【正文】 在大多數(shù)綜合自動化系統(tǒng)中，自動化的電力拖動系統(tǒng)仍然是不可缺少的組成部分。由此可見，它與我們前面第三章所敘述的起動過程的轉速波形基本上是一致的，仿真結 果與理論分析較為吻合。 4． 起動過程電動機的轉速輸出仿真分析 圖 612 是模擬電動機的起動過程轉速 的仿真曲線。 實際工程上，一般要求 幅 值裕度 dBGm 6? ，相角裕度 deg40?mP 。 3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 內即可達到穩(wěn)定，可見它的響應速度也是非常快的，同樣，這也是我們設計此系統(tǒng)的原因之一。負載擾動可以通過轉速反饋得到比較及時的調節(jié)，抗擾性能大有改善。按照圖 67 分別在擾動信號作用點2 和 3 加階躍擾 動信號后進行仿真，它們的階躍響應曲線如圖 69a）和圖 69b）所示。對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。 2．轉速環(huán)的抗擾性能的分析 在分析了電流環(huán)的抗擾性能后，再來分析一下轉速環(huán)的抗擾性能。我們設計時要求超調小于 10%。可見電流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。 圖 64 電流閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結構圖 下 由圖 65 得出電流環(huán)的 頻域性能指標： 幅 值裕度： Gm =； 相角裕度： Pm = ； 幅值穿越頻率： Wcp = 1?s ； 剪切頻率： Wcg = 1?s 。 3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 內即可達到穩(wěn)定，可見它的響應速度是非?？斓?，這也是我們設計此系統(tǒng)的原因之一。對于電流環(huán)，通過上面 的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點： 1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，抗擾性能大有改善?？梢?，系統(tǒng)的跟隨性能是很好 的。我們知道超調量可以反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調量越小，相對穩(wěn)定性越好，由此可見電流環(huán)還是比較穩(wěn)定的。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 仿真 一 .電流環(huán)的仿真 1．電流環(huán)的輸出特性分析 圖 61 電流環(huán) Simulink 動態(tài)結構圖 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 37 由圖 62 可以看出超調量 %?? ，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間 st p ? ，非常短，電流立即下降至恒定并在 內響應即結束，這樣的階躍響應是很理想的。所以，應按 ASR 退飽和的情況重新計算超調量。取內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 36 ???400R ，各電阻和電容值計算如下 ?????? nn ，取 ???900nR FFRC nnn ?? 3 ???? ，取 FCn ?? FFRTC onon ? 30 ????? ，取 FCon ?? 6． 校核轉速超調量 當 h=5 時，查附表 3 得 %?n? ,不能滿足 %10?n? 。 ② 校驗轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件是否滿足 on I ssTK ???? ?? 11 滿足近似條件。其傳遞函數(shù)為 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 35 ssKW nnnA SR ?? )1( ?? 式中 nK —— 轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。 二．轉速環(huán)的計算 1. 確定時間常數(shù) ① 電流環(huán)等效時間常數(shù)IK1 由 ??iITK 知 ssTK iI ???? ? ② 轉速濾波時間常數(shù) onT sTon ? ③ 轉速環(huán)小時間常數(shù) nT? sTKT onIn 018 ?????? 2． 轉速調節(jié)器選擇結構 按照設計要求，選用 PI 調節(jié)器，生產(chǎn)工藝一般要求轉速調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時為無靜差，動態(tài)性能具有良好的抗擾性能。 ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 34 cioiS TT ????? 131131 滿足近似條件。 檢查對電源電壓的抗擾性能 ??? iTT L 3． 計算電流調節(jié)器參數(shù) ① 電流調節(jié)器超前時間常數(shù) : sTLi ??? ② 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 ?i ≤5%，按附表 1，應取 IK iT? =，因此 ?? ??? ssTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?? ???? ??S iIi K RKK ③ 代入數(shù)據(jù)得到電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 sssW A C R )()( ?? 4． 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ici? ① 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 ciS sT ????? ? 13 1 滿足近似條件。因此按典型 I 型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。從動態(tài)上看，希望在啟動過程中電流不要超過允許值，也不要有超調量，或者超調量越小越好。 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 32 第六章 參數(shù)整定以及仿真 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿 真的相關數(shù)據(jù) 直流電機的主要參數(shù)如下： 額定電壓： 220?eU V 額定電流： ?eI A 額定轉速： 1500?en r∕min 電勢系數(shù)： ?eC ∕r 允許過載倍數(shù) ?? ,晶閘管放大倍數(shù) 60?sK 電流反饋系數(shù)： ?? V∕A 轉速反饋系數(shù)： ?? V 電磁時間常數(shù)： ?LT s 機電時間常數(shù)： ?mT s 電樞回路總電阻： ?? 轉速濾波時間常數(shù)： ?onT s 電流濾波時間常數(shù)： ?oiT s 中頻寬： h=5，超調量： %5?i? PI 控制算法的參數(shù)整定 一 .電流環(huán)的計算 1． 確定時間常數(shù) ① 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts， 三相橋式電路的平均失控時間： Ts=? ② 電流濾波時間常數(shù) oiT ： sToi ? ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 iT? ,按小時間常數(shù)近似處理，取 sssTTT oiSi ?????? 2． 選擇電流調節(jié)器結構 根據(jù)設計要求電流超調量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，在根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定把電流環(huán)校正成哪一類系統(tǒng)。也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。 Simulink 是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別對于復雜的非線性，它的效果更為明顯。系統(tǒng)也能夠是多采樣頻率的 （ Multiarte） ，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率結合起來。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“ Simu” ，一詞表明它可以用于計算機仿真，而“ Link”一詞表明它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統(tǒng)模型。它將不同數(shù)學分支的算法以函數(shù)的形式分類成庫，使用時直接調用這些函數(shù)并賦予實際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準確。因而如何獲得實際系統(tǒng)的數(shù)學模型是對實際系統(tǒng)進行仿真的一個重要環(huán)內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 31 節(jié)。 系統(tǒng)仿真的基礎是建立在數(shù)學模型上的。其工作過程一般是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；建立系統(tǒng)的仿真模型，即設計算法，并轉化為計算機程序，使系統(tǒng)的數(shù)學模型能為計算機所接受并能在計算機上運行；運行仿真模型，進行仿真試驗，再根據(jù)仿真試驗的結果。計算機仿真的三個基本要素是系統(tǒng)、模型和計算機，聯(lián)系著 它們的三項基本活動是模型建立、仿真模型建立（又稱為二次建模）和仿真試驗。 隨著計算機的發(fā)展，仿真的發(fā)展經(jīng)歷模擬仿真、混合仿真、數(shù)字仿真的歷史過程。 一般地說，系統(tǒng)可以分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，這些系統(tǒng)按時間變量的不同又可以分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，它們各有不同的描述。簡單地說，仿真是建立相應物理系統(tǒng)的數(shù)學模型在計算機上解算的過程。目前，已成為工程領域中較常用的軟件工具包之一。實際上客觀世界中 任何連續(xù)系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)或連續(xù) /離散事件混合系統(tǒng)在一般情況下都可以建立數(shù)學模型。本章就是對轉速﹑電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計過程。 TFKCb 22? (419) 且有 meTCRK ?2 (420) nTT ?? (421) 而 dldm IIF ?? (422) 故 mnNmedldmnb TTnzTC IIRTn ?? ?????? )(2)(2 ? (423) 轉速環(huán)與電流環(huán)的關系 外環(huán)的響應比內環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。 圖 48 含給定濾波和反饋濾波的 PI型轉速調節(jié)器 與電流調節(jié)器相似，轉速 調節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關系為 0RRK nn ? (416) nnn CR?? (417) onon CRT 041? (418) 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 29 5． 轉速調節(jié)器退飽和時轉速超調量的計算 電動機在起動過程中轉速必然超調，但這時的超調是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調，即“退飽和超調”。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關系，由 hT?? 有 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 28 nn hT??? (413) 再由 K=222 1Thh? 得 222 1nN ThhK ??? (414) 因此 nmen RTh TChK??? ??2 )1( (415) 4． 轉速調節(jié)器的實現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉速調節(jié)器原理圖如圖 48 所示。由此可見， ASR 也應該采用 PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 )1( ?? ssKW nn nA SR ?? (412) 式中 Kn —— 轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉速調節(jié)器的超前時間系數(shù)。 圖 46 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)小慣性的近似處理 為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中（見圖 46） 。 根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易 的導出 0RRK ii ? (45) iii CR?? (46) oioi CRT 041? (47) 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 26 圖 45 含給定濾波和反饋濾波的 PI型電流調節(jié)器 轉速調節(jié)器的設計 1． 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù))(sWcli 。 內蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設計說明書 25 圖 44 校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性 3． 電流調節(jié)器的參數(shù)計算 由式 (41)可以看出電流調節(jié)器的參數(shù)是 Ki 和 i? ，其中 i? 以選定，見式 (42)， 待定的只有比例系數(shù) Ki ,可根據(jù)題目所要求的電流超調量 %5?i? ，由附表 1，可選 ?? ， ??iITK ，則 RKKK i siI ? ?? (43) 再利用式 (43)和 (42)得到 )(22 ilsis li TTKRTK RTK ?? ?? ??