【正文】 18 18 18 作 電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)?PI 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。 19 19 19 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 ???K eIRUn內(nèi)環(huán) 外環(huán) ??? Ke IRUnASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 圖 23 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 20 20 圖 24 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 24 所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng) 于 使該調(diào)節(jié) 環(huán)開(kāi)環(huán)。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， 由 第一個(gè)關(guān)系式 可得： 從而得到靜特性曲線的 CA 段。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 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(diǎn)模型為基礎(chǔ)的???K eIRUn 23 23 23 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中? ?sW RAs 和 ? ?sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 起動(dòng)過(guò)程分析 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)起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的???K eIRUn 24 24 24 動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如下圖所示。 圖 27 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 Ⅰ 階段是電流上升階段。當(dāng) dI 大于 dLI 之 后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。 直到 Id 約等于 dmI ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 第 Ⅱ 階段是恒流升速階段。 在這個(gè)階段中， ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。為了保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用， 故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器 ACR 是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。但其輸出卻由 于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。到 Id 小于 dLI 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速， 直到 穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間內(nèi)， ASR 處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過(guò)程。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 （ 3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作 ―時(shí)間最優(yōu)控制 ‖，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下 的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓大小，以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 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)、校驗(yàn)等內(nèi)容。 設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備 直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為： 220V， 136A， 1460r/min, eC =? min/r,允許過(guò)載 32 32 32 倍數(shù) λ =； 晶閘管裝置放大系數(shù)： Ks=40； 電樞回路總電阻： R=； 時(shí)間常數(shù)： Tl=， Tm=； 電流反饋系數(shù)： ? =； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ? =? min/r； 取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為 12V，輸出限幅值為 10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定 =10V。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) 整 流裝置滯后時(shí)間常數(shù)： Ts=； ???KeIRUn 33 33 33 電流濾波時(shí)間常數(shù)： sToi ? ； 電流環(huán)小 時(shí)間 常數(shù)，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 ???? oisi TTT ； 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5%?i? ， 并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù) ssKsW iii ?? )1()( A C R ?? 選擇電流調(diào)節(jié)器 參數(shù) ACR 超調(diào)時(shí)間常數(shù) i? =Tl=； 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因要求 %5%?i? ，故應(yīng) 取 IK =?iT =于是， ACR 的比例系數(shù)為 ???KeIRUn 34 34 34 ?????? Ksτ iRKK Ii ? 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ci? = IK = （ 1）校驗(yàn) 晶閘管裝置傳遞函數(shù) 的 近似條件 是否滿足：sci T31?? 。 （ 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的近似條件是否滿足：lmci TT13?? 。 （ 3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件：oisci TT131?? 。 按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求和近似條件。 故 ASR 選擇 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為： ssKsW nnnA S R ?? 1)( ?? ???KeIRUn 36 36 36 選擇 轉(zhuǎn)速 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 超調(diào)時(shí)間常數(shù)： shT nn 1 ???? ?? ； 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： ? ? 62 1222 ?????? ? nN Th hK 于是， ASR 的比例系數(shù)為 ? ? 1 ????? ???????? nmeRTh TChKn ? 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 1 ????? nNN KK ??? ； （ 1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件是否滿足：i T??51? 。 ???KeIRUn???KeIRUn 37 37 37 （ 2）校驗(yàn) 小時(shí)間常數(shù)近似處理 是否滿足：oni TT?? 2 131? 。 （ 3）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %%m ax ?? KbCC； 而 m i n/ 1 51 3 ????? ， 因此 % %)(2%)(% m a xn ???????????? ?? m nNb TTnnZCC ?? 顯然 %10%?n? ，所以滿足設(shè)計(jì)要求。 MATLAB 簡(jiǎn)單易用、人機(jī)界面良好，又有著演算紙式的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言的美稱，使復(fù)雜繁瑣的科學(xué)計(jì)算和編程變的日 益簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確有效。 MATLAB 的最初版本是在 20 世紀(jì) 70 年代由美國(guó)新墨西哥大學(xué)的 Cleve Moler 教授用 FORTRAN 開(kāi)發(fā)的矩陣分析軟件。時(shí)至今日，經(jīng)過(guò) Math Works 公司的不斷完善， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多 學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)勁的大型軟件。在歐美等高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。 MATLAB 的主要特點(diǎn) 自 MATLAB 正式推出后，其功能越來(lái)越強(qiáng)大，其主要特點(diǎn)如下： (1) MATLAB 的基本單位為矩陣，其表 達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程計(jì)算中常用的形式類似。 (2) MATLAB 語(yǔ)言以解釋方式工作，對(duì)每條語(yǔ)句進(jìn)行解釋后即運(yùn)行，鍵入算式即得結(jié)果，無(wú)需編譯，對(duì)錯(cuò)誤可立即做出反應(yīng)。 MATLAB 語(yǔ)言規(guī)則與人們長(zhǎng)期以來(lái)使用的在演算紙上進(jìn)行演算的書(shū)寫習(xí)慣十分相似，易學(xué)易讀適于交流?？梢园褦?shù)據(jù)圖形的形式加以表現(xiàn)，非常簡(jiǎn)單、方便。 MATLAB 軟件包括 MATLAB 主程序和許多日益 增多的工具箱，例如：仿真工具箱、優(yōu)化工具箱、信號(hào)處理工具箱 Simulink 簡(jiǎn)介 40 40 40 Simulink 是 Matlab 軟件下的一個(gè)附加組件，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的 MATLAB 軟件包。在其下提供了豐富的仿真模塊。 Simulink 仿真與分析的主要步驟按先后順 序?yàn)闉?:從模塊庫(kù)中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。 Simulink 還為用戶提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（ GUI）。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與 MATLAB、 C 或者 FORTRAN 語(yǔ)言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。在Simulink 環(huán)境下用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的模塊可以方便地進(jìn)行 RLC 電路、電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真。通過(guò)電力電子電路和電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真，不僅展示了MATLAB/Simulink 的強(qiáng)大功能，并且學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)仿真的方法和技巧，可以深入地研究電路和系統(tǒng)的原理和性能 [14]。圖 41 是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)作的雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。 調(diào)節(jié)器的建模 PI 調(diào)節(jié)器可以直接調(diào)用 Simulink 中的功能模塊，但是考慮飽和和輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器需要自己封裝模型，模型中把比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分調(diào)節(jié)器integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模 塊Saturation 設(shè)定。其中 ASR、 ACR 的限幅值均設(shè)定為 [10,10