1目錄1前言.22雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理.32.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹.32.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成.42.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)太結構圖和靜特性.52.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型.62.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析.62.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析.82.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標.102.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析.122.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器的作用.133MATLAB語言及Simulink.143.1仿真技術的背景.143.2Matlab和Simulink簡介.143.3Matlab建模與仿真.153.4Simulink仿真工具.153.5控制系統(tǒng)計算機仿真的過程.164Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結果及分析.184.1電流環(huán)的MATLAB計算及仿真.194.1.1電流環(huán)校正前后給定階躍響的MATLAB計算及仿真.194.1.2繪制單位階躍擾動響應曲線并計算其性能指標.204.1.3單位沖激信號擾動的響應曲線.224.1.4電流環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真.224.2轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計算及仿真.244.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)校正前后給定階躍響應的MATLAB計算及仿真.244.2.2繪制單位階躍信號擾動響應曲線并計算其性能指標.264.2.3單位沖激信號擾動的響應曲線.274.2.4轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真.285總結.30附錄.31參考文獻.36致謝.3721前言許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的結構較復雜，控制器可調(diào)參數(shù)較多，所以整個系統(tǒng)的設計和校正比較困難，需要有一個功能全面、分析方便的仿真設計平臺。傳統(tǒng)的仿真設計平臺主要是VC和Delphi等高級語言環(huán)境，需要做大量的底層代碼編寫工作，很不方便，效率不高，仿真結果也不直觀。自從MATLAB的Simulink推出以后，動態(tài)系統(tǒng)的仿真就變得非常容易了。因其含有極為豐富的專用于控制工程與系統(tǒng)分析的函數(shù)，具有強大的數(shù)學計算功能，且提供方便的圖形繪制功能，只要在Simulink中畫出系統(tǒng)的動態(tài)結構圖模型，編寫極簡單的程序，即可對該系統(tǒng)進行仿真，效率極高，從而給系統(tǒng)的設計和校正帶來很大的方便。Matlab在學術和許多實際領域都得到廣泛應用，已成為國際控制界應用最廣的語言和工具。本課題主要是在Simulink環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真設計，具體內(nèi)容有：對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行校正設計；對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進行時域和頻域分析；對調(diào)速系統(tǒng)進行跟隨性和抗擾性分析。32雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流dcrI值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a所示。當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。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程(b)理想快速起動過程(a)Currentdeadlinewithasinglenegativefeedbackloop(b)anidealquickstartprocessspeedcontrolsystemstartingprocess圖2-1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形Fig2-1speedsystemstartofthecurrentprocessandspeedwaveformIdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)4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，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmI的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變1，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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。從閉環(huán)結構上看，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)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI1調(diào)節(jié)器。因為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1，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性1；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，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。圖2-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Fig2-2rotation、currentdoubleclosedloopDCrotationregulationsystemU*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器TG測速發(fā)電機TA電流互感器UPE電力電子變換器nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG環(huán)ni外環(huán)內(nèi)環(huán)52.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖2-3a，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)太特征。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。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U1在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖2-3a雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。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。（一）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和此時兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都為零，即nUUnn*diiIUU*由nUUnn*得：0*nUnn從而得到圖2-3b靜特性的n0-A段。由diiIUU*，且ASR不飽和*imiUU得：dmdII，說明n0-A段靜特性從0dI(理想空載狀態(tài))一直延續(xù)到dmdII，而dmI一般都大于額定電流dnomI的。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此時，ASR輸出達到限幅值*imU，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時有：6n0IdIdmIdNOnABCdmimdIUI*從而得到圖2-3b靜特性的A-B段。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于dmI時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差1，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達dmI后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。圖2-3b雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)2或零極點模型2為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖2-4所示。圖中)(sWASR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)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流dI顯露出來。圖2-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖2.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析設置雙閉環(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)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。雙閉環(huán)調(diào)速U*nUct-IdLnUd0Un+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E7系統(tǒng)突加給定電壓*iU由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖2-5所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)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)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。（一）第I階段（0t1）是電流上升階段。突加給定電壓*nU后，通過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，使ctU、0dU、dI都上升，但是在dI沒有達到負載電流dLI之前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當dLdII后，電動機開始轉(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ASR的輸入偏差電壓nnnUUU*的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值*imU，強迫電樞電流dI迅速上升。直到dmdII，*imiUU,電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了dI不再迅速增長，標志著