1、1 概述1.1 目前發(fā)展?fàn)顩r對于那些在實際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險或?qū)嶒炠M用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對設(shè)計好的系統(tǒng)直接進行實驗。然而沒有經(jīng)過實驗研究是不能將設(shè)計好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實際中去的。因此就必須對其進行模擬實驗研究。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進行實驗，但這種方法十分費時而且費用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計算機的迅速發(fā)展，采用計算機對控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。【1】【2】 長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計一種算法，以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產(chǎn)

2、生了各種仿真算法和仿真軟件。matlab提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用matlba中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進行分析和可視化。【3】【4】simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機械的、電

3、子的等現(xiàn)實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。直流電機具有良好的起制動性能，易于在較廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多高性能可控電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如軋鋼機、龍門刨床、高層電梯、高精度機床等。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上與實踐上都比較成熟，從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速的基礎(chǔ)，但是雙閉環(huán)調(diào)速，雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在研究和設(shè)計的過程中，許多參數(shù)的選擇需要反復(fù)調(diào)試，運用計算機仿真技術(shù)對系統(tǒng)進行仿真，將會為研究和設(shè)計

4、工作提供有力的支持，在計算機仿真系統(tǒng)時，可以方便地對參數(shù)進行設(shè)置，得到合理的參數(shù)組合，為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供條件。【5】【6】1.2 本設(shè)計內(nèi)容及要求本次論文基于matlab/simulink對直流調(diào)速系統(tǒng)尤其是單閉環(huán)有差、轉(zhuǎn)速電流、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了建模與仿真。因此有兩個設(shè)計需要完成。該文對單閉環(huán)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了計算機仿真研究。直流調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動控制系統(tǒng)，在設(shè)計和調(diào)試過程中有大量的參數(shù)需要計算和調(diào)整。運用傳統(tǒng)的設(shè)計方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在軟件和硬件方面提供了舯好的設(shè)計平臺。此次論文運用matlab軟件建立了調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。【7】利用

5、simulink中仿真功能對系統(tǒng)進行了仿真，仿真的結(jié)果證明了該方法的可行性、合理性。利用仿真技術(shù)可以很大程度地減少雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試強度。【8】【9】2.系統(tǒng)方案選擇2.1 系統(tǒng)方案選擇晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)是常用的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)（v-m），目前發(fā)展已較成熟，系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟性也不斷提高，應(yīng)用非常廣泛。因此，此次論文采用此系統(tǒng)。【10】v-m系統(tǒng)組成：（1）對象：直流電動機m及工作機械； （2）傳感器：測速發(fā)電機tg，輸入n，輸出；（3）控制器：r、rc運算放大器；（4）執(zhí)行器：晶閘管可控整流器（v）。2.1.1晶閘管變流器這是本系統(tǒng)最重要環(huán)節(jié)。整流器的輸入輸出特性主要取決

6、于觸發(fā)器的輸入輸出特性。而整流器的輸出電壓，除了與其主電路（單相、三相，半波全波）有關(guān)外，主要取決于其輸入（移相角）。2.1.2 vm調(diào)速系統(tǒng)的特點1 晶閘管的單向?qū)щ娦杂捎诰чl管的單向可控導(dǎo)電性，給系統(tǒng)可逆運行帶來不便。（1） 半控型整流電路及有續(xù)流管的整流電路，只允許系統(tǒng)單象限運行。（2） 全控整流電路可以實現(xiàn)有源逆變，允許帶位能負載的電動機工作在制動狀態(tài)，獲得二象限運行。（3） 兩組全控整流電路，可實現(xiàn)四象限運行。2 觸發(fā)脈沖相位控制這是晶閘管整流器最常用的方式，改變控制電壓，使觸發(fā)脈沖移相，改變導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)整流器輸出電壓。3 平波電抗器實際上是交流電源的一部分，是脈動的，這對機械及電網(wǎng)

7、是不利的。因此，除增加整流電路的相數(shù)，必須加平波電抗器以抑制輸出電壓的脈動。【11】4 電流的連續(xù)和斷續(xù)由于電壓的脈動，所以，電流可能出現(xiàn)兩種情況：（1）連續(xù)：當(dāng)平波電抗足夠大，且電動機負載足夠大時。（2）斷續(xù)：當(dāng)平波電抗較小，且負載較小時。 電流斷續(xù)，系統(tǒng)為非線性，運行中會出問題，應(yīng)加以防范、避免。5 v-m系統(tǒng)的機械特性所謂機械特性就是在電阻電壓一定的條件下，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩（或電流）的關(guān)系n=f(i)。由于電流的連續(xù)和斷續(xù)，故機械特性也昉兩種情況：（1） 連續(xù)特性：電流連續(xù)時，改變移相角，可得一系列平行的斜直線。此時，晶閘管整流器就是一個線性的可控電壓源。注意，特性連續(xù)的條件是平波電抗器足夠

8、大負載足夠大。否則，就是斷滭的。（2）斷續(xù)特性：當(dāng)負載較輕，電流較小時，電流可能出現(xiàn)斷續(xù)，則機械特性亦斷續(xù).當(dāng)電流斷續(xù)時，v-m系統(tǒng)的機械特性具有兩個特點：1）系統(tǒng)理想空載轉(zhuǎn)速升高。2） 特性變軟出現(xiàn)上翹的非線性現(xiàn)象，很小的電流變化可能引起很大的速度變化。【12】【13】2.1.3 控制器控制器就是這里的調(diào)節(jié)器，常用的有四種：（1）比例調(diào)節(jié)器（p），構(gòu)成有靜差系統(tǒng)。（2）比例積分調(diào)節(jié)器（pi），構(gòu)成無靜差系統(tǒng)。（3）比例微分調(diào)節(jié)器（pd），增加系統(tǒng)阻尼改善平穩(wěn)性。（4）比例積分微分調(diào)節(jié)器（pid），全面提高系統(tǒng)品質(zhì)。2.1.4 傳感器調(diào)速系統(tǒng)中常用的檢測元件有以下幾種：1 直流電壓檢測元件 電

9、量的檢測最容易，關(guān)鍵是要解決問題。主電路是高電壓，測量與控制電路是低電壓，高低電壓電路必須隔離。2 交流電壓檢測元件 交流隔離很簡單，采用變壓器。而直流必須采用調(diào)制器變成交流（方波），其幅值與被測電壓相等，再用變壓器隔離后，經(jīng)解調(diào)器變成直流電壓。調(diào)制解調(diào)器采用電子開關(guān)電路實現(xiàn)。2.1.5 轉(zhuǎn)速檢測單元這是調(diào)速系統(tǒng)主要的傳感器，精度及動態(tài)響應(yīng)要求最高，是反饋系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵部件，目的是將轉(zhuǎn)速變成與之成比例的電壓信號。1 直流測速發(fā)電機tg實際上就是一個小型直流發(fā)電機。有永磁式和他勵式兩種，在恒定勵磁下，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。2 交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機兩種。

10、（1）優(yōu)點是能將轉(zhuǎn)速變成比例的交流信號，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，無電刷及電刷壓降，維護方便。（2）缺點是存在相角誤差及剩余電壓，用于直流系統(tǒng)時還需整流，影響反饋信號準(zhǔn)確度。2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)方案2.2.1 直流電動機調(diào)速方法由直流電動機轉(zhuǎn)速方程：n= （式2.1 ） 式中：n：轉(zhuǎn)速（r/min）; u：電動機電樞電壓（v）;i：電動機電樞回路電流（a）; ：電樞回路電阻（）;c：電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的電動勢常系數(shù)；：勵磁磁通（wb）； c：電動勢轉(zhuǎn)速比 ,；有轉(zhuǎn)速方程可知，只有三項可變。所以，調(diào)速方法有四種。1 降壓調(diào)速。 使電樞供電壓u下降，則電動機轉(zhuǎn)速n下降，由于電動機繞組絕緣有限，電動機電樞

11、不能高于額定電壓u，所以是降壓調(diào)速。使用于額定轉(zhuǎn)速以下一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速的場合。降壓調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。2 弱磁調(diào)速使勵磁磁通超過額定值易飽和。所以，只能弱磁調(diào)速。使用于額定轉(zhuǎn)速以上的小范圍內(nèi)無級調(diào)速場合。弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。【14】3 變阻調(diào)速。使增大（串電阻r），則n下降。由于串電阻r要消耗功率（ir），機械特性變差。所以，只適合用于小功率有級調(diào)速的場合。4 調(diào)壓調(diào)磁調(diào)速既變壓又變磁，互相配合，可以獲較寬的無級調(diào)速范圍。在n以下，降壓調(diào)速；在n以上，弱磁調(diào)速。2.2.2 直流電動機的供電方法由于三相交流電動機ma、驅(qū)動直流發(fā)電機g及勵磁發(fā)電機ge，直流發(fā)電機的勵磁是可變的（可正可負）

12、，經(jīng)功率放大器ag。所以輸出電壓是可控的。此系統(tǒng)設(shè)備多、體積大、費用高、效率低。但運行可靠、維修方便，在目前的生產(chǎn)設(shè)備中尚在應(yīng)用。這是因為gm系統(tǒng)機械特性是線性的，較硬，且可靠耐用。3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)31 單閉環(huán)調(diào)速圖3.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖3.1.1 系統(tǒng)組成圖4-5 直流電機等效圖如圖3-1，可見單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的如圖3.1，可見單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機軸上裝一臺測速發(fā)電機tg,轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓與給定電壓比較后，得到偏差電壓，經(jīng)放大器fd，產(chǎn)生觸發(fā)裝置cf的控制電壓用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。【15】【16】3.2

13、 直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性分析3.2.1各環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)控制器的放大系數(shù)為： （式3.1）觸發(fā)器與晶閘管整流器器比例系數(shù)： （式3.2） 電動機輸入輸出關(guān)系： （式3.3） 轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)： （式3.4）式中：-反饋電壓； -分壓比；-測速發(fā)電機傳遞系數(shù)。圖3.2：系統(tǒng)的靜態(tài)框圖由圖3.2可見，調(diào)節(jié)過程，系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)過程，即：一個是電動機自身的特性決定的自衡過程；另一個是反饋控制過程，循環(huán)往復(fù)，直到很小，為止，n達到新的平衡。其過程如圖3.2圖3.3 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程3.2.2開環(huán)特性與閉環(huán)特性比較由靜態(tài)框圖可得開環(huán)系統(tǒng)機械特性（靜態(tài)轉(zhuǎn)速方程）為： (式3.5)閉環(huán)靜特性： （式3.6）式中：k-

14、開環(huán)增益，k=； -開環(huán)、閉環(huán)理想空載轉(zhuǎn)速，；-開環(huán)、閉環(huán)靜態(tài)轉(zhuǎn)速降。（1）閉環(huán)特性要比開環(huán)特性硬的多。由式3.5，3.6得： （式3.7）式中： -閉環(huán)開環(huán)轉(zhuǎn)速降。可見，閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降是開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降的1/（1+k）（2）閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)靜差率小的多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)靜差率分別為： （式3.8） （式3.9）式中：-閉環(huán)開環(huán)轉(zhuǎn)差率。但（一定如此）時，可見閉環(huán)系統(tǒng)靜差率是開環(huán)系統(tǒng)的1/1+k。（3）閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍比開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大的多。開環(huán)和閉環(huán)調(diào)速范圍分別為： （式3.10） （式3.11）式中：-開環(huán)閉環(huán)調(diào)速范圍。由于，所以當(dāng)靜差率一定時（4）保證閉環(huán)和開環(huán)轉(zhuǎn)速一致1：閉環(huán)給定電源

15、電壓提高（1+k）倍，由于閉環(huán)與開環(huán)給定電源不變，所以不變。改變給定電源不行。2：閉需加前置放大器，閉環(huán)系統(tǒng)實際輸入為偏差，是很小的，要獲得與開環(huán)系統(tǒng)同樣的輸出n，必須將加以放大。所以，控制器一定要有放大功能（kp）。（5）閉環(huán)靜特性與開環(huán)靜特性的關(guān)系圖3.4 開、閉環(huán)靜特性關(guān)系圖 如圖3.4, 設(shè)系統(tǒng)原工作點為點（），當(dāng)負載增大,增大到，則開環(huán)系統(tǒng)工作點變?yōu)辄c，而閉環(huán)控制使增大，所以閉環(huán)工作點為點（）。若工作點在點（），當(dāng)增大到，則開環(huán)系統(tǒng)工作點變?yōu)閎'點，而閉環(huán)由于負反饋使增大到，即閉環(huán)工作在c點。由上述分析可得，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，實際上就有許多不同的與開環(huán)靜特性相應(yīng)的工作點組成的。

16、反饋系統(tǒng)提高了機械硬度，原因是負反饋是電動機的電樞電壓自動適應(yīng)負載的變化。所以機械特性硬度大大提高。3.22 數(shù)學(xué)模型為了對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和動態(tài)品性等動態(tài)分析，必須首先建立起系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。1額定勵磁下直流他勵電動機的數(shù)學(xué)模型他勵直流電動機的等效電路如圖圖3.5 直流電機等效圖當(dāng)電流連續(xù)時，不考慮電刷壓降，電樞回路的電壓平衡方程為 （式3.12）額定勵磁下電動機的感應(yīng)電動勢方程為： e=n （式3.13） 額定勵磁下電動機電磁轉(zhuǎn)矩方程為： （式3.14）電動機傳動系統(tǒng)的運動方程式為： （式3.15）整理后： （式3.16）式中：:為包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，m：:為電力拖動系統(tǒng)運動部

17、分折算到電動機軸上的飛輪力矩，；=:為電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，；:直流電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，n/m;:為電樞回路的電磁時間常數(shù)，s;:為電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，s；:為負載電流，a。在零初始條件下，對上式取拉氏變換的電壓和電流間的傳遞函數(shù)： （式3.17）電流與電動勢的傳遞函數(shù)為： (式3.18) 可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是理想整流電壓，另一個是負載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。擾動量為零時傳遞函數(shù)為：() （式3.19） 2 晶閘管整流與觸發(fā)裝置數(shù)學(xué)模型由于普通晶閘管變流器是半控型裝置，某相晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，控制極便失去作用，只有該相承受反壓或斷流時晶閘管才能被

18、關(guān)斷。也就是說 ，某相晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，在尚未關(guān)斷之前，雖然改變了控制電壓的值，但整流電壓的瞬時波形和角并不立刻跟隨值變化。這個滯后時間稱作晶閘管整流裝置的失控時間，以表示。一般而言，； 其中f是交流電源頻率；m為一周內(nèi)整流電壓的波頭數(shù)。晶閘管觸發(fā)和整流裝置輸入輸出關(guān)系為： (式3.20)應(yīng)用拉氏位移定理，其傳遞函數(shù)為： (式3.21)由于很小，可將晶閘管近似為慣性環(huán)節(jié)來處理，其傳遞函數(shù)為： (式3.22) 3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以看作三階線性系統(tǒng)。當(dāng)不考慮負載時，即，系統(tǒng)開環(huán)傳函為： (式3.23) 式中：。則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (式3.24)32.3仿真模型 直流電

19、機的數(shù)學(xué)模型： 圖3.6 電機仿真圖晶閘管和觸發(fā)裝置數(shù)學(xué)及仿真模型圖3.7 系統(tǒng)仿真圖數(shù)學(xué)模型： 將晶閘管和整流裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以看作三階線性系統(tǒng)。當(dāng)不考慮負載，即時，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：（k=46.7） (式3.25)所以系統(tǒng)的仿真模型如圖3.7。由上述模型，可以在simulink里進行仿真。圖3.8 階躍響應(yīng)圖1）階躍響應(yīng)圖的繪制 如圖3.82）啟動過程仿真圖3.9 電流id波形圖圖3.10轉(zhuǎn)速n的波形圖圖3.11 電壓u ct的波形圖3.3 帶電流截止環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速3.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理系統(tǒng)要實現(xiàn)截流反饋，須在系統(tǒng)中引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。在轉(zhuǎn)速閉環(huán)

20、調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)，即可構(gòu)成帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖3.12：該環(huán)節(jié)有兩部分組成：其一為反應(yīng)主回路電流信號大小的檢測部分：其二為比較電壓部分。檢測主回路電流大小的信號電壓從串聯(lián)在主回路中的小電阻上取得，即正比于電流。比較電壓由一個輔助電源經(jīng)電位器提供，調(diào)節(jié)的大小即可調(diào)節(jié)比較電壓值，從而改變截止電流的數(shù)值。【17】 圖 3.12 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖4-14 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.3.2 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入與輸出特性如圖3.13：它表明：當(dāng)輸入與輸出相等，構(gòu)成線性環(huán)節(jié)；當(dāng)時，輸出為零

21、。這樣的兩段式特性構(gòu)成一個非線性環(huán)節(jié)，將它畫在方框中，再和系統(tǒng)的其他部分連接起來，即得帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.14 圖3.13 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入與輸出特性 圖3.14電流截至止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由此結(jié)構(gòu)圖可導(dǎo)出該系統(tǒng)兩段特性的方程式：當(dāng)時，電流負反饋被截止： (式3.26) 當(dāng)時，電流負反饋起作用： (式3-16)將上述兩式畫成靜特性如圖3.15圖3.15 系統(tǒng)兩段靜止性當(dāng)電流負反饋被截止后，系統(tǒng)特性與轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，靜特性如圖段，特性較硬；電流負反饋其作用時靜特性為ab段，特性很軟。3.2.3帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

22、動態(tài)特性用帶pi調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負反饋外加電流截止負反饋的直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)，限制啟動、制動時的最大電流，對一般調(diào)速系統(tǒng)基本上符合要求。電流到達最大值后，由于電動機反電動勢的作用，使電流迅速下降，電動機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，使啟動加速過程變慢，啟動時間變長。【18】最好的辦法是在啟動時保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)加速啟動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又讓電流立即降低，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩和負載相平衡的穩(wěn)態(tài)運行如圖中曲線。下圖即為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖：圖3-16 系統(tǒng)仿真模型4.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 4.1 系統(tǒng)組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖4.1在電路中，asr和acr 實行串級連接，由asr

23、去驅(qū)動acr，再由acr控制觸發(fā)電路。圖中速度調(diào)節(jié)器asr和電流調(diào)節(jié)器acr均為比例加積分調(diào)節(jié)器，其輸入和輸出均設(shè)有限幅電路。圖4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖可見該系統(tǒng)有兩個反饋回路，構(gòu)成兩個閉環(huán)回路（故稱雙閉環(huán)）。其中一個是由電流調(diào)節(jié)器acr和電流檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個是由速度調(diào)節(jié)器asr和轉(zhuǎn)速檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。由于速度環(huán)包圍電流環(huán)，因此稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，稱速度環(huán)為外環(huán)。4.2 工作原理4.2.1 電流調(diào)節(jié)器acr的調(diào)節(jié)作用電流環(huán)為由acr和電流負反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流,有效抑制電網(wǎng)波動的影響。由于acr為pi調(diào)節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)時，其輸入電壓=0 (式

24、4.1)由此可知，在穩(wěn)態(tài)時，。此式的物理含義是當(dāng)為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器acr調(diào)節(jié)器作用，整流裝置的電流將保持在。的數(shù)值上。假設(shè)，其自動調(diào)節(jié)過程如下，即圖4.2電流調(diào)節(jié)器acr的調(diào)節(jié)作用直到=，=0，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束.這種保持電流不變的特性，將使系統(tǒng)：（1）自動限制最大電流。由于asr有輸出限幅，限幅值為，這樣電流的最大值便為，當(dāng)時，電流環(huán)將使電流降下來。由上式可見，整定電流反饋系數(shù)調(diào)節(jié)電位器rp3或整定asr限幅值，即可整定數(shù)值，一般整定=22.5。（2） 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動而引起電流波動時，通過電流調(diào)節(jié)器acr 的調(diào)節(jié)作用，使電流很快恢復(fù)原值。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

25、中。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動對轉(zhuǎn)速的影響幾乎看不出來（在僅有轉(zhuǎn)速環(huán)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動后，要通過轉(zhuǎn)速變化來進行調(diào)節(jié)，這樣，調(diào)節(jié)過程慢的多，速降也大），即：4.2.2速度調(diào)節(jié)器asr的調(diào)節(jié)作用速度環(huán)是由asr和轉(zhuǎn)速負反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。圖4.3調(diào)度調(diào)節(jié)器asr的調(diào)節(jié)過程由于asr也是pi調(diào)節(jié)器，因此穩(wěn)態(tài)時： （式4.2） 由此式可見，在穩(wěn)態(tài)時。此式的物理含義是當(dāng)為一定的情況下，由于速度調(diào)節(jié)器asr的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在的數(shù)值上。假設(shè)其自動調(diào)節(jié)過程如下，即圖4.3。直至，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束。由上面分析還可見，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速

26、的變化而變化，而電流環(huán)則要求維持電流不變。由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)的作用只相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動而已，不起主導(dǎo)作用。只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍然能靠asr的積分作用，消除轉(zhuǎn)速偏差。4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器acr是不會達到飽和狀態(tài)的。對靜特性來講只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr飽和與不飽和兩種情況。1 速度調(diào)節(jié)器asr不飽和時的特性（1） asr的輸入偏差電壓，所以u轉(zhuǎn)速n。圖4.3 速度調(diào)節(jié)器asr不飽和時圖4.4速度調(diào)節(jié)器asr飽和時n=f(u),將的特性成為控制特性，有時也稱調(diào)節(jié)特性，得到u與近似線性關(guān)系的特性曲線，如果在負載兩端接一個轉(zhuǎn)速表，測出轉(zhuǎn)速

27、n，就可以繪出n=f(u)特性曲線。（2） acr的輸入偏差電壓，由于，則當(dāng)設(shè)定某一轉(zhuǎn)速時，u為某一值時負載到額定負載變化時即從時，a為一水平直線。此特性有時簡稱為負載特性。2 速度調(diào)節(jié)器asr飽和時的特性當(dāng)asr輸出達到飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開路狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)不能產(chǎn)生影響。系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速變?yōu)楹汶娏髡{(diào)節(jié)，雙閉環(huán)變成一個電流無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：當(dāng)電動機發(fā)生嚴(yán)重過載時，acr限制增長，并使轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)電動機出想堵轉(zhuǎn)時，此時n加速下降加速上升>0,于是asr進入飽和段,不再起調(diào)節(jié)作用.同時,當(dāng),將使4.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建立模型及其仿真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

28、橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：例：直流電動機：220v、130a、1500r/min、=0.132vmin/r,允許過載倍數(shù)：晶閘管裝置放大系數(shù)：=40電樞回路總電阻：r=0.5時間常數(shù)：，電流反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：設(shè)計要求：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量求解如下：1 系統(tǒng)的建模根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計方法及相關(guān)資料可得系統(tǒng)各參數(shù)如下：acr的比例系數(shù)：； acr的超前時間常數(shù)；asr的比例系數(shù)：； asr的超前時間常數(shù)；整流裝置滯后時間常數(shù)，三相式電路平均失控時間=0.0017s；電流濾波時間常數(shù)，三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有（）=

29、3.33ms，因此取=0.002s.轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取則可得此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：給定濾波環(huán)節(jié)： asr環(huán)節(jié)： 電流給定濾波： acr環(huán)節(jié)： 整流觸發(fā)環(huán)節(jié)： 電樞回路： 轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)： 電流反饋濾波： 轉(zhuǎn)速反饋濾波： 由上述各環(huán)節(jié)可得系統(tǒng)仿真模型如圖4.6: 圖4.6，轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)仿真圖2系統(tǒng)仿真在穩(wěn)態(tài)工作點上，電動機轉(zhuǎn)速是由給定電壓 決定的，asr的輸出量由負載電流決定，而與轉(zhuǎn)速給定值無關(guān)，acr的輸出量則同時取決于和的大小。pi調(diào)節(jié)器其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而總是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。因此acr、asr調(diào)節(jié)器的輸出限幅為：=1.5130a=12

30、.09v； u=7.5v1）系統(tǒng)的仿真 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個主要目的就是要獲得接近于理想的啟動過程。如圖所示啟動過程可分為三個階段。第一階段為電流上升階段。啟動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入端突加給定電壓，由于電動機慣性的作用，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速反饋電壓增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在給定階躍信號作用下，迅速飽和，其輸出突跳到限幅值。在啟動過程中，轉(zhuǎn)速反饋電壓不斷上升，但只要轉(zhuǎn)速為超過給定值，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差電壓總是大于0。因此輸出值將一直處于限幅值，并輸出最大電流給定電壓值電流調(diào)節(jié)器acr。由于電流反饋電壓隨著電流上升，acr的輸入偏差電壓就衰減，開始時，電流由于acr的積分作用而上升，當(dāng)與相等時，電

31、流就上升到最大值，第一階段結(jié)束。第二階段是恒流等加速度啟動階段。這是雙閉環(huán)系統(tǒng)起動的主要階段。在這段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仍處于飽和狀態(tài)。只有電流調(diào)節(jié)器起調(diào)節(jié)作用，基本上保持電流為，因此獲得了啟動時間最短的啟動過程。電動機在這個階段中，以恒定的加速度線性上升，直到轉(zhuǎn)速達到給定值。隨著轉(zhuǎn)速及反電勢的迅速上升，使略有下降，產(chǎn)生偏差電壓，acr就起調(diào)節(jié)作用，使作進一步增長，又促使回升至最大值。當(dāng)轉(zhuǎn)速按線性不斷增長時，電流調(diào)節(jié)器就不斷重復(fù)上述的恒流調(diào)節(jié)。也按線性不斷增長。第三階段使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr也一起參與調(diào)節(jié)。系統(tǒng)進入雙閉環(huán)調(diào)節(jié)階段。asr處于主導(dǎo)地位，而acr的作用是使電流跟隨a

32、sr的輸出而變化。【19】【20】 這階段開始時轉(zhuǎn)速以達到給定值。轉(zhuǎn)速反饋電壓等于給定電壓，asr的輸入偏差出現(xiàn)了速度超調(diào)，>。于是asr的輸出迅速下降而退出飽和,并參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。的下降是也下降，但當(dāng)>時，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。當(dāng)<后，在負載力矩作用下電動機開始減速，經(jīng)過asr、acr的調(diào)節(jié)直至穩(wěn)定。系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，=，n=,asr和acr的輸入偏差均為零，但是由于積分作用，他們都有恒定的輸出電壓。圖4.7 電流波形圖圖4.8 電壓的波形圖圖4.9 轉(zhuǎn)速波形圖5結(jié)論本文對單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了計算機仿真研究。直流電機具有良好的起制動性能，易于在較廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許

33、多高性能可控電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如軋鋼機、龍門刨床、高層電梯、高精度機床等。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上與實踐上都比較成熟，從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速的基礎(chǔ)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)，在設(shè)計和調(diào)試過程中有大量的參數(shù)需要計算和調(diào)整。運用傳統(tǒng)的設(shè)計方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在軟件和硬件方面提供了良好的設(shè)計平臺。此次論文運用matlab軟件建立了調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。利用simulink中仿真功能對系統(tǒng)進行了仿真，仿真的結(jié)果證明了該方法的可行性、合理性。利用仿真技術(shù)可以很大程度地減少雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試強度。【21】本次論文雖然較全面的探

34、討直流調(diào)速系統(tǒng)，但是仍有許多遺憾之處：1 此論文主要討論的系統(tǒng)均屬于不可逆調(diào)速系統(tǒng)，它僅適用于要求不改變電動機旋轉(zhuǎn)方向，同時對停車的快速性又無要求的生產(chǎn)機械，如造紙機、車床、鏜床等。然而，在實際生產(chǎn)中，有許多生產(chǎn)機械卻要求電動機既能正、反轉(zhuǎn)，又能快速制動，這類生產(chǎn)機械的拖動，需要四象限運行的特性。這就用到了可逆調(diào)速系統(tǒng)。因此對可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的研究就成了以后工作的方向之一。2 工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展到較高階段，如冶金軋機、電氣機車、電梯的出現(xiàn)要求傳動電動機能快速正反轉(zhuǎn)，起動力矩大，快速制動，停位準(zhǔn)確，調(diào)速范圍大，精確度高，響應(yīng)快，因此在傳統(tǒng)調(diào)速中一直采用直流電動機，運行了幾十年。但由于直流電動機的換向器

35、及電刷在大容量方面問題較多，而且維護量大，1970年后逐步被交流同步機及異步機變頻調(diào)速代替。與直流電動機相比具還有下列以下優(yōu)點：(1)單機容量不受限制；(2)體積小，重量輕，占地面積小(3)轉(zhuǎn)動慣量小；(4)動態(tài)響應(yīng)好；(5)維護簡單化；(6)節(jié)約能源。由此可見對交流調(diào)速進行研究也是必要的。3 隨著高新技術(shù)的進一步發(fā)展，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以成為調(diào)速系統(tǒng)（無論是直流調(diào)速還是交流調(diào)速系統(tǒng)）發(fā)展的趨勢。數(shù)字化是智能化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。因此數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的研究成為以后工作的重中之重。 參考文獻1 梅曉榕,柏桂珍,張卯瑞等. 自動控制元件及線路m. 北京：科學(xué)出版社，2005.2 晁勤 ，傅成乎. 自動控制原理m. 重慶：重慶大學(xué)出版社,2001.3 趙文蜂. matlab控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真m. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2002.4 魏克新 ,王云亮 ,陳志敏. matlab語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計m. 北京：機械工業(yè)出版社.5 蔡啟仲. 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計m. 重慶 ：重慶大學(xué)出版社,2003.6 賀益康 ,潘再平. 電力電子技術(shù)m. 北京：科學(xué)出版社,2005.7 姚憔耕, 愈文根. 電氣自動控制m.2005.8 張愛玲 ,李嵐 ,梅麗風(fēng). 電力拖動與控制m. 北京 ：機械工業(yè)出版社.9