【正文】 310） 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 0 en dld e dcs s sCU IRU C n I RU K K K?? ??? ? ?? ? ? （ 311） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 nU? 決定， ASR 的輸出量 iU?是由負(fù)載電流 dlI 決定的，而控制電壓 cU 的大小則同時取決于 n 和 dI ，或者說，同時取決于 nU? 和 dlI 。這樣是下垂特性只適合于 n 0n 的情況，因?yàn)槿绻?n 〉 0n ,則 nU 〉 nU? ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ,這時 ,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時 ,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 imU? ,這時 ,電流調(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) .這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。與此同時，由于 ASR 不飽和， iU? imU?可知 dI dmI ，這就是說， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0 一直延續(xù)到 dI = dmI 。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總為零。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般 存在兩種狀況 ：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。這就形成了轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。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)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動 ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化 ,從而校正和補(bǔ)償電動機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。電動機(jī)的最大電流 (堵轉(zhuǎn)電流 )可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。 (b）恢復(fù)時間 ft 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2C? 之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量 bC 的 5? ﹪ (或 2? ﹪ )范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間 ft ，其中 bC 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間： 圖 典型的抗擾過程 (a）動態(tài)降落 maxC? ﹪ 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負(fù)載擾 動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 maxC? ﹪ 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1C? 的百分?jǐn)?shù)來表示。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 5? ﹪ (或 2? ﹪ )的范圍作為允許誤差帶，以響 應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間 。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、 超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間： (a）上升時間 rt 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第 一次上升到穩(wěn)態(tài)值 C? 所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖 。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。 1) 跟隨性能指標(biāo) 在給定信號（或稱參考輸入信號） ()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(biāo)來描述。 2 動態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動態(tài)性能指標(biāo)。脫離了對靜差率的要求。 圖 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率 事實(shí)上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在 1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 時也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時，電動機(jī)就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。對于圖 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落 1edn? = 2edn? ，但由于02 01nn? ，因此 21ss? 。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。 靜態(tài)性能指標(biāo) 1） 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 3 2） 2） 靜差率 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要 求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參 量的關(guān)系和用式（ 3— 1）表示 ???eKIRUn （ 31） 式中 ： n 為電動機(jī)轉(zhuǎn)速， U 為電樞供電電壓， I 為電樞電流， R 為 電樞回路總電阻，單位為 ? ， eK 為 由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢系數(shù)。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。 ，不能充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過渡過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。把交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端 ,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用 ,反而會產(chǎn)生干擾 ,嚴(yán)重時會造成放大器局部飽和 ,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。 (2)脈動電流 (斜波電流 ) 流入電源 ,對電網(wǎng)不利 ,同時也 增加電機(jī)的發(fā)熱。 方案論證 方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時 整流電路的脈波數(shù) m = 2 ,3 ,6 ,12 ? 其數(shù)目總是有限的 ,比直流電機(jī)每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。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)器一般都采用具有輸 入輸出限幅功能的 PI 調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。因轉(zhuǎn)速 環(huán) 包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 ACR 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR。在電動機(jī)軸上裝一臺測速發(fā)電機(jī) SF ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 fU 與給定電壓 dU 比較后 ,得偏差電壓ΔU ,經(jīng)放大器 FD ,產(chǎn)生觸發(fā)裝置 CF 的控制電壓 kU ,用以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,如圖 所示 。 編制模糊算法的應(yīng)用程序進(jìn)行合成運(yùn)算，判決得 到 模糊控制表。 c)加權(quán)平均法 5．確定控制策略 根據(jù)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出控制規(guī)則。 選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量。 確定各元素的隸屬度 精確量與模糊量的相互轉(zhuǎn)換 (1)模糊化方法 將精確量 (數(shù)字量 )轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱模糊化。 (2)定義各模糊變量的模糊子集 定義一個模糊子集，實(shí)際上是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀，將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì) (1)選擇描述輸入和輸出變量的詞集 ， FUZZY控制器的控制規(guī)則 表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入、輸出變量狀態(tài) 的一些詞匯的集合稱為這些變量的詞集。而絕大多數(shù)模糊控制器的可調(diào)整參數(shù)都遠(yuǎn)大于三個 (輸入及輸出模糊集的數(shù)目及形狀、 模糊規(guī)則等 )，在控制非線性，時變或大 延 時 系統(tǒng)的 性能優(yōu)于 PID控制器。目前全世界 90％的工業(yè)過程 是 PID控制器實(shí)現(xiàn) 的， PID控制器有效地控制線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)或帶 延 時的系統(tǒng) 。 模糊輸出量是不能直接去控制執(zhí)行部件的，在這確定的輸出范圍中，要確定一個最具有代表性的值作為真正的輸出控制量。根據(jù)事先已制定好的一組模糊條件語句構(gòu)成的模糊控制規(guī)則，運(yùn)用模糊數(shù)字理論對模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理，根據(jù)模糊規(guī)則對輸入的一系列條件進(jìn)太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 行綜合評價，以得到一個定性的用語言表示的量，即模糊輸出量。由此才能用檢測到的輸入量作為模糊控制規(guī)則中的條件來運(yùn)用模糊規(guī)則進(jìn)行推理。 由分析可知模糊邏輯控制的過程主要有三步： 第一步：模糊化過程。 2)對模糊量由給定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理 。 模糊控制系統(tǒng)的組成 一般常用 FUZZY控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖 。第一，模糊控制在許多應(yīng)用中可以有效便捷地實(shí)現(xiàn)人的控制策 略和驗(yàn)收。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 模糊控制的基本理論 模糊控制的理論基礎(chǔ) 模糊邏輯控制就是使計(jì)算機(jī)具有活性和智能的一種新穎的智能控制方法。單純的數(shù)字仿真，幾乎已經(jīng)無法進(jìn)行運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，而必須應(yīng)用包括分析、比較、自動尋優(yōu)、檢驗(yàn)等都在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的整個設(shè)計(jì)過程， MATLAB 因其含有極為豐富的專用于控制工程與系統(tǒng)分析的函數(shù)，且提供方便的圖形功能，它已成為國際 控制界應(yīng)用最廣的語言和工具 ， 在MATLAB 提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink 中 ， 對系統(tǒng)進(jìn)行建模將變得非常簡單 ， 而且仿真過程是交互的 ， 因此 ， 可以很隨意地改變仿真參數(shù) ， 并且立即可以得到修改后的太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 仿真結(jié)果 。 仿真技術(shù)介紹 現(xiàn)代電力拖動控制技術(shù)已經(jīng)不再是一些電控設(shè)備的簡單應(yīng)用，它已成為電工、自動控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電力電子學(xué)、數(shù)字仿真與 CAD 等多門學(xué)科互相交叉的新興學(xué)科。在 80年代后期，模糊控制理論進(jìn)入了發(fā)展期，包括美國在內(nèi)的世界各國在模糊控制理論和 模糊控制產(chǎn)品的不斷發(fā)展和不斷更新。自從 Mamdani教授 1974年首先將模糊理論用于蒸汽機(jī)和鍋爐的控制，開創(chuàng)模糊控制的先河。由于存在眾多權(quán)威人士的反對，模糊理論在它的發(fā)源地美國的發(fā)展相當(dāng)緩慢。當(dāng)時提出反對模糊集理論主要有兩個理由：一是認(rèn)為模糊隸屬度函數(shù)的確定具有主觀 臆斷性和人為經(jīng)驗(yàn)技巧色彩，沒有嚴(yán)格的系統(tǒng)方法，因而是不可靠的。自從扎德 1965年發(fā)表了首篇有關(guān)模糊集理論的論文來，模糊理論和模糊控制開始了它的艱難歷程。改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。與傳統(tǒng)控制器依賴于系統(tǒng)行為參數(shù)的控制器設(shè)計(jì)方法不同的是模糊控制器的設(shè)計(jì)依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)。模糊 邏輯 控制就是使計(jì)算機(jī)具有活性和智能的一種新穎的智能控制方法。結(jié)果 卻 發(fā)現(xiàn)一個復(fù)雜的 控制系統(tǒng)，可由一 個操作人員憑著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到滿意的控制效果。 模糊控制的發(fā)展?fàn)顩r 以往各種傳統(tǒng)控制方法均是建立在被控對象的精確數(shù)學(xué)模型之上的，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，將難以建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型和滿足實(shí)時控制的要求。 (3)網(wǎng)絡(luò)化 大規(guī)模多機(jī)協(xié)同工作的高度自動系統(tǒng)，需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動設(shè)備及控制器作為一個節(jié)點(diǎn)連到現(xiàn)場總線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)集中或分散的生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控。 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢為： (1)高頻化 在功率驅(qū)動裝置中，低頻的半控器件（ 晶閘管 ）在中小功率范圍將會被高頻的全控器件（ 大功率晶體管 ） 所代替，既可提高系統(tǒng)性能又可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，特別是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動機(jī)拖動將有逐 步被交流電動機(jī)拖動所取代的趨勢，特別是在高精度位 置伺服控制系統(tǒng)。從機(jī)械特性上看 ,就是通過改 變電動機(jī)的參數(shù)或外加 電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性的交點(diǎn) ,使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。仿真結(jié)果表明，用模糊控制方法得到的轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器參數(shù)比傳統(tǒng)的工程整定方法得到的參數(shù)控制性能好 ， 響應(yīng)快，過渡過程時間短 ， 基本無超調(diào)。 另外本文還 將模糊控制應(yīng)用于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)出模糊轉(zhuǎn)速控 制器，并與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)凋速系統(tǒng)進(jìn)行比較。 教研室 意見 教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字： 年 月 日 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 目 錄 摘 要 .........................................................................................