【正文】 圖 2— 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 一、 系統(tǒng)靜特性分析 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征是分析系統(tǒng)靜態(tài)特性的關(guān)鍵因素，調(diào)節(jié)器一般 存在兩種狀態(tài) ：飽和狀態(tài)和 不飽和 狀態(tài)。 通常，正常運(yùn)行狀態(tài) ， 為了 保持電路 安全 ， 電流調(diào)節(jié)器 一直 都 處于 不 飽和狀態(tài)。 1．轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 不飽和 該情況下 ， 轉(zhuǎn)速 、電流 調(diào)節(jié)器都不 飽和，穩(wěn)態(tài)后，它們的輸入偏差電壓都為零。 但是 通常都不小于 額定電流 ， 這就是靜特性的運(yùn)行段， 由 圖 也 可 觀察 它 就是一條水平的 特性。上述 的 下垂特性只適合于 時(shí)，因?yàn)槿?，則 ， ASR將會(huì)退出 飽和狀態(tài) ，使 系統(tǒng)不 穩(wěn)定 。但是事實(shí) 上， 運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)永遠(yuǎn)達(dá)不到 無(wú)窮大 ，所以， 表示 靜特性的兩段實(shí)際曲線與 理論值 存在 一個(gè) 很小的偏差，如下圖 2— 6中 的 虛線 圖 。 18 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)： 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器 ， 那么轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)，實(shí)際 上 PI控制 的 所有 自動(dòng)控制系統(tǒng)都允許 轉(zhuǎn)速 有 很小 的 超調(diào) ，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制 器 進(jìn)行 控制。 利用飽和非線性的控制 方法 ， 用來(lái) 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 ， 這 是非常 具有 實(shí)用價(jià)值的控制策略， 并且 在各種多環(huán)控制中 都有應(yīng)用 。 1． 抗負(fù)載擾動(dòng) 根據(jù) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 可觀察，負(fù)載擾動(dòng)一般 加 在電流環(huán)之后，故只能靠轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 ASR 來(lái)抵 抗負(fù)載 的 擾動(dòng)。 2． 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 電網(wǎng)電壓變化也會(huì) 對(duì) 轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng) 。故在雙閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響 小很多 。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) ， 引出與轉(zhuǎn) 速成正比的電壓與給定電壓比較后 ， 得偏差電壓 ， 經(jīng)放大器 ， 產(chǎn)生觸發(fā)裝置的控制電壓 ， 用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 如圖 31 所示。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。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)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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)。 為了解決上述問(wèn)題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié) 器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器在調(diào)速系統(tǒng)中的作用 ： 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓 的變化；穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差； 2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用； 3) 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 可表示為 ? ?? ?? ???????? nijrmjjsTssKsW1111? 根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為 0 型、Ⅰ型、Ⅱ型??系統(tǒng)。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)，典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 )1()( ?? Tss KsW （ 2） )1( )1()( 2 ??? Tss sKsW ? （ 3） 典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小，但抗擾性能差，而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些，抗擾性能卻比較好。設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)如式 (4)： )12( 1)( ?? sssW obj （ 4） 若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)器僅僅是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)器必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，并帶有一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)，以便消除被控對(duì)象的一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，故調(diào)節(jié)器采用如式 (5)的 PI 調(diào)節(jié)器。 2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 因?yàn)殡娏鞒{(diào)量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器。 4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ciW = IK = 1?S 。 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件： 1113 3 1 9 . 1 81 . 8 4 0 . 0 1 3 3 ciml SWTT ?? ? ? ???，滿足條件。 23 5）計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 取運(yùn)算放大器的 0R =40?k ，有 0RKR ii ?? =?40=?k ，取 45?k ， 13 3 9645iiiCFRk? ?? ? ??，取 F? ， FkRTC oioi ? 0 0 0 ????? ，取 F? 。 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) ： 按設(shè)計(jì)要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器 ? ? ? ?ssKsW nnnASR ? ?? ?? 1 3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)： 按跟隨和抗干擾性能較好原則，取 h=4,則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù)為： 4 0 . 0 1 7 4 0 . 0 6 9 6nnh T s? ?? ? ? ?， 24 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： 12 2 2 215 2 4 74N nhKshT ???? ? ??? 。 4）檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為： 1 516. 1 96 2Nc n N nKWKW ?? ? ? ? ? ?。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： 11 1 1 3 5 . 1 3 8 . 73 3 0 . 0 1I onK sWT ?? ? ?，滿足近似條件。 FkRC nnn ?? ???? ，取 F? FkC on ?140 ????? ，取 1 F? 。其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 442 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 25 6）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 由 h=4，查得 % 10%n? ??，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使 ASR 退飽和重 計(jì)算 n? 。 5 單元模塊設(shè)計(jì) 晶閘管元件的選擇 選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 TMU 和額定電流 )(AVTI 對(duì)于 本設(shè)計(jì)采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按 1 至 6 的順序?qū)ǎ谧韪胸?fù)載中晶閘管承受的最大電壓 226 2 .4 5RMU U U??， 而考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素 ， 還 要 放寬 2 ～ 3 倍 的 安 全系 數(shù) ， 則 晶 閘 管額 定 電 壓 TMU 計(jì)算結(jié)果： KVUU RMTM 0 0 ~3 3 7 2 . 8 9 )3~2()3~2( ????? ， 取 V2021 。一般取 按此原則所得計(jì)算結(jié)果的 ～ 2 倍 。選擇過(guò)大又會(huì)造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。時(shí)整流電壓 Ud0與二次電壓 U2之比，即 A=Ud0/U2 ； B延遲角為α?xí)r輸出電壓 Ud與 Ud0之比，即 B=Ud/Ud0； ε —— 電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)； 1～ —— 考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式： ? ? BAUU d?~12 ? (52) 由表查得 A=；取ε =；α角考慮 10176。其主要參數(shù)有流過(guò)電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。 min211dIUKL ? （ 56） 式中 1K －與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得 ： mindI 為最小負(fù)載電流，常取電動(dòng)機(jī) 額 定 電 流 的 5 ％～ 10 ％ 計(jì) 算 。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來(lái)限制輸出電流的脈動(dòng)量。 根據(jù)本電路形式查得 2K =, 28 所以 diISUKL 222 ? = 10% 55? ? = 3）電動(dòng)機(jī)電感量 DL 和變壓器漏電感量 TL 電動(dòng)機(jī)電感量 DL （單位為 mH）可按下式計(jì)算 3102 ?? DDdD pnIUKL （ 58） 式中 DU 、 DI 、 n－直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入； p－電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)； DK －計(jì)算系數(shù)。本設(shè)計(jì)中取 DK = DU =220V、 DI =55A、 n=1000r/min、p=1 3102 ??DDdD pnIUKL = 32208 102 1 1000 55??? ? ?=16mH 變壓器漏電感量 TL （單位為 mH）可按下式計(jì)算 DshTT IUUKL 100 2? （ 59） 式中 ： TK －計(jì)算系數(shù)，查表可得 shU －變壓器的短路比，一般取 5%～ 10%。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大 數(shù)學(xué) 軟件。 MATLAB 可以進(jìn)行 矩陣 運(yùn)算、繪制 函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn) 算法 、創(chuàng)建用戶界面、連接其他 編程語(yǔ)言 的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、 信號(hào)處理與通訊、 圖像處理 、 信號(hào)檢測(cè) 、 金融建模 設(shè)計(jì)與分析等 領(lǐng)域 。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的 采樣速率。 系統(tǒng)的 建模與仿 真 結(jié)果 電流環(huán)仿真 經(jīng) 化簡(jiǎn) 和相關(guān)計(jì)算校正成典型 Ⅰ型 系統(tǒng)的電流環(huán) ， 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在Simulink中搭建好 仿真 模型如圖 61所示， 產(chǎn)生的仿真波形如圖 62所以 。 30 圖 61 電流環(huán)數(shù)學(xué) 仿真模型 圖 62 電流環(huán) 仿真 波形 經(jīng)化簡(jiǎn)和 相關(guān)計(jì)算校 正 成典型 Ⅱ型 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 環(huán) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 ， 在 Simuink 中搭建好仿真模型如圖 63所示， 產(chǎn)生的 仿真波形如圖 64所示 。 32 圖 65 雙閉環(huán)數(shù)學(xué) 仿真模型 圖 66 雙閉環(huán) 仿真 波形 33 系統(tǒng)的 仿真結(jié)論 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如仿真圖 66 所示。從啟動(dòng)時(shí)間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到 “ 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 ” 。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中， ASR 的作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)是無(wú)靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。通過(guò)仿真可知：?jiǎn)?dòng)時(shí)，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流保持最大，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。 第一， 了解了調(diào)速的發(fā)展史， 了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊(yùn)涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來(lái)的發(fā)展動(dòng)態(tài)； 第二，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性； 第三， ASR、 ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計(jì)算； 第四，直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計(jì)算； 第五 ，運(yùn)用 MATLAB 仿真系統(tǒng)對(duì)所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行的仿真，與此同時(shí)，進(jìn)一步熟悉了 MATLAB 的 相關(guān)功能，掌握了其使用方法。 經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)和工作，我努力完成了本次的設(shè)計(jì)與仿真。 獨(dú)立的學(xué)習(xí) 和思考 ， 圖書館查閱 相關(guān)資料和書籍，讓 很多 模糊 而 不 清晰 的 概念都有 很深刻的理解 ， 每次改進(jìn) 對(duì)我來(lái)說(shuō)都是 莫大的提升 。在 這里 我要 非常感謝 悉心教導(dǎo)我的苗峰老師和幫助過(guò)我的同學(xué)，他們都是我人生當(dāng)中的一筆財(cái)富 ，我會(huì)好好好珍