【正文】 ...............................19 速度環(huán)的設(shè)計 .........................................................................................................................................21第五章 基于 MATLAB/SIMULINK 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計 .........................................................................22 MATLAB/SIMULINK 簡單介紹 .........................................................................................................................22 雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 ....................................................................................................................23 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 .................................................................................................................25結(jié) 論 .........................................................................................................................................................................27參考文獻 ...................................................................................................................................................................28致 謝 .....................................................................................................................................................................291第 1 章 緒 論 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機械都采用電動機做原動機。按照傳動電動機的類型來分，電氣傳動油直流傳動和交流傳動兩大類。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為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，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)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。為后面研究直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)，雙閉環(huán)特性做基礎(chǔ)。第三部分為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)部分，完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)控制特性研究，并進行相關(guān)設(shè)計分析。3第 2 章 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管整流技術(shù)晶閘管是 PNPN 四層三端器件,分別命名為 pnpn2 四個區(qū)，共有三個 PN 結(jié)。圖 21 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)及圖形符號當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，這時不管控制極的信號情況如何，晶閘管都不會導(dǎo)通。只有當(dāng)在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓時，在控制極與陰極之間加正向電壓，晶閘管才會導(dǎo)通。整流是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟姽┙o直流用電設(shè)備。本論文主要以三相全控整流電路作為可控直流電源供給直流電動機。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號，共陰極的一組為 VTVT3和 VT5，共陽極的一組為 VTVT4 和 VT6。圖中 VT 是相控整流器，通過觸發(fā)器裝置 GT 的控制電壓 來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出整流電壓 ，從而實現(xiàn)直流電動*nU dU機的平滑調(diào)速。如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，瞬時電壓平衡方程： （）dtiLRiEud??0式中 E 為電動機反電動勢；i d 為整流電流瞬時值；L 為主電路總電感；R 主電路等效電阻；對 ud0 進行積分，即得理想空載整流電壓平均值 Ud0 。Ud0 與觸發(fā)脈沖相位角 ? 的關(guān)系因整流電路5的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，U d0 = f (?) 可用下式表示： （）amUdcosin0??式中 a 為從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；U m 為 ? = 0 時的整流電壓波形峰值；m 為交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于三相全波整流電路，其中 U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值，U m= ，m=6， 。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。式（ ） 等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍如觸發(fā)脈沖相位控制中所述。圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式（）已經(jīng)不適用了。圖 電流連續(xù)時 VM 系統(tǒng)的機械特性（2）電流斷續(xù)情況：當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。l?（3）電流斷續(xù)機械特性計算：當(dāng)阻抗角 ? 值已知時，對于不同的控制角 ?，可用數(shù)值解法求出一組電流斷續(xù)時的機械特性。對應(yīng)于 ? = 2?/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。在斷續(xù)特性比較顯著的情況下，可以改用另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性。一般可近似的只考慮連續(xù)段。Δn= IdR/Ce，Δn 取決于電樞7回路電阻 R 及所加的負(fù)載大小。如果生產(chǎn)機械對靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，再穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運行停止時要求的定位精度等等。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地(有級)或平滑地(無級)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的速度波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。這兩個指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。（2）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落△n ，與N理想空載轉(zhuǎn)速 n 之比，稱作靜差率 s，即0 s= ()0nN?顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍 D=3～ 10 時，保證靜差率 s≤%～%。9第 3 章 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析 單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。由于反饋的作用，系統(tǒng)可以自行調(diào)整轉(zhuǎn)速，這種方式也稱為反饋控制。在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電動 TG，引出與輸出量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 Un，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un*進行比較，得到偏差電壓 ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生驅(qū)動或觸發(fā)裝置的控制電壓 ，去nU? ct控制電動機的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由圖可見，該系統(tǒng)由電壓比較環(huán)節(jié)、放大器、晶閘管整流器與觸發(fā)裝置、直流電動機和測速發(fā)電機等部分組成。這樣，圖 31 所示單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系為：電壓比較環(huán)節(jié)： nnU???* ，放大器： nPcUK?? ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： csdUK?0 ，晶閘管整流器與觸發(fā)裝置： sd0，VM 系統(tǒng)開環(huán)機械特性： CeRIn?，測速發(fā)電機： n??以上各關(guān)系式中： ——放大器的電壓放大系數(shù)； pKKs——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的等效電壓放大倍數(shù)； ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，單位為 Vmin/r；? ——電機反電勢系數(shù)；eC根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系可以畫出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。運用結(jié)構(gòu)圖的計算方法，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式： n= ())1(*KCeUnsp?)(eRId式中, ——閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系(倍)數(shù)。(2) 從前面對于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K 值對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。但是，當(dāng)放大器只是比例放大器(Kp 為常數(shù))，穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除，因為 ())1(KCRInedc???只有當(dāng) K= 才能使 ，而這是不可能的。這種系統(tǒng)正是依靠偏差來保證實現(xiàn)控制作用的。對于自動控制crcr系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。對于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動態(tài)性能可能較差。將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器之后，不僅改善了動態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。 PI 調(diào)節(jié)器如果既要穩(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，13這便是比例積分控制。圖 34 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器1．PI 輸入輸出關(guān)系按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得 （）??????dtUKdtUCRUininpininex ?11001式中 為 PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)； 為 PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。2. PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件為零時，取式（）兩側(cè)的拉氏變換，移項后，得 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。14第 4 章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及特性和設(shè)計 雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的問題的提出反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能