【正文】 要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。但它只是在超過臨界電流 值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流dcrI的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。這樣的理想起動過程波形如圖41b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以dmI保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。在啟動時，加入給定電壓 U*n， “速度調(diào)節(jié)器 (ASR)”，和“電流調(diào)節(jié)器(ACR)”，以飽和限幅值限幅值輸出，使得電動機以限定的最大啟動電流加速啟動，直到電動機轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速，并在出現(xiàn)超調(diào)后，ASR 和 ACR 退出飽和，最后穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速下運行。 ACR 的輸出作為“ 觸發(fā)電路 ”的控制電壓 Uc，利用 ACR 的輸出限幅可以限制整流橋的最大導(dǎo)通角 αmax。（2） ACR 的作用：在電動機起動時，保證獲得最大電流，起動時間短，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 U*i 變化；當(dāng)電動機過載甚至堵時，限制電樞電流的最大值，起到安全保護作用，在故障消失后，系統(tǒng)能夠自動回復(fù)正常；對電網(wǎng)電壓波動起快速抑制作用。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。該雙閉環(huán)系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR 一般采用PI 調(diào)節(jié)器。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。一般存在兩種狀況：飽和— —輸出達到限幅值；不飽和——輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI 作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)態(tài)時總是為零。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。由 ，且ASR不飽和 得：diiIU?* *imiU??，說明n 0A段靜特性從 (理想空載狀態(tài) )一直延續(xù)到 ，而 一般都大于dmI??dI dmI?d額定電流 的。雙閉環(huán)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 時表現(xiàn)為dmI轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。圖 45 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特19 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)分析U*n? UctIdLnUd0Un+? UiWASR(s) WACR(s) Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*i Id1/Ce+E圖 46 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中 和 分別表)(sWASR)(sACR示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。dI一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。其中動態(tài)抗擾性能對于調(diào)速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。（二） 動態(tài)抗擾性能：1．抗負(fù)載擾動：由圖 46 可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。為了減少動態(tài)速降(速升 )，所以要求 ASR 具有較好的抗擾性能。如圖 46 所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動 和dU??20負(fù)載擾動 都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗dLI擾效果是一樣的。而電網(wǎng)電壓擾動作用在離被調(diào)量n 更遠的位置，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 不能及時對它進行調(diào)節(jié)，但是因為它作用在被電流負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，使電壓波動可以直接通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能高。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)*iU節(jié)器ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個階段。突加給定電壓 后，通過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作*nU用，使 、 、 都上升，但是在 沒有達到負(fù)載電流 之前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器dLI?ASR的輸入偏差電壓 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 ，強迫電nnU???* *imU樞電流 迅速上升。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽。恒流升速階段是起動過程中的主要階段。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E是一個線性漸增的擾動量（圖47） 。當(dāng)ACR 采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， 應(yīng)略低于 。3，第 III 階段（t 2 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，輸出電壓 和主電流 也因而下降。直到 = 時，轉(zhuǎn)矩 = ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才能到達LeTL峰值。圖 47 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的三個特點：1．飽和非線性控制：當(dāng) ASR 飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR 不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。3．轉(zhuǎn)速超調(diào)：采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 47 所示：47 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 直流調(diào)速系統(tǒng)組成及要求參數(shù)含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)器如圖 48 所示：48 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器 本文研究的對象為電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，23系統(tǒng)參數(shù)如下：電動機： ； ； ； ；允許VUN20?AIN136rpmnN1460?rpmvCe/?過載倍數(shù)： ；三相橋式整流裝置放大倍數(shù)： ；電樞回路總電阻： ? sK；轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)： ，電磁時間常數(shù)： ；???. Tl7.電流反饋系數(shù)： ；.*???noiIU??轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 。?2）電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即 。.3isoi??2，選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求： ，且 ，可按典型Ⅰ型設(shè)計電流調(diào)節(jié)%5?i?./6./ ????ilT器。電流環(huán)截止頻率 1.??sKIci? 1）校驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足： ，3cisT??因為 ，所以滿足近似條件。lmT13?ci? 3）校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件： ，13cisoiT??現(xiàn)在 ,滿足近似條件。 速度環(huán)的設(shè)計1：確定時間常數(shù)。???2：確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng) 由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)25按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器（PI）,其傳遞函數(shù)為：。ionT????第五章 基于 Matlab/Simulink 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計 Matlab/Simulink 簡單介紹利用 MATLAB 下的 SIMULINK 軟件和電力系統(tǒng)模塊庫 (SimPowerSystems)進行系統(tǒng)仿26真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK 環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時將結(jié)果在示波器上顯示出來。利用 SIMULINK 軟件仿真對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀的得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從而加深對工程設(shè)計方法的理解使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對其進行計算機仿真研究。下面就使用 Power System 工具箱進行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真 雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置采用 Power System 模型組裝成的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖 51 所示。其中主電路部分，主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、移相控制環(huán)節(jié)和直流電動機等部分組成。參數(shù)設(shè)置；； ； ； ； ； ；VUN20?AIN136rpmvCe/???????； ； ； ； ； ；.?7.?? sTi074； ； ；hn8.??sTi?27圖 51 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)控系統(tǒng)仿真模型28 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，即可開始進行仿真。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。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)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實際仿真結(jié)果基本上反映了這一點。在 是突然加 1/2 額定負(fù)載后電動機電流上升轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過 左右時間的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。晶閘管 電動機開環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，但開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足對穩(wěn)定性要求好。系統(tǒng)中采用比例調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時是有差系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器時是無差系統(tǒng)。為了解決單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，就需采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用兩個調(diào)節(jié)器分別對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)。本文對直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)在開環(huán)控制和單閉環(huán)控制的分析，以及雙閉環(huán)控制，進行了深入的分析研究，并用計算機仿真工具 MATLAB 的 Simulink 工具箱，建立了雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真模型。對于調(diào)速系統(tǒng)的研究，MATLAB 的 Simulink 確實是個經(jīng)濟、簡單、快速、高效的工具。30參考文獻[1] 王建輝．自動控制原理．清華大學(xué)出版社，2022[2] 陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)．機械工業(yè)出版社，2022[3] 洪乃剛．電力電子技術(shù)基礎(chǔ)．清華大學(xué)出版社，2022[4] 顧繩谷．電機及拖動基礎(chǔ)．機械工業(yè)出版社，2022[5] 葉 斌．電力電子應(yīng)用技術(shù)．清華大學(xué)出版社，2022[6] 李傳琦．電力電子技術(shù)計算機仿真實驗．電子工業(yè)出版社，2022[7] 林 飛．電力電子應(yīng)用技術(shù)的 MATLAB 仿真．中國電力出版社， 2022[8] 劉 松．電力拖動自動控制系統(tǒng)．清華大學(xué)出版社，2022[9] 黃忠霖．電力電子技術(shù)的 MATLAB 實踐．國防工業(yè)出版社， 2022[10] 李友善．自動控制原理．國防工業(yè)出版社，1999[11] 洪乃剛．電力電子技術(shù)基礎(chǔ)．清華大學(xué)出版社，2022[12] 沈 輝．精通 Simulink 系統(tǒng)仿真與控制．北京大學(xué)出版社，2022[13] 張德豐． MATLAB Simulink 建模與仿真．電子工業(yè)出版社，2022[14] 李先允．自動控制系統(tǒng)．高等教育出版社，2022[15] 魏克新． MATLAB 語言自動控制系統(tǒng)設(shè)計．機械工業(yè)出版社， 202231致 謝在此次畢業(yè)設(shè)計過程中遇到了許多的問題和難點，但在老師和同學(xué)的幫助下，特別是在指導(dǎo)教師夏小虎的幫助和鼓勵下，所有困難都得到了解決，使我能夠圓滿的完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。在合肥學(xué)院學(xué)習(xí)生活的四年里，各位任課老師深厚廣博的學(xué)識使我增長了知識，開拓了視野。四年來，我收獲的不僅僅是專業(yè)知識，也不僅僅是做人道理，更多的還有對待種種困難的堅強的心態(tài)，我會把這些都當(dāng)作人生道路中難得的財富，因為它們會激勵自己不斷的前進，使自己更加堅強，同時對生活賦予新的意義。最后，再次向幫助我的所有老師表示感謝。 楊 先2022 年 6 月 合肥學(xué)院32主電路圖電路