【正文】 速 = 1000 r/min ，在弱磁升速時(shí)最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min ，電機(jī)的電動(dòng)勢常數(shù) = 。該調(diào)速系統(tǒng)采用開環(huán)控制，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和分析：開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型是根據(jù)其傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)圖搭建的，在本例實(shí)驗(yàn)仿真中，按照各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)設(shè)置仿真系統(tǒng)的參數(shù)，根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，傳遞函數(shù)圖 ：圖 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 開環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖靜態(tài)特性分析：在電流連續(xù)的情況下，因?yàn)殡姌谢芈返碾娏髯鳛樨?fù)載擾動(dòng)所引起的額定轉(zhuǎn)速降為：= 140*（）在電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的情況下，系統(tǒng)的靜差率： = (1000+) = % 式 （）若要滿足調(diào)速系統(tǒng)在靜差率s = 5% 情況下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍D = 20 的要求，此時(shí)的轉(zhuǎn)速降需要： = 1000*(20*()) = r/min 式 （）明顯可以看出，即使在額定轉(zhuǎn)速時(shí)都不能滿足靜差率的要求；而要滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求，顯然需要額定轉(zhuǎn)速降減小到原來的3%左右。動(dòng)態(tài)特性分析：已知電源的放大系數(shù)Ks = 44 ,系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)GD^2 = 90 ^2， 。跟蹤通過給定控制傳遞函數(shù) 式 （）負(fù)載擾動(dòng)控制傳遞函數(shù) 式 （）當(dāng)滿載時(shí)，即IL = IdN = 140 A時(shí)，轉(zhuǎn)速從零到額定轉(zhuǎn)速階躍啟動(dòng)時(shí)的跟蹤性能過渡過程，t = s時(shí)，超調(diào)量 式 （）通過觀察仿真結(jié)果圖可估算出，調(diào)節(jié)時(shí)間（取95%穩(wěn)態(tài)值時(shí)） 。把IdL用Step模塊進(jìn)行設(shè)置，名稱改為“階躍信號(hào)”,在系統(tǒng)中作為擾動(dòng)信號(hào)，且在0 3 s之間，其幅值大小為0，而3 10 s之間，其幅值大小為140，然后進(jìn)行仿真模型的連接搭建，Transfer Fun模塊需要兩個(gè)，其中參數(shù)按照上述的傳遞函數(shù)中的參數(shù)設(shè)定。：圖 開環(huán)系統(tǒng)仿真模型圖仿真模型搭建完成后，運(yùn)行該仿真系統(tǒng)，雙擊示波器即可打開觀看到轉(zhuǎn)速的波形圖，如圖 所示：通過觀察轉(zhuǎn)速波形圖可以明顯的看到，在3 s 的時(shí)候轉(zhuǎn)速有明顯的下降波動(dòng)，這是因?yàn)樵?秒時(shí)，擾動(dòng)階躍信號(hào)起作用，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此開環(huán)系統(tǒng)只能在一些對(duì)轉(zhuǎn)速要求不是很精確的場合使用。這種開環(huán)控制并不能很好的實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從仿真結(jié)果圖中可以看到，系統(tǒng)的上升時(shí)間很長。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖，參數(shù)的計(jì)算與設(shè)計(jì)：勵(lì)磁電壓Uf = 220 V ，勵(lì)磁電流If = A ，p = 2 ，在恒擬定磁場控制條件下的勵(lì)磁電感近似取值為零。 圖 3. 5開環(huán)系統(tǒng)電氣原理仿真圖選擇三個(gè)交流電源模型：SimPowerSystems Electriacl Sources Sources ，直接進(jìn)行拖拽連接；參數(shù)設(shè)置：電壓幅值Peak anplitude(V):220 ,初始相位分別為Phase (deg): 0 ；120 ；240 ,頻率Frequency(Hz):50 。雙擊該模塊打開屬性設(shè)置窗口進(jìn)行橋路相關(guān)屬性的設(shè)置，：圖 橋路屬性參數(shù)設(shè)置圖直流電機(jī)模型的選擇：SimPowerSystems machines DC machines , 直流電機(jī)固有參數(shù)是以實(shí)際電機(jī)的銘牌標(biāo)示的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的。 A+和A :電機(jī)的電樞回路控制端口，在單環(huán)和雙環(huán)系統(tǒng)中與控制回路路相連接，主電路連接是一致的。M ：直流電動(dòng)機(jī)信號(hào)的輸出端、測試端，包括輸出轉(zhuǎn)速 ，單位是轉(zhuǎn)每秒,電機(jī)的電樞電流Ia ，單位是安培，電機(jī)的勵(lì)磁電流If ，單位也是安培 ,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te ，單位數(shù)牛米。Field resistance and inductance [Rf (ohms) Lf (H) ]：勵(lì)磁回路電阻（Ω）和電感（H）。Viscous friction coefficient Bm (N*m*s)：粘滯摩擦系數(shù)(N*m*s)。Initial speed (rad/s) :初始速度。AB、BC、CA分別接三相交流電，alpha_deg的給定為50 。其屬性參數(shù)設(shè)置如圖 ：圖 六脈沖出發(fā)裝置參數(shù)屬性設(shè)置圖直流電機(jī)的測試端m端與Demux連接，這里需要設(shè)置Demux的屬性，將Mux blocks used to create bus signals:設(shè)置為error。進(jìn)行仿真，運(yùn)行調(diào)試后的仿真結(jié)果，直流電機(jī)的m端輸出四個(gè)量，分別為轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩，：圖 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波形圖圖 直流電機(jī)仿真結(jié)果顯示圖4 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 基于傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真在上一章分析了開環(huán)系統(tǒng)存在問題，想要更好地優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般在工程中通常不會(huì)采用開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)的性能要更好些，所以工程中多會(huì)采用閉環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)中作為反饋環(huán)的有轉(zhuǎn)速環(huán)反饋、電流環(huán)反饋，例如轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)讀電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在閉環(huán)調(diào)速一般采取電流和轉(zhuǎn)速、位移的負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)，根據(jù)反饋的方式和參數(shù)的不同來為系統(tǒng)分類，通?？煞譃殡娏鞣答?、轉(zhuǎn)速反饋、電壓反饋、位移反饋系統(tǒng)等。在一些電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域，對(duì)調(diào)速性能會(huì)有非常高要求，通常會(huì)使用直流電動(dòng)機(jī)加上一些控制電路作為動(dòng)力源。在本章節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速的建模設(shè)計(jì)中，是采用比例積分控制的速度負(fù)反饋調(diào)節(jié)器來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因?yàn)槿绻徊捎帽壤{(diào)節(jié)而不與積分調(diào)節(jié)相配合的話，速度負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)是會(huì)存在比較大靜差的,實(shí)際的工程應(yīng)用系統(tǒng)中為了減小調(diào)速系統(tǒng)的靜差，達(dá)到提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的目的，通常在實(shí)際系統(tǒng)仿真中使用積分調(diào)節(jié)器與比例調(diào)節(jié)器相互配合。在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要想提高靜態(tài)性能指標(biāo)，就要提高系統(tǒng)的靜特性硬度，也就是要求轉(zhuǎn)速在受到擾動(dòng)時(shí)或負(fù)載電流變化時(shí)基本保持不變。對(duì)第三章的例題進(jìn)行優(yōu)化，該工程中的調(diào)速系統(tǒng)使用橋式整流裝置，在該調(diào)速系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)分別為：放大系數(shù)為： = 44 ，電磁時(shí)間常數(shù)為： = s ，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)為： = s ，滯后時(shí)間常數(shù)為： = s 。再電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)所相對(duì)應(yīng)的給定電壓為： = 10V 。分析： = r/min ，在開環(huán)系統(tǒng)中已經(jīng)求解過 ，而開環(huán)放大倍數(shù)為：Kol = αKpKs/Ce = ，可求得閉環(huán)速降為： = /(1+Kol) = ，已知要求靜差率s 5% ,可求得調(diào)速范圍D = 20 ，滿足工程中對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性：閉環(huán)傳遞函數(shù)： 式 （）該系統(tǒng)是一個(gè)三階系統(tǒng)，其特征數(shù)學(xué)方程式的一般表達(dá)式為： 式 （）根據(jù)勞斯判據(jù)，該系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是特征方程式的系數(shù)的a0 、a1 、a2 、a3 均大于零。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型的搭建，然后打開系統(tǒng)中的各個(gè)模塊的屬性設(shè)置，打開模塊的屬性參數(shù)設(shè)置窗口，從上面分析過程，對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再通過仿真調(diào)試，得到的結(jié)果為=，1/ = 。圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型運(yùn)行結(jié)果及分析：運(yùn)行仿真模型，雙擊Scope示波器觀察，可以看得到仿真結(jié)果的波形圖：下部分為轉(zhuǎn)速波形圖，上部分為電流波形圖，： 轉(zhuǎn)速、電流波形圖 Kp = Ki = 0 轉(zhuǎn)速、電流波形圖 Kp = 0 、Ki = 轉(zhuǎn)速、電流波形圖 Kp = 、Ki = 對(duì)這個(gè)通過比例積分控制器進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試分析，從仿真結(jié)果可以得出一些結(jié)論，在本次的基于比例積分控制的PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中，比例積分調(diào)節(jié)器中只用到PID調(diào)節(jié)器中的PI環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并沒有用到其中的微分環(huán)節(jié)。分別改變Kp和Ki的值，運(yùn)行系統(tǒng)并觀察轉(zhuǎn)速電流波形圖可得：當(dāng)Kp = ,Ki = ，效果比較好，并且穩(wěn)定時(shí)間也比較短，經(jīng)過一次振蕩之后就基本上穩(wěn)定了，在3s時(shí)負(fù)載的擾動(dòng)后起到的影響也小。這比我們額定的轉(zhuǎn)速1000n/min小得多。所以轉(zhuǎn)差率s=，并且比我們所希望轉(zhuǎn)速也比較遠(yuǎn)，因此不選擇其他Kp和Ki值，雖然其超調(diào)等比較好。隨著Kp值的減小系統(tǒng)的靜差率會(huì)增大，靜差率越大系統(tǒng)的調(diào)速性能也就越不好，輸出與給定之間的差值較大。所以在綜合超調(diào)量、上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差等因素之后，我們選擇當(dāng)Kp = ，Ki = 。本次單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)用比例積分環(huán)調(diào)節(jié)器作為控制器，通過計(jì)算或調(diào)試設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)和積分系數(shù)，改變比例積分環(huán)節(jié)的參數(shù)，分別調(diào)試出仿真結(jié)果的波形圖，分析比較系統(tǒng)的超調(diào)量和靜差率，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和抗干擾性得出比較理想的系統(tǒng)模型。隨著Kp系數(shù)的增大調(diào)速系統(tǒng)的上升時(shí)間也就越短，即響應(yīng)速度越快，Kp數(shù)值越大調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高。但是Kp系數(shù)取值如果太小的話，調(diào)速系統(tǒng)整體的調(diào)節(jié)精度也會(huì)隨之降低，系統(tǒng)的上升時(shí)間變長即響應(yīng)速度變小，調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)越長，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能及穩(wěn)定性都會(huì)受到不良的影響。隨著Ki系數(shù)的增大調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也就越小，出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)誤差消除的速度也就越快。如果Ki系數(shù)越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差很難被消除，系統(tǒng)整體的調(diào)節(jié)精度也會(huì)隨之減小。 基于電氣原理圖的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真該系統(tǒng)的基于電氣原理圖的仿真是建立在上一章的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣仿真上的，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣仿真，其實(shí)現(xiàn)過程也是是依據(jù)系統(tǒng)原理圖建立電氣模型圖，將整個(gè)系統(tǒng)中的子模塊分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和電氣連接，本次轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只需要從輸出的轉(zhuǎn)速中引出一反饋環(huán)節(jié)，只需要對(duì)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置即可，在本章上一節(jié)中有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，可拿來稍做