【正文】 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 表 22 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 221 TTTTm ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm Ttv 由表 22 中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間拖得較長(zhǎng)。由于分母中 2s 項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是 ?180? ，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)（這往往是實(shí)際系統(tǒng)中必定有的），如果不在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié) 1?s? ，就無法把相頻特性抬到 ?180? 線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 2— 8 典型 II 型系統(tǒng) 典型 II 型系統(tǒng)與典型 I 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù) T 也是控制對(duì)象固有的。為了分析方便起見，引 入一個(gè)新的變量 h，令 12??? ??Th （ 2— 14） h 是斜率為 decdB/20? 的中頻段的寬度，稱作“中頻寬”。 b 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 典型 II 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表 23 中。此外， h 減小時(shí)，上升時(shí)間快， h 增大時(shí)，超調(diào)量小。典型 II 型系統(tǒng)的超調(diào)量一般都比典型 I 型系統(tǒng)大，而快速性要好。 表 24 典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 h 3 4 5 6 7 8 9 10 bCCmax? % % % % % % % Ttm Ttv 由表 24 中的數(shù)據(jù)可見，一般來說， h 值越小， bCC /max? 也越小， mt 和 vt 都短，因而抗擾性能越好。但是，當(dāng) 5?h 時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加， h 越小，恢復(fù)時(shí)間 vt 反而拖長(zhǎng)了。把典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能的各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來看， h=5 應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。這是設(shè)計(jì)選 擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 Un*( s ) ++++11?sT oi 1?sTKss11?sTRl11?sT onA S R A C R 1?sToi?1?sT on? sTRm eC1Ui( s )E ( s )Id L( s )Id( s )Ud 0( s )Uc( s )電 流 環(huán) 圖 2— 9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由測(cè)速電電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用 onT 表示。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) (1) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在圖 2— 9 點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) lT 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 往經(jīng)電流變化慢得 多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 0??E 。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是 lmci TT13?? （ 2— 18） 式中， ci? — 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 最后，由于 sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常為 oisi TTT ??? （ 2— 19） 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為 oisci TT131?? （ 2— 20） (2) 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系 統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。 電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 ? ?ssKsW iiiA CR ?? 1?? （ 2— 21） 式中 iK — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? — 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 ① 電力電子變換器純滯后的近似處理 sci T31?? （ 2— 24） ② 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響 lmci TT13?? （ 2— 25） ③ 電流環(huán) 小慣性群的近似處理 oisci TT131?? （ 2— 26） (3) 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 由 （ 2— 21） 可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是 iK 和 i? ，其中 i? 已選定，待定的只有比例系數(shù) iK ，可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。圖中*iU 為電流給定電壓， dI?? 為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 控制電壓 cU 。 ? ? ? ?? ? ? ?? ? 111111/ 2* ???????????sKsKTsTs KTsKsUsIsWIIiiIiIidc l i ? （ 2— 32） 忽略高次項(xiàng)， ??sWcli 可降階近似為 ? ?111?? sKsWIcli （ 2— 33） 近似條件式為 iI TK?? 31? （ 2— 34） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 式中， ? — 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了 控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán) (內(nèi)環(huán) )控制的一個(gè)重要功能。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 II 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見， ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ? ?ssKsW nnnA S R ?? 1?? （ 2— 37） 式中 nK — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。按照典型 II 型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式（ 2— 14）有 nn hT??? （ 2— 42） 再由式（ 2— 17），有 222 1nN ThhK ??? （ 2— 43） 因此 ? ?nmen RTh TChK??? ??2 1 （ 2— 44） 至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定，無特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5 為好。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 balRU i *20R20R20R20RCo nRnCn++Co nUn*n?? 圖 2— 11 含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為 0RRK nn? （ 2— 45） nnn CR?? （ 2— 46） onon CRT 041? （ 2— 47） 設(shè)計(jì)實(shí)例 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)： VUN 220? ， AIN 136? ， min/1460 rnN ? ， rVC e min / ?? ，允許過載倍數(shù) ，飛輪慣量 22 mNGD ?? ； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40?sK ； 電樞回路總電阻： ?? ； 勵(lì)磁電壓 VUf 220? ，勵(lì)磁電流 AIf ? ； 時(shí)間常數(shù)： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù)： ?? V/A （≈ 10V/ dI ） 。 要求： (1) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為無靜差； (2) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)為電流超調(diào)量 i? ? 5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 n? ? 10%； (3) 基于直流電 動(dòng) 機(jī) 的 基本方程，建立直流電 動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 ⑤ 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用放大器取 ?? KR 400 ，各電阻和電容值計(jì)算如下 ?????? KKRKR ii ，取 40 ?K FFRC iii ??? 63 ????? ，取 F? FFRTC oioi ?? 630 ?????? ，取 F? 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 %5% ??i? ，滿足設(shè)計(jì)要求。故 ASR 選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW nnnASR ?? 1?? ③ 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù) sshT nn 0 8 1 7 ???? ?? 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 22222 9 60 1 7 62 1 ??? ?????? ssThhKnN 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 于是， ASR 的比例系數(shù)為 ? ? 1 7 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? ④ 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 111 ?? ????? ssKK nNN ??? a 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 iI TK?? 31? ： iI ssTK ???? ??? 11 0 3 3 53131，滿足近似條件； b 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 onI TK31?? ： onI ssTK ???? ?? 11 3 53131，滿足近似條件。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 3． 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 仿真與研究 MATLAB 簡(jiǎn)介 (1) MATLAB 語言 MATLAB軟件是由美國(guó) NewMexico 大學(xué)的 C1eveMoler 博士于 1980 年開始開發(fā)的， 1984 年由 C1eveMOIer 等人創(chuàng)立的 Mathwork 公司正式推出了第一個(gè)商業(yè)版本。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境?，F(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。 MATLAB 語言有以下特點(diǎn)： ① 起點(diǎn)高。 ② 人機(jī)界面適合科技人員。 MATLAB 是以解釋方式工作的，若有錯(cuò)誤立即做出反應(yīng)，便于編程者立即改 正。 ③ 強(qiáng)大而簡(jiǎn)易的作圖功能。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。繪圖時(shí)自動(dòng)選擇最佳坐標(biāo)以及按輸入或輸出自動(dòng)選擇算法；數(shù)值積分時(shí)自動(dòng)按精度選擇步長(zhǎng)，自動(dòng)檢測(cè)和顯示程序錯(cuò)誤的能力強(qiáng)，易于調(diào)試。 MATLAB 軟件包括基本部分和專業(yè)部分。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本專業(yè)的知識(shí)編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)。現(xiàn)在它們己有控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖象處理、系統(tǒng)辯識(shí)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析等 20 多個(gè)工具箱，并且還在繼續(xù)擴(kuò)展。數(shù)學(xué)函數(shù)庫中包括了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)。 (2) SIMULINK 仿真工具 SIMULINK 是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。