1、1緒論直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛圍平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切割機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它乂是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該很好的掌握直流系統(tǒng)。我們可以首先從單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)來研究。由于系統(tǒng)需要觀察較多的性能，計算參數(shù)較多，而MATLAB中的Simulink實用工具可直接構(gòu)建其動態(tài)模型，省去大量的計算，通過修改動態(tài)模型可完善系統(tǒng)性能。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述從生產(chǎn)機械要求控制的

2、物理量來看，電力傳動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)等其他多種類型，各種系統(tǒng)往往是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的驅(qū)動控制系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)目前分為交流和直流調(diào)速控制系統(tǒng)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好并且具有良好的動態(tài)性能。因此在相當長的時期，高性能的調(diào)速系統(tǒng)兒乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。相比于交流調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上更加成熟。直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的自動控制系統(tǒng)。在20世紀60年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以轉(zhuǎn)換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，建筑、辦公、家庭

3、自動化控制設(shè)備提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，因此，人類社會的生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發(fā)，先進控制技術(shù)的發(fā)展,電力電子和電力傳動控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這一變化的影響將越來越大。單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，其良好的調(diào)速性能、低廉的價格越來越被大眾接受。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、平波電抗器、晶閘管整流調(diào)速裝置、電動機-發(fā)電機、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。我們可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的控制角來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，非常方便,高效。1.2MATLAB簡介在1980年前后，美國的克利夫博士在新墨西哥大學(xué)講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其

4、它高級語言編程非常不方便，他們構(gòu)思和開發(fā)了Matlab（MATrixLABoratory,即矩陣實驗室），它是集命令翻譯，科學(xué)計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進行了兒年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，它使的矩陣的運算變得異常容易。MATLABSGI是由美國MathWorks公司開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件中，包括了兩個主要部分：數(shù)學(xué)計算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計算部分提供了強大的矩陣處理和繪圖功能。1998年，MATLAB增加了電力系統(tǒng)模塊庫，該模塊庫以Simulink為運行環(huán)境，是建立在Simulink標準模塊和M語言基礎(chǔ)上的一個附加模型庫，它提供為電力系統(tǒng)仿真分

5、析專用的各種線性與非線性元件和模塊。尤其是在MATLAB6.X之后的版本中，SimPowerSysterns的元件庫進行了擴種，用戶可以在庫中找到例如IGBT、MOSFET、GT0等兒乎所有常用的新型電力電子器件模型，給使用帶來極大的方便?？梢暬瘓D形仿真功能實在SIMULINK環(huán)境下進行的。進入MATLAB系統(tǒng)后打開瀏覽窗口到模塊庫，用鼠標左鍵雙擊其中的SimPowerSysterns即可彈出電力系統(tǒng)工具箱模塊庫。它主要包含以下兒類：電源庫、元件庫、機組模型、電力電子元件庫、測量元件、連接元件、其他元件、電力圖形用戶界面、演示系統(tǒng)等，基本涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用

6、的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，其元件和模塊是由電力工業(yè)領(lǐng)域的專家提供并得到實際證明的，符合電力專業(yè)分析軟件的要求。這些模塊庫包含了大多數(shù)常用電力系統(tǒng)元件的模塊。利用這些模塊及其他庫模塊，用戶可方便、直觀地建立各種系統(tǒng)模型并進行分析。直流電動機具有調(diào)速性能好，起動轉(zhuǎn)矩大，易于在大圍平滑調(diào)速等優(yōu)點，其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制中占有及其重要的地位。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，特別是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動機拖動將有逐步被交流電動機拖動所取代的趨勢，但在中、小功率的場合，常釆用永磁直流電動機，只需對電樞回路進行控制，相對比較簡單。特別是在高精度位置伺服控制系統(tǒng)、在調(diào)速性能要求高或要求大轉(zhuǎn)矩的場所

7、，直流電動機仍然被廣泛采用，直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計要完成開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計算參數(shù)較多，往往難以如意。如在設(shè)計過程中使用Matlab中的SimuLink實用工具來輔助設(shè)計，由于它可以構(gòu)建被控系統(tǒng)的動態(tài)模型，直觀迅速觀察各點波形，因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復(fù)修改其動態(tài)模型來完成，而不必對實物模型進行反復(fù)拆裝調(diào)試。本文運用MATLAB中的SimuLink實用工具對設(shè)計電路進行了仿真。1.3從1971年開始到目前的這個階段，直線電機進入了獨立的應(yīng)用時代，在這個時代,各類直線電機的應(yīng)用得

8、到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機驅(qū)動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度己超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗行程累計己達數(shù)十萬千米。在這個時期，直線電機領(lǐng)域的研究人員通過對直流電機在歷史發(fā)展中多次起落的分析，終于選擇了一條適合直流電機自身發(fā)展的獨特思路，它不再與旋轉(zhuǎn)電機直接對抗，不以單機的形式與旋轉(zhuǎn)電機競爭，而以直線電機系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)相比，從而找到適合于自己的系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)電機展開競爭，在旋轉(zhuǎn)電機無能為力的地方尋找自己的位置。例如，直線電機應(yīng)用于磁懸

9、浮列車，液態(tài)金屬的輸送和攪拌，電子縫紉機和磁頭定位裝置,直線電機沖壓機等等。直線電機走自己的道路，在滿足人類需求的過程中求得自身的發(fā)展。在世界上一些發(fā)達國家，許多人和不少著名電氣企業(yè)均在研究和開發(fā)直線電機產(chǎn)品，例如美國的西屋(Westinghouse)公司、徳國的西門子(SIEMENS)公司、英國、法國、瑞典，特別是日本，其人員之多和圍之廣是世界首屈的。我國直線電機的研究和應(yīng)用發(fā)展是從20世紀70年代初開始的。主要成果有工廠行車、電磁錘、沖壓機、摩擦壓力機、磁分選機、玻璃攪拌、拉伸機、送料機、粒子加速器、郵政分揀機、礦山運輸系統(tǒng)、計算機磁盤定位系統(tǒng)、自動繪圖儀、直線電機驅(qū)動遙控(電動)窗簾機、

10、直線電機驅(qū)動門、炒茶機等，我國直線電機研究雖然也取得了一些成績，但與國外相比，其推廣應(yīng)用方面尚存在很大差距。在70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫.EISPACK是特征值求解的F0ETRAN程序庫，UNPACK是解線性方程的程序庫。在當時，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。到70年代后期，身為美國NewMexico大學(xué)計算機系系主任的CleveMoler,在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自

11、己動手，利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler給這個接口程序取名為MATLAB,該名為矩陣(matrix)和實驗室(laboratory)兩個英文單詞的前三個字母的組合在以后的數(shù)年里,MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續(xù)進行MATLAB的研究和開發(fā)。在當今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，

12、這類軟件長于數(shù)值計算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件,Mathematica,Maple等。這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精確解，其缺點是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低。MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎(chǔ)上，乂率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學(xué)科、多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB。經(jīng)過多年的國際競爭，MATLAB以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導(dǎo)地位。在MATLAB進入市場前國際上的許多軟件包都是直接以F0RTRANC語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點是使用面窄，接口簡陋，程序結(jié)構(gòu)

13、不開放以及沒有標準的基庫,很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國科學(xué)家開發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。在MATLAB問世不久的80年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB4。0版，1995年推出4。2C版(forwin3。X)1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。MATLAB5。X較MATLAB4。X無論是界面還是容都有長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3。0或IE4。0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地瀏覽。時至今日，經(jīng)過Math

14、Works公司的不斷完善,MATLAB己經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺的功能強大大大型軟件。在國外，MATLAB己經(jīng)經(jīng)受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB己經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)理統(tǒng)計，數(shù)字信號處理，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(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。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部門,MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題。在國，特別是工程界，MATLAB定會盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個學(xué)科，都能在MATLAB里找到合適的功能。2調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標21直流電動機工作原理2.1.1直流電動機構(gòu)成（1）定

15、子：主磁極、換向磁極、端蓋、機座、電刷裝置；（2）轉(zhuǎn)子：電樞繞組、電樞鐵心、換向裝置、轉(zhuǎn)軸、風扇；（3）氣隙。2.1.2直流電機勵磁方式勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按照勵磁方式，直流電機分成他勵和自勵兩大類，其中自ifb)d勵式乂分為并勵、串勵和復(fù)勵三種。圖21給出了這四種勵磁方式的電路圖。圖2.1直流電動機按勵磁方式分類a）他勵式b）并勵式c）串勵式d）復(fù)勵式213直流電動機工作原理I如果將直流電壓直接加到線圈上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。設(shè)導(dǎo)體中的電流為i,載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力f,f=bil,作用于線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩T則等于2倍的電磁力乘上力臂，即Inq)T=2f=bilD2(2.

16、1)式（2.1）中，D為電樞外徑。若電流i為恒定，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，氣隙磁通密度b的方向為一正一負，因此電磁轉(zhuǎn)矩T將是交變的，一個周期的平均值為0,無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)，然而在直流電動機中，電流并非直接接入線圈，而是通過兩個電刷和換向器再接入線圈，這樣情況就不同To因為兩個電刷靜止不動，電流i總是從正極性電刷流入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的換向片，由另一個電刷負極性電刷流出。故當導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)而交替的處于兩個磁極下時，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時電刷和換向器起到把外部電源流入的直流，改變成線圈的交流的“逆變”作用。這就是直流電動機的工作

17、原理。電動機調(diào)速指標穩(wěn)態(tài)指標：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速進行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時能穩(wěn)定運行，而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負載變化及電源電壓波動的影響。因此穩(wěn)態(tài)指標就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速圍和靜差率。調(diào)速圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速心返和最低轉(zhuǎn)速Gm之比叫做調(diào)速圍，用字母D表示，即D=基(2.2)%其中山藏和Gm一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。靜差率當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落嘰,與理想空載轉(zhuǎn)速佻之比，稱作靜差率s,即(2.3)靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定

18、度。它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。調(diào)速圍和靜差率兩項指標并不是彼此孤立的必須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)圍。脫離了對靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速圍；反過來，脫離了調(diào)速圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。調(diào)速的平滑性相鄰兩級轉(zhuǎn)速的接近程度叫做調(diào)速的平滑性?？捎闷交禂?shù)卩來衡量，它是相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比，即n.0=人(2.4)卩越接近于1,平滑性越好。卩在1.06以下時，可認為轉(zhuǎn)速基本上連續(xù)可調(diào)，級數(shù)接近無窮多，稱作無級調(diào)速。2.3直流電動機的調(diào)速直流電動機分為他勵直流電動機和自勵直流電動機

19、，本文以他勵直流電動機為例來說明直流電機的調(diào)速。他勵直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電。在勵磁電壓r的作用下，勵磁繞組過勵磁電流，從而產(chǎn)生主磁通。在電樞電壓匕的作用下，電樞繞組過電樞電流匚。他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速公式為：EU-IRn=-=(2.5)CC伸式(2.5)中：E為電樞電動勢；U為他勵電動機的電樞電壓;I為電樞電流；R為電樞回路的總電阻；0為勵磁磁通;n為電機的轉(zhuǎn)速;。為電動勢系數(shù)，由電機結(jié)構(gòu)決定。由此，直流電動機有三種調(diào)速方式：電樞回路串電阻的變電阻調(diào)速，改變電樞電壓的變電壓調(diào)速以及減小氣隙磁通量的弱磁調(diào)速。(1)電樞回路串電阻調(diào)速該調(diào)速方法的原理可用圖2.2來

20、說明。設(shè)電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載，原來運行與A點，轉(zhuǎn)矩為現(xiàn)欲將速，在電樞回路中串入電阻兀1,從圖中可看出到達新的穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)速將降為切，所串電阻越大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速越低。忽略電磁慣性，調(diào)速過程可大致說明如下：電動機原來運行于A點，轉(zhuǎn)速為負載轉(zhuǎn)矩為7V1,串入電阻兀1以后，電動機的機械特性將變?yōu)橹本€nOB。電動機的轉(zhuǎn)速不能發(fā)生突變，于是，電動機旳運行點將由A點變?yōu)镃點，C點所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為，顯然T2ri,即在C點電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機將減速。隨著轉(zhuǎn)速下降，反電動勢將減小，電流將增大，電磁轉(zhuǎn)矩亦將增大,但在到達B點以前，T始終小于幾1,故減速過程將沿機械特性“OB由C點向B點進行如圖1中箭頭所示。到達B

21、點以后，T=Mi，進入新的穩(wěn)態(tài)，于是電動機的轉(zhuǎn)速由調(diào)至從機械特性還可以看出，當空載或輕載時，調(diào)速圍很小，調(diào)速效果不明顯；而在低速時，特性變軟，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性較差（即很小的負載波動將引起速度較大的波動）;此外，這種調(diào)速方法只能實現(xiàn)有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性較差。這種調(diào)速方法的優(yōu)點是設(shè)備不太復(fù)雜，操作比較簡單。（2）降低電源電壓調(diào)速該調(diào)速方法的原理可用圖2.3來說明。u2uu11Uy0圖2.3降壓調(diào)速原理設(shè)電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載（幾1）,在額定電壓下運行于A點，轉(zhuǎn)速為5,先將電源電壓降為，忽略電磁慣性，電動機的機械特性由圖中的特性1變?yōu)樘匦?,轉(zhuǎn)速不能突變，于是，電動機的運行點由A點變?yōu)镃點。在（2點，

22、對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為T2tT2下面簡單介紹一下其工作原理：6個晶閘管的脈沖按1到6個順序，相位依次相差60；共陰極的組的3個晶閘管脈沖依次相差120。，共陽極組的3個晶閘管脈沖也依次相差120；同一相的上下兩個橋壁的晶閘管脈沖相差180o每個時刻均需2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負載供電的回路，一個晶閘管是共陽極組的，一個是共陰極組的，且兩個晶閘管不在同一相。采用雙脈沖觸發(fā)，兩個脈沖前沿相差60，脈寬一般為20-30o當給定某一觸發(fā)角時，共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓與共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓之差，即為輸出整流電壓，這樣通過改變觸發(fā)角的大小，就可以改變輸出整流電壓To當人60時的

23、整流電壓平均值為：3”v6i79sin一+fF3二23iy2cosa(31)當60v90時的電壓平均值為:討鮎阿2血沁仙）仏3=2.34u21+3(32)3.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和靜特性要維持電動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，可引入該物理量的反饋量，構(gòu)成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。常用的反饋系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速反饋、電壓反饋和電流反饋系統(tǒng)，本文采用轉(zhuǎn)速反饋。在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機TG,從而引出與被調(diào)量一轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓S，與轉(zhuǎn)速給定電壓：1相比較后，得到偏差電壓%，經(jīng)過放大器A,產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓St,用以控制電動機轉(zhuǎn)速。其原理圖如圖3.3所示。只要轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差，該系統(tǒng)就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正

24、是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，該系統(tǒng)可大大減少轉(zhuǎn)速降落。下面分析這個閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)轉(zhuǎn)速負反饋的閉出主要矛盾，先作如下的假定:（1）忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的;（2）假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；（3）忽略直流電源和電位器的阻。各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)：（3.3）(3.4)放大器：Uc嚴KQU“(3.5)(3.6)(3.7)V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性:晶閘測速發(fā)電機：Uts=圖9以上速負關(guān)系式環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖la圖3.5P調(diào)節(jié)器原理圖3.5.2比例積分放大器0圖in在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯徳圖分成高、中、低三個頻段，頻段的界限是大致

25、的。圖6為一種典型伯徳圖的對數(shù)幅頻特性。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，對快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器。采用運算放大器的PI調(diào)節(jié)器如圖38o3e+l01+K1+K1+K整理后得TT（3.16）式（3.16）中右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系統(tǒng)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。根據(jù)上面的分析可知，可能出現(xiàn)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的比放大系數(shù)小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)性能指標，乂保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度。為此必須再設(shè)計合適的校正裝置，以改造系統(tǒng)，才能達到要求。37穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析3.7.1比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3,llo當/：=0時只擾動輸入量/如這時

26、的輸出量即為負載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差A(yù)m可將動態(tài)結(jié)構(gòu)圖改畫的形式如圖312o負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差:/出($)U(耳S+1)(7)S+1)/亦“二lullsAii(S)=Inn；Q(T+K)Z一。(7+i)(TniTA+TmS+1)+K這和靜特性分析的結(jié)果是完全一致的。372積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差圖亦給有為差圖采用比比例5目分調(diào)節(jié)器如圖3.13突加負載時1腫丄于是學(xué)心+1)4+1)A/7(5)=噸;+9+Tms+1)+aK/q負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為一誓心+1）（加+1）3.19)A/?（5）=Inn5A/?（5）=lun-；=0一。-5（7+1）（7；7；廠+7+1）+必,可見，積分控制的調(diào)

27、速系統(tǒng)是無靜差的。373比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差用比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖314o圖3.13給定為0時采用積分調(diào)節(jié)器圖圖3.14給定為的閉壞調(diào)速系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)圖給定為($)=Inn5A/7(5)=Inn-岸下(7+1)(G+1)aK=0(3.20)則穩(wěn)態(tài)速差為鞏7+)(TJS2+7+1)+于(KTs+1)因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。374穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系上述分析表明，就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來說，比例控制系統(tǒng)是有靜差的，而積分控制和比例積分控制系統(tǒng)都沒有靜差。顯然，只要調(diào)節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用點以前含有

28、積分環(huán)節(jié)，則外擾動便不會引起穩(wěn)態(tài)4電路設(shè)計和仿真該系統(tǒng)的控制對象是直流電動機M,被控量是電動機的轉(zhuǎn)速n,晶閘管觸發(fā)及整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，和晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路，用來調(diào)節(jié)晶閘管的控制角。測速模塊把測得的轉(zhuǎn)速反饋到輸入中。4.1電路原理選用轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)節(jié)方式，設(shè)計單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖41AHI11U匚七v)uiLiUS所示，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電機的無級平滑調(diào)速。單閉壞該系統(tǒng)由整流變壓器圖平波電抗器、晶閘管整流調(diào)速裝置、電動機-發(fā)電機和測速反饋組組成。圖中將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)速度變化后接到電流調(diào)節(jié)器的輸入端，與給定的電壓相比較，經(jīng)放大后，得到

29、移相控制電壓匕，用其作為控制整流橋的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變?nèi)嗳卣鞯妮敵鲭妷海@就構(gòu)成了速度負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。電動機的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電動機最高轉(zhuǎn)速由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，電流調(diào)節(jié)器釆用比例（P）調(diào)節(jié)，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，想要消除上述誤差，須將調(diào)節(jié)器換成比例積分（PI）調(diào)節(jié)。這時當給定電壓恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)起到了抑制所用，當電動機負載或電源電壓波動時，電動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的圍之中。4.2參數(shù)設(shè)計及MATLAB仿真4.2.1系統(tǒng)仿真圖應(yīng)用MATLAB仿真工具對圖4.1所示單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，其仿真圖見附錄lo4.2.2系統(tǒng)的建模和參

30、數(shù)設(shè)置（1）觸發(fā)電路的建模和參數(shù)設(shè)置圖4.2同步電源與6脈沖觸發(fā)器1）六脈沖同步觸發(fā)器模型：SimPowerSysternsExtralibrary一Controlblocks,其參數(shù)為：同步電壓的頻率/Hz欄為50,脈沖寬度/degree欄為1,釆用雙脈沖觸發(fā)方式，其參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示。）三相線電壓模型：SimPowerSystems-MeasurementsVoltageMeasurement,分別命名為Vab、Vbc、Vcao）三個連接端口：SinPowerSystemsElementsConnectionPort,分別命名為Ua、Ub、Uco4）兩個輸入模塊：SimulinkSou

31、rcesIni分別命名為Uct、In2,Uct端口數(shù)設(shè)為5,In2端口數(shù)設(shè)為4。5)個輸出模塊：SimulinkSinksOutl。SynchrcniradG-pulseE&n&rat&r(sask)(link)Um豈th.:blocktoFir是the呂thyristoisof愿G-puleeenvertar.Theoutputiss.vectorof6pulses(QlindividuallyETuchronizedon.the6cautationt包寥wsPulsesaregeneratedilphadegreesaftertiieincr&asirtzeTocrossincEoftii

32、ecoimutationvoltaees.PaiaaetersFxquencvosthchxcnisationvoltages(Kz):2KancelHelp圖4.3找到各元件，按圖4.2所示連線，注意Vab、Vbc、Vca是呈三角形連接的。接好連線后，按Ctrl+A全選，點擊EditCreateSubsystem,對6脈沖同步觸發(fā)器進行子系統(tǒng)封裝。封裝后如圖4.4所示。CajUct-nUeUb圖4.4六脈沖觸發(fā)封裝子系統(tǒng)（2）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置新建個模型文件，將觸發(fā)電路子系統(tǒng)復(fù)制到新文件中。）三個交流電壓源模塊：PowerSystemsElectricalSourcesACVoltage

33、Source,分別命名為Va、Vb、Vc,參數(shù)設(shè)置為：Peakamplitude欄為220,Frequency欄為50,Phase欄分別為0、120、240o巳RlxkParfiatACVoltageSource(cask)Clink)IdealcinuEcidalACVoltHEGEource.P-STS*lGt&rSPeakaaplitud&(V):)個接地模塊：SinPowerSystemsElementsGround)晶閘管整流橋和二極管：SinPowerSysternsPowerElectronicsUniversalBridgeo參數(shù)設(shè)置如圖4.5,4.6所示：IfcQIULUlf

34、J山山111限X|Ths&blockinDlmrn：呂brideofeielect*drlwtiraiGBdevicr5ezi&RCLaubtrtHDwJInpTz：I-：with&卻hswitch白唾厶blpfosrucEztsd=eu3bsrve.luaiM-el:;aicrct:zP&raLZClicatiaEiEtnemzemtlinajuczanse-onozdicdeeuiutkr:.slj.IfxiirirrDridlVnivtrM!Eixrite立址(lirk):ti:tle:Uisc.iaecrie：ecfseieztiweeriltctrsficsdefies.S:*:e:

35、表Cwjbrr:r:uit=r-：flrnwt*iirtaial1.-witht越：htdricrrrs*Kel:&r=丄是&匕二二二日：iUHUHvzij.czTittntnc1=dLizTi-zccr=c=titstth*ifitei-idJ-tfl*liC勺:0J*學(xué)廣占thlrr:s弓bgldb*p霽*ei；*aPat=1.Avalue1sunsallinputs;1sunseluentsofasingleinputvector:ISier.aldatatypes參數(shù)設(shè)置如圖4.10所示：11）兩個比例環(huán)節(jié)：SimulinkMathOperationsGain,其Gain欄參數(shù)設(shè)置如圖

36、411所示:FujaetiSlockG2S1OK圖4.11比例壞節(jié)參數(shù)設(shè)置個限幅器：SimulinkCommonlyUsedBlocksSaturation,其參數(shù)設(shè)置如圖4.12所示：ance1IHelp圖4.12限幅器參數(shù)設(shè)置找出上述所有元件后，就可以按照圖4.1所示進行連線了。值得注意的是：直流電動機本身帶一個反電動勢E,如果不考慮電動機的電樞電感,只有當晶閘管導(dǎo)通相的變壓器二次側(cè)電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流流出，容易造成負載電流的斷續(xù)，為此，通常在主電路直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管的導(dǎo)通時間。另外，整流橋后面并聯(lián)一個二極管，可以加快電動機的減速過程，

37、同時避免在整流橋輸出端出現(xiàn)負電壓而使波形畸變。將元件連接好后，設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)，點擊菜單欄的Simulation中的ConfigurationParameters彈出參數(shù)設(shè)置窗口，其參數(shù)設(shè)置如圖4.13所少:園務(wù)翌草射仇P園:竺鳥園m冬翌器翌竺墾阜馬里爭呼腎卿2巾iod?科緡1g眄迅圖4.14表示轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形，其中橫坐標表示時間/s,縱坐標分別表示r/min.A、A和Nm,通過分析可知，該仿真結(jié)果與實際運行結(jié)果是相似的，說明系統(tǒng)的建模和仿真是成功的。本設(shè)計為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，通過分析直流電動機的運行特點、調(diào)速方式和穩(wěn)態(tài)性能等，選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)速方式，設(shè)計單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真工具對其進行仿真。通過調(diào)試和仿真，該系統(tǒng)可很好的實現(xiàn)直流電機的調(diào)速，轉(zhuǎn)速具有一定的穩(wěn)定性,并且當電源電壓和電動機負載變換時，轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在一定的圍。當然，系統(tǒng)也存在一些不足，由于電流調(diào)節(jié)器采用的比例調(diào)節(jié)，系統(tǒng)是有靜差的