！同時(shí)，我要感謝其他的代課老師對(duì)我們的學(xué)習(xí)和工作嚴(yán)格要求，并耐心地教導(dǎo)激勵(lì)我們積極進(jìn)取，培養(yǎng)我們形成良好的科研作風(fēng)，所有這些，我們將終生受益。首先要感謝我敬愛的指導(dǎo)教師張教授在學(xué)術(shù)上的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，在思想、學(xué)習(xí)和生活等各個(gè)方面的典范作用，在科研中創(chuàng)造的良好學(xué)術(shù)氣氛，在系統(tǒng)研究和調(diào)試過程中給予的及時(shí)幫助。謝辭四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。同時(shí)也可以設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤輸入電路，來完成各項(xiàng)參數(shù)的有效輸入。同時(shí)在對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識(shí)，使自己受益匪淺。通過本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)單片機(jī)應(yīng)用知識(shí)的掌握，同時(shí)了解了目前工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)字化系統(tǒng)的重要性，使我對(duì)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)過程有了全面地了解。數(shù)字測速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護(hù)方便，同時(shí)采用M/T數(shù)字測速方法，兼?zhèn)淞薓法和T法測速的優(yōu)點(diǎn)，有效地?cái)U(kuò)大了調(diào)速范圍。本設(shè)計(jì)采用采用了MCS51系列中的8031單片機(jī)，在此單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號(hào)是通過模擬光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級(jí)，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。結(jié)束語本設(shè)計(jì)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實(shí)際仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。 啟動(dòng)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。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖71 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等，因?yàn)樵诒敬卧O(shè)計(jì)中單片機(jī)代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設(shè)置參考前幾章各部分的參數(shù)。 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。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。定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序，它完成晶閘管觸發(fā)輸出和同步校正計(jì)算功能。定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序，它完成采樣時(shí)間定時(shí)和轉(zhuǎn)速脈沖周期測量計(jì)算功能。為了簡化程序，也可以使用程序詢問方式來讀入ADC0808的數(shù)據(jù)。在中斷返回前應(yīng)恢復(fù)現(xiàn)場使中斷的上級(jí)程序正確可靠地恢復(fù)運(yùn)行。 圖66 測速時(shí)間中斷服務(wù)子 程序框圖圖65 捕捉中斷服務(wù)子程序框圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖67所示。待測速時(shí)間計(jì)數(shù)器到達(dá)計(jì)數(shù)值，發(fā)出停止測速信號(hào)，再次開放捕捉中斷，到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿再到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)。按積分算法其差分方程為Cn=Cn1+K3en1設(shè)II單元放電流反饋值；IO單元放電流斷續(xù)臨界值，則其程序框圖如圖64所示?？紤]到上述兩項(xiàng)變化，平均整流電壓與平均整流電流間的傳遞函數(shù)由連續(xù)的變成斷續(xù)時(shí)的，其中R，是斷續(xù)時(shí)電樞回路的等效電阻，如果電流調(diào)節(jié)器已按連續(xù)情況設(shè)計(jì)好了，其傳遞函數(shù)為為了使系統(tǒng)在電流斷續(xù)時(shí)具有同樣的動(dòng)態(tài)性能，只有讓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)也隨著調(diào)節(jié)對(duì)象傳遞函數(shù)變更而改變才行，假設(shè)電流環(huán)其他部分傳遞函數(shù)沒有變化則電流斷續(xù)時(shí)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)應(yīng)滿足下列關(guān)系：考慮到電流連續(xù)時(shí)通常選擇TD=τ1,則有由此可見,電流斷續(xù)時(shí)要求電流調(diào)節(jié)器是一個(gè)積分環(huán)節(jié),因而電流斷續(xù)時(shí)要改變電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),使它和電流連續(xù)時(shí)相適應(yīng),使其動(dòng)態(tài)性能基本和電流連續(xù)時(shí)相同,這就稱為電流自適應(yīng)控制。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)情況不同，由于電感對(duì)電流的延緩作用已在一個(gè)波頭結(jié)束，平均電壓突變后，下一個(gè)波頭的平均電流便也立即隨電壓變化。（a）由于電流斷續(xù)時(shí)整流裝置外特性變陡，其等效內(nèi)阻大大增加，因此，使電流環(huán)調(diào)節(jié)對(duì)象總放大倍數(shù)下降。圖63 鎖零程序框圖（2）電流自適應(yīng)程序設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)一般是按電樞回路電流連續(xù)的情況來選取，然而當(dāng)系統(tǒng)輕載工作時(shí)，如果平波電抗器的電感量不太大，就會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。首先檢查下速度給定UGn和速度反饋UFn是否為零或者小于某臨界值n0，若不為零系統(tǒng)正常運(yùn)行。圖62 電流環(huán)中斷服務(wù)程序簡化框圖（1）鎖零單元程序設(shè)計(jì)為防止電機(jī)慢速爬行，一般模擬晶閘管都設(shè)有鎖零單元。圖62 位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序框圖 中斷處理程序設(shè)計(jì) 電流環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)它主要完成電機(jī)索零運(yùn)算、電流調(diào)節(jié)器PI運(yùn)算、輕載時(shí)電流自適應(yīng)的運(yùn)算。中值平均濾波首先要設(shè)有N次采樣值，排序后得X1X2…XN，去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的Y值中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均濾波的結(jié)合，即能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜。常有的數(shù)字濾波主要有三種，它們分別是算數(shù)平均值濾波、中值濾波和中值平均濾波。在數(shù)字測速中，硬件電路只能對(duì)編碼器輸出脈沖起到整形、倍頻的作用，往往用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序框圖如圖62所示。在數(shù)字控制算法中，要對(duì)u限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um,當(dāng)u(k)um時(shí)，便以限幅值um作為輸出。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了。式（63）表述的差分方程為位置式算法，u(k)為第k拍的輸出值。式子（61）的時(shí)域表達(dá)式可寫成 （62）其中，KP=Kpi為比例系數(shù)，KI=1/t為積分系數(shù)。 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì)在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。第6章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本調(diào)速系統(tǒng)的全部軟件包括主程序、子程序以及中斷處理程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 453jz3 = z4 = 由此可見,全部根都在單位圓內(nèi),所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其Gs（s）由圖513求之，它實(shí)際上是速度環(huán)的控制對(duì)象。若考慮速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,并加入比例微分負(fù)反饋,其結(jié)構(gòu)圖如圖511所示。圖中KSF是對(duì)1000r/min時(shí)，若令USF= , 則KSF = /（1000r/min）= 用計(jì)算機(jī)離線求出P陣，最后求出狀態(tài)反饋陣為K = R1BTP = [ , , ]（2） 速度調(diào)節(jié)器的求取引入狀態(tài)反饋后圖58可以畫成如圖59所示的框圖。0012。由于本系統(tǒng)只考慮快速性要求，即對(duì)x1 = n提出快速要求，對(duì)其他兩個(gè)狀態(tài)變量無要求，故Q作如下選擇。為了確保系統(tǒng)精度，在GLB(s)前面再串一個(gè)積分環(huán)節(jié)，則速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖如圖58所示。圖57求狀態(tài)反饋陣K程序框圖 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1） 速度環(huán)的狀態(tài)方程由圖55,再考慮加入給定濾波器（為了減少超調(diào)量）,則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為即Ki = , Ti = 。由于式(524)是矩陣方程，計(jì)算量大，為此設(shè)計(jì)一個(gè)專用程序，由已知A，B，Q，R陣求K陣。其中Q為nn正定或半正定對(duì)稱陣, R為mm正定或半正定對(duì)稱陣。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行為初態(tài)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到零時(shí)為平衡狀態(tài)，即當(dāng)速度給定突然變?yōu)榱銜r(shí)尋找制動(dòng)過程最優(yōu)控制律。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器。但是此時(shí)速度反饋來不及跟上速度給定，即Ugn＞Ufn，則ST仍然處于飽和限幅，故速度環(huán)工作在開環(huán)狀態(tài)，速度繼續(xù)上升，只有當(dāng)Ugn＜Ufn時(shí)，ST才退出飽和限幅，這時(shí)才真正構(gòu)成速度閉環(huán)，直到穩(wěn)態(tài)為止。上式利用Z變換終值定理有所以電流環(huán)在單位階躍輸入是無靜差的。圖56電流環(huán)采樣系統(tǒng)框圖則電流環(huán)閉環(huán)的脈沖傳遞函數(shù)為 （517）上式中DLT(z)為電流調(diào)節(jié)器的Z變換,為電流環(huán)控制對(duì)象的Z變換, 為調(diào)節(jié)對(duì)象和電流反饋傳遞函數(shù)積的Z變換, 即則有由上式可得特征方程為z4 – + z2 – z + = 0 （518）由計(jì)算機(jī)求解式（）的根為z1,2 = 177。 把以上參數(shù)代入式（513）和式（514）可得: （515） Ck =Ck1+ （516）由式（515）和式（516）可立即作出程序框圖,由計(jì)算機(jī)求解。 (510)(3) 電流調(diào)節(jié)器DLT(s)的求取為了使本系統(tǒng)電流環(huán)超調(diào)小,有好的動(dòng)態(tài)性能,我們采用二階最佳來設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反饋傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié): + 1將已求結(jié)果代入圖54,即可得到電流環(huán)最簡單結(jié)構(gòu)圖,如圖55所示。取TLF = 。圖54 簡化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖（1） 閘管傳遞函數(shù)一般三相橋式電路晶閘管最大失控時(shí)間在0∽,取其平均值,即T SCR=。 圖53 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來說，速度變化很緩慢。由式(52)、(55)和(56)可以作出電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，如圖52所示。（dn/dt） (53)ID IFZ = （GD2 / 375 Cμ）參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)為:電動(dòng)機(jī)電樞電阻: RD=電動(dòng)機(jī)電樞電感: LD=電抗器電阻: RP=電抗器電感: LP=整流變壓器直流電阻: RT