1、題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真目錄第一章概述-2-1.1仿真意義-2-1.2本設(shè)計內(nèi)容及要求-3-第二章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理-4-雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹-4-雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成-5-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-6-雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析-7-雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析-9-雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)-11-雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析-13-第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型-15-1直流電動機建模-15-1晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)-18-1按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器-19-1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計-20-1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計-24-第四

2、章SIMULINK環(huán)境中的系統(tǒng)建模、仿真結(jié)果及分析-28-電流環(huán)的MATLAB計算及仿真-29-電流內(nèi)環(huán)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖-29-電流環(huán)階躍響應(yīng)的MATLAB計算及仿真-30-電流環(huán)抗擾動響應(yīng)過程的MATLAB計算機仿真-32-電流環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真-33-轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB計算及仿真-34-轉(zhuǎn)速外環(huán)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖-35-轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng)的MATLAB計算及仿真-35-轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾動響應(yīng)過程的MATLAB計算機仿真-37-轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析的MATLAB計算及仿真-39-第五章結(jié)論-40-參考文獻(xiàn)錯誤!未定義書簽。致謝錯誤!未定義書簽。附錄錯誤!未定義書簽。第

3、一章概述仿真意義對于那些在實際調(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。但是長期以來，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)生了各種

4、仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。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。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

5、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。本設(shè)計內(nèi)容及要求本課題主要是對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，在Simulink環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行輔助設(shè)計，具體內(nèi)容有：對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行工程設(shè)計；在Simu

6、Link環(huán)境中對電流環(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。 直流調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的運動控制系統(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。第二章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)

7、濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。 它具有動態(tài)響應(yīng)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(fù)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(fù)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(fù)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屋,值以后，靠強烈的負(fù)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(fù)

8、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(dāng)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(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)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(fù)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

9、程實際上，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(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律,采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)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(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)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(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段。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(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者

10、之間實行審級連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制品閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)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PI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，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；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)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(zhǔn)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)ASR一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR

11、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)圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3,分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握UnUiUiJL-ASR外環(huán)TAACRUcUPE環(huán)LIdUdTGPI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達(dá)到限幅值；不飽和一一輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)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(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖2-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖一轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)一電流反饋系數(shù)實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來

12、說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。.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*UnUnA*UiUiId*由UnUnn得：no*從而得到圖2-4靜特性的CA段。ASR不飽和,UiU防福：IdIdm,CA段靜特性從理想空載狀態(tài)Id0一直延續(xù)到IdIdm,而Idm一股都大于額定電流IdN的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平特性。.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和.一.*此時，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim,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：*IId1dm從而得到圖2-4靜特性的AB段。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電

13、流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差， 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)Idm到后，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。IdNIdmId圖2-4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析設(shè)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)直流調(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)直流*調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Ui由靜止?fàn)顟B(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(biāo)明的I、II、III三個階段。第I階段（0

14、t1）是電流上升階段。.*.突加給定電壓Un后，通過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，使Uc、Ud。、Id都上升，但是在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL之前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)IdIdL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UnUnUn的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim,強迫電樞電流.*、一、Id迅速上升。直到IdIdm,UiUim，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id不再迅速增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第II階段（t1t2）是恒流升速階段。恒流升速階段是起動過程中的主要階段。在這個階段中，AS

15、R始終是飽和的，一一*轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定Uim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（圖2-5）0與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長， 對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量。 為了克服這個擾動，Ud。和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓一一一一*一一.UiUimUi必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idmo此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中ACR不應(yīng)飽和第III階段(t2以后)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。*當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定

16、值nn。時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其一一.*.輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim,所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，輸出.一.電壓Ui和主電流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流IdL,轉(zhuǎn)速將在一段時間內(nèi)繼續(xù)上升。直到Id=IdL時，轉(zhuǎn)矩Te=TL,則dn/dt=0,轉(zhuǎn)速n才能到達(dá)峰值。此后，電動機開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流出現(xiàn)一段小于IdL的過程，直到穩(wěn)定。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的三個特點：(1)飽和非線性控制當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)AS

17、R不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。(2)轉(zhuǎn)速超調(diào)由于PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，即在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。所以采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。(3)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最大值，并保持恒定，使系統(tǒng)最快起動，即在電流受限制條件下使系統(tǒng)最短時間內(nèi)起動。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。動態(tài)性能可分為動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能兩種。其中動態(tài)抗擾性能對于調(diào)速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動

18、。（一）動態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。在設(shè)計ACR時，應(yīng)強調(diào)具有良好的跟隨性能。（二）動態(tài)抗擾性能.抗負(fù)載擾動由圖2-6a可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在突加（突減）負(fù)載時，必然會引起動態(tài)速降（速升）。為了減少動態(tài)速降（速升），所以要求ASR具有較好的抗擾性能。-IdL?Ud-IdLb）圖2-6直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用a）單閉環(huán)系統(tǒng)b）雙閉環(huán)系統(tǒng)士？U電網(wǎng)電壓波動在可控電源電壓上的反映由于電網(wǎng)電壓擾動和負(fù)載

19、擾動在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它們的動態(tài)抗擾效果就不同。如圖2-6b所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動Ud和負(fù)載擾動1兒都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。從動態(tài)性能上看，負(fù)載擾動IdL作用在被調(diào)量n的前面，可以通過測速發(fā)電機檢測出來，使負(fù)載擾動通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得到及時調(diào)節(jié)。而電網(wǎng)電壓擾動作用在離被調(diào)量n更遠(yuǎn)的位置， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不能及時對它進行調(diào)節(jié)， 但是因為它作用在被電流負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，使電壓波動可以直接通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能高。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)

20、變化比起單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)兩類。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。(一)跟隨性能指標(biāo)在給定信號或參考輸入信號R的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)，如圖2-7所示。圖2-7典型的階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C的偏差越小

21、越好，達(dá)到C的時間越短越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)下列各項：.上升時間t.圖2-7繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的C是輸出量C的穩(wěn)態(tài)值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到C所經(jīng)過的時間稱作上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性。.超調(diào)量與峰值時間tp在階躍響應(yīng)過程中，超過t,以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時間tp時達(dá)到輸出量最大值Cmax,然后回落。Cmax超過穩(wěn)態(tài)值C的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比,用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。.調(diào)節(jié)時間ts調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸

22、出過渡過程要到t才穩(wěn)定，但實際上由于存在各種非線性因素，過渡過程到一定時間就終止了。 為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時間， 認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下（或取芝）的范圍為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時間定義為調(diào)節(jié)時間。顯然，調(diào)節(jié)時間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。（二）抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加一個使輸出量降低的擾動量F以后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖2-8所示。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。.動態(tài)降落Cmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動量，所引起的輸出量最大降落值Cmax稱作動態(tài)降落。一般用Cmax占輸出量

23、原穩(wěn)態(tài)值C1的百分?jǐn)?shù)CmaxC1100%來表示（或用某基準(zhǔn)值Cb的百分?jǐn)?shù)CmaxCb100%來表示）。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值C2,(C1C2)是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落，即靜差。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降nmax%。.恢復(fù)時間.從階躍擾動作用開始， 到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)， 距新穩(wěn)態(tài)值C2之差進入某基準(zhǔn)值Cb的CmaxC100%(或取苣)范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間卻，見圖2-4b。其中Cb稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。如果允許的動態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值C2作為基準(zhǔn)值。如果允許的動態(tài)降落較小，則

24、按進入%C:范圍來定義的恢復(fù)時間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個比新穩(wěn)態(tài)值更小的Cb作為基準(zhǔn)。土5%;或2%)L常圖2-8突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析在設(shè)計校正裝置時， 主要的研究工具是伯彳惠圖(BodeDiagram)如圖2-9所示,即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。正因為如此，伯德圖是自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中普遍使用的方法。在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，從上圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這

25、些特征包括以下四個方面：圖2-9典型的控制系統(tǒng)伯德圖(1)中頻段以20dB/dec的斜率穿越0dB線，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度,則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。(2)截止頻率(或稱剪切頻率)c越高，則系統(tǒng)的快速性越好。(3)低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。(4)高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計時往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中

26、，才能獲得比較滿意的結(jié)果。在伯德圖中，穩(wěn)定裕度是衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度(即相對穩(wěn)定性)的重要指標(biāo)，穩(wěn)定裕度包括以分貝表示的增益裕度GM和相角裕度一般要求：GM6dB、=3060保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實際系統(tǒng)在各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變時不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。穩(wěn)定裕度也能間接地反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動態(tài)過程振蕩、超調(diào)小。第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(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)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖中WASR(S)和WACR(S)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

27、電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。圖3-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.1直流電動機建模品閘管直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(V-M系統(tǒng))， 如圖3-1所示。 圖中他勵直流電機數(shù)據(jù)有：Pnom=10kW,Unom=220V,Inom=53.5A,nnom=1500r/min,電樞電阻Ra a=0.31Q,Q,回路總電阻R=0.4，回路總電感L=5.12mH,運動部分的飛輪慣GD2 2=7Nm2 2,允許的過載倍數(shù)1.5,晶閘管的放大系數(shù)為KS30。他勵直流電機在額定勵磁下的等效電路如圖3-2,其中電樞回路的總電阻R包括電力電子器件內(nèi)阻、電樞電阻以及主電路中接入的其他電阻；

28、電感包括電感L和主電路中接入的電感，規(guī)定的正方向如圖3-1所示假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為：Ud0RIdL迫E(3-1)dt如果忽略粘性磨榛及彈性轉(zhuǎn)矩，電機軸上動力學(xué)方程為:GD2 2dn額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：ECen(3-3)TeCmId(3-4)式中一包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm);GD2電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量(Nm2);Ce電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；UIRa22053.30.31Ce- -jnomjnomnom-Vmin/r=0.1356Vmin/r；n nnom15001500V額定勵磁下電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，品=4=失詈6=1.3m/A再定義

29、下列時間常數(shù):Tl-電樞回路時間常數(shù)，Tl=L=0.00512=0.0128sR0.4代入式(31)和式(32),并考慮式(33)和式(34),整理后得_d1dUd0ER(IdTl-)(3-5)dtIdIdLTmdE(3-6)Tm電力拖動系統(tǒng)機電時間常2二GD2 2R=70.4-375CeCm-3750.13561.2950.042$TeTL375dt(3-2)圖3-2他勵直流電機在額定勵磁下的等效電路Rdt在零初始條件下，取等式兩邊的拉式變換，得到電壓與電流的傳遞函數(shù):電流和電動勢的傳遞函數(shù):式（3-7）和式（3-8）的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分別畫在圖3-3a、b中。把兩圖和在一起，并考慮到nE/Ce

30、,即得額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1c所示。由圖3-1可看出，直流電機有兩個輸入量，一個是加在電樞上理想空載電壓Ud0,另一個是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。c)圖33額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a）電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖b）電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖c）直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖式中，IdL為負(fù)載電流（A）,IdLCmId(s)Ud0(s)E(S)詈(3-7)E(S)Id(s)Idl(s)R(3-8)TmSUd0+OnUnTls1Id(s)IdL(s)TmsE(s)Cea)b)3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析設(shè)計時，可把晶閘管觸發(fā)和整

31、流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)看待。動態(tài)過程中晶閘管觸發(fā)和整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，具滯后效應(yīng)是由晶閘管失控時間引起的。各種整流電路失控時間可參考表3-1。相對整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，Ts是不大的，在一般情況下，可取平均值Ts1/2Tsmax,并認(rèn)為是常數(shù)。表3-1各種整流電路的失控時間（f50HZ）整流電路形式最大失控時間Tsmax/mssmax平均失控時TS/ms單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67若用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系為UdoKsUc1(tTs)利用拉氏變換的位移定理，則晶閘管裝置傳遞函數(shù)為K

32、s1221331Tss-TssTss2!3!考慮到Ts很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)Ws(s)Udo(s)Uc(s)KseT Tss s(3-9)由于式（3-9）包含指數(shù)函數(shù)eTss,它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)。為了簡化現(xiàn)將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（3-9）變成TsWsKsesKsTsesKs“Ws(s)3-10)1TsS其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖示于圖3-4a)b)圖3-4晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖a）準(zhǔn)確的b）近似的3.3按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器本節(jié)將運用工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開

33、始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示，框圖中給出了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了使它不影響調(diào)節(jié)器的輸入，增加了低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)乙按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而在濾平交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這一作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延遲，是二者在

34、時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而得到設(shè)計上的方便。圖3-5轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi電流反饋濾波時間前數(shù)，/41Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向波紋，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ln表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為兀的給定濾波環(huán)節(jié)。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（一）電流結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖3-2電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給實際工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)T1遠(yuǎn)小于電機時間常數(shù)Tm,因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢

35、的擾動，在電流瞬間變化過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即E0。這樣按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影像，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-6a所示可以證明忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似式中的Wci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截至頻率。條件是wci3Tm；(3-11)Uc(s)Ks/Rld(s)(Tis1)(s1)c)圖3-6電流環(huán)的動態(tài)機構(gòu)框圖及其化簡a)忽略反電動勢的動態(tài)影響b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成Uj(s)/,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如

36、圖(3-6b)所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值的方便之處。最后，由于Ts和Ta一般比Ti小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似的看作是一個慣性環(huán)節(jié)，具時間常數(shù)為=TsToi(3-12)則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終化簡成圖3-6c,簡化的近似條件為wci-i-L-(3-13)3TsToi(二)電流環(huán)的結(jié)構(gòu)選擇首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成那一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖3-6c可以看出，采用典I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。因此，電流

37、環(huán)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典I型系統(tǒng)。圖3-6c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要矯正成典I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WACR(s)=Ki(is1)(3-14)is式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇iT,(3-15)則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3-7a所示的典型形式，其中ACRKiKsKF圖3-7b繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)頻域特性。（三）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算由式（3-14）可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是K和其中已選定，見式（3-15）待定的只有比例系數(shù)K,可根據(jù)所需的動態(tài)性能指標(biāo)選取

38、。在一般情況下，希望電流的超調(diào)量i5%由表3-2,可選0.707,KITi0.5,則1KI=wci=(3-16)Icici2Ti再利用式(3-16)和(3-15)得到Ki=TlR=(三)2KsTi2KSTi表3-2典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%Ui(s)仆_KIs(TiS1)Id(s)a)上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tDp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率wcc

39、0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T增加參數(shù)：電流反饋系數(shù)0.072V/A;設(shè)計要求：設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，要求超調(diào)量i5%0.確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù)TS,參考表(3-1)三相橋式整流電路的平均失控時間Ts=0.0017so2)電流濾波時間常數(shù)Ti。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(12)Toi3.3ms,因止匕取Toi=2ms=0.002s。3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti。按小時間常數(shù)近似處理，取TS+%=0.0037s。.根據(jù)設(shè)計要求i5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因

40、此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式(3-14)。檢查對電源電壓的抗擾性能：TI/Ti0.0128s/0.0037s3.49,參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。.計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流環(huán)調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：iTI0.0128s0電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，取KJi0.5,因此KI0.5/Ti0.5/0.0037135.1s1 1于是，ACR的比例系數(shù)為KiKIiR/(KS)=135.10.01280.4/300.072=0.32.檢驗近似條件：電流環(huán)截止頻率：DKI135.1s1 1o o1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：1/(3TS)1/(30.0017s)196

41、.1s滿足近似條件；2)忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：.1t,31/(TmT)3J1/(0.042S0.0128s)129.4sci滿足近似條件。3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：36dB,=3060,可見電流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其頻域性能是優(yōu)良的。轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB+算及仿真轉(zhuǎn)速換動態(tài)結(jié)構(gòu)若干考慮轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇比例積分調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:Js1W WASR(s)=Kpn-,Tn0.08670.0867,*與電流環(huán)添加低通濾波器措施一樣，在轉(zhuǎn)速環(huán)反饋通道與給定信號通道都添加了濾波慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：,式中Ton=0.01s是根據(jù)所用測速發(fā)電機紋Tons

42、1波情況選定。京11廿。-“口MOMO轉(zhuǎn)速外環(huán)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在SIMULINK下建立轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4-8:圖4-8帶參數(shù)雙閉環(huán)系數(shù)的Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011.mdl圖4-8中，有電動機的電勢內(nèi)反饋。圖中最左端是系統(tǒng)的給定輸入，最右端是系統(tǒng)的輸入量，即被調(diào)量一電機轉(zhuǎn)速。為了討論系統(tǒng)的動態(tài)擾動性能，與電流環(huán)一樣，也設(shè)置了兩個擾動信號作用點。 擾動信號1指代如負(fù)載變化引起的擾動； 擾動信號2指代諸如電網(wǎng)電壓的波動變化引起的擾動以及晶閘管整流與移向觸發(fā)裝置參數(shù)變化所引起的擾動等。轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng)的MATLA時算及仿真轉(zhuǎn)速環(huán)的校正主要是對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp以及對晶閘管觸發(fā)和整流裝置的p p放大倍數(shù)Ks進行校正。校正前Kp=55.3,Ks=100,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：TnS10.08671WASR(s)=K Kp=八八cccc，Tn0 0.08670867Tns0.00328s構(gòu)成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx011.mdl;校正后Kp=5.3,Ks=30,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：Tns10.0867s1WASR(S尸K Kp=，Tn0 0.08670867Tns0.0