PAGE55單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)綜合課程設計說明書目錄概述·······································2調速控制系統(tǒng)的性能指標·····················32.1直流電動機工作原理·······················42.2電動機調速指標···························42.3直流電動機的調速·························52.4直流電機的機械特性·······················5單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)·······················63.1V-M系統(tǒng)簡介······························63.2閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性···············73.3反饋控制規(guī)律·····························83.4主要部件·································93.5穩(wěn)定條件································113.6穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析························12單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真············144.1參數(shù)設計································144.2參數(shù)計算及MATLAB仿真···················15總結·······································24參考文獻第一章概述電動機是用來拖動某種生產機械的動力設備，所以需要根據(jù)工藝要求調節(jié)其轉速，而用于完成這項功能的自動控制系統(tǒng)就被陳為調速系統(tǒng)。目前調速系統(tǒng)分為交流調速和直流調速系統(tǒng)，由于直流調速系統(tǒng)的調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，因此在相當長的時間內，高性能的調速系統(tǒng)幾乎都采用直流調速系統(tǒng)，但近年來，隨著電子工業(yè)與技術的發(fā)展，高性能的交流調速系統(tǒng)也日趨廣泛。單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應用越來越廣泛，其良好的調速性能及低廉的價格越來越被大眾接受。單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調速裝置、電動機-發(fā)動機、閉環(huán)控制系統(tǒng)等組成，我們可以通過改變晶閘管的控制角來調節(jié)轉速，本文就單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真做以下介紹。第二章調速控制系統(tǒng)的性能指標2.1直流電動機工作原理直流電機的構成(1)定子：主磁極、換向磁極、機座、端蓋、電刷裝置；(2)轉子：電樞鐵芯、電樞繞組、換向裝置、風扇、轉軸；(3)氣隙直流電機的勵磁方式按勵磁方式的不同，直流電機可分為他勵、并勵、串勵和復勵電動機四種。直流電動機中，在電磁轉矩的作用下，電機拖動生產機械沿著與電磁轉矩相同的生產方向旋轉時，電機向負載輸出機械功率。2.2電動機調速指標穩(wěn)態(tài)指標：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉速內進行平滑調節(jié)，并且在不同轉速下工作時能穩(wěn)定運行，而且在某一轉速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負載變化及電源電壓波動的影響。因此它的指標就是調速系統(tǒng)的調速范圍和靜差率。動態(tài)性能指標:主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。調速范圍：生產機械在額定負載時要求電動機提供的最高轉速Nmax與最低轉速Nmin之比稱為調速范圍，用D表示。即D=靜差率：調速系統(tǒng)在某一轉速下穩(wěn)定運行時，負載由理想空載增加到規(guī)定負載時，所對應的轉速降落與理想轉速n0之比，用s表示，即s=100%=100%調速方向:指調速后轉速比原來的高還是低，有上調和下調之分。調速的平滑性：它由一定調速范圍內能得到的轉速級數(shù)來說明。調速可分為有級調速和無級調速。2.3直流電動機的調速本文以他勵直流電動機為例來說明直流電機的調速，他勵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，在勵磁電壓的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流，從而產生磁通。在電樞電壓的作用下，電樞繞組中通過電樞電流。他勵直流電動機的轉速公式：n==式中U為他勵電動機的電樞電壓；I為電樞電流；E為電樞電動勢；R為電樞回路的總電阻；n為電機的轉速；為勵磁磁通；為由電機結構決定的電動勢系數(shù)。他勵電機的調速方式有三種：電樞回路串電阻的變電阻調速、改變電樞電壓的變電壓調速、減小氣隙磁通量的弱磁調速。在實際應用中，我們通常采用變電壓調速。2.4直流電機的機械特性他勵直流電動機中轉速和轉矩之間的關系為n=式中為電動機的理想空載轉速，其值為是機械特性的斜率，是轉速差。他勵直流電機的固有特性曲線如圖所示：第三章單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)3.1Ｖ－Ｍ系統(tǒng)簡介晶閘管－電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），其簡單原理圖如下：圖中ＶＴ是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或者更多相，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點:通過調節(jié)觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調速。缺點：１、由于晶閘管的單相導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。元件對過電壓、過電流以及過高的和都十分敏感，其中任意指標超過允許值都可能使元件在短時間內損壞，因此必須有保護裝置和散熱條件。3.2閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性轉速反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理圖如下：a、忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出都是線性的。b、假定只工作在系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。c、忽略直流電機和電位器的內阻。電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：（--放大器的電壓放大系數(shù)）晶閘管整流與觸發(fā)裝置：（-晶閘管整流與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)）V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性：測速發(fā)電機：（-測速反饋系數(shù)，單位為）因此轉速負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程式為式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調速系統(tǒng)的電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩(wěn)態(tài)關系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖所示:3.3反饋控制規(guī)律從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)k對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，k值越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調速范圍越廣，即k越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好，然而，設計的放大器為比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為，只有時其值為0，而這是不可能的。3.4主要部件1、比例放大器：運算放大器用做比例放大器，圖為調節(jié)器的原理圖及輸出特性：和為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調電流的影響，放大系數(shù)為:2、比例積分放大器在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯德圖分成高，中，底三個頻段，頻段的界限是大致的，一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，對快速性要求不高，所以常用PI調節(jié)器，采用運算放大器的PI調節(jié)器如圖所示.--PI調節(jié)器比例放大部分的放大系數(shù)；--PI調節(jié)器的積分時間常數(shù)；此傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式：式中--PI調節(jié)器的超前時間常數(shù)。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖所示將P調節(jié)器換成PI調節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為由圖可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用，但是小于穩(wěn)定性能指標所要求的比例放大系數(shù)。因為快速性被壓低了。換來穩(wěn)定性的保證。作為控制器，比利積分調節(jié)器兼顧了快速影響和消除靜差兩方面的要求：作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。額定勵磁下直流電動機（主電路、假定電流連續(xù)）（額定勵磁下的感應電動勢）（牛頓力學定律，忽略粘性摩擦）（額定勵磁下的電磁轉矩）式中包括電機空載轉矩在內的負載轉矩，單位為；為電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪轉矩，單位為；為電動機額定勵磁下的轉矩電流比，單位為定義下列時間常數(shù)：--電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s;--電力拖動機電時間常數(shù)，單位為s;得電壓與電流間的傳遞函數(shù)：電流與電動勢間的傳遞函數(shù)：額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖如圖所示：3.5穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的特征方程為穩(wěn)定條件為整理后的上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，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)的系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的放大系數(shù)要小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)性能指標，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)裕度，為此必須設置合適的校正裝置，才能達到要求。3.6穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1、比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調節(jié)的閉環(huán)控制有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖為當時，之擾動輸入量，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差，其計算公式為：這和靜特性分析的結果完全一致。2、積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用積分調節(jié)的閉環(huán)控制的動態(tài)結構圖為：突加負載時，于是負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為：=0可見積分控制的調速系統(tǒng)是無靜差的。3、比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制的閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖為則穩(wěn)態(tài)速差為：穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結構的關系就其性能來說，比例控制是有靜差的，而積分控制和比例積分控制都沒有靜差，所以只要調節(jié)器中有積分成分，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有積分環(huán)節(jié)，則外擾動不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。第四章單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真4.1參數(shù)設計一、設計任務對某直流拖動系統(tǒng)進行參數(shù)計算、建立其Matlab模型，并進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)系統(tǒng)要求用Matlab軟件工具對系統(tǒng)進行動態(tài)校正即作調節(jié)器設計。已知一晶閘管-直流電機單閉環(huán)調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的動態(tài)結構如圖所示：比例調節(jié)器可控硅整流器電機電樞傳遞函數(shù)傳動裝置傳遞函數(shù)電勢系數(shù)給定信號+ +綜合信號2轉速n1-綜合信號1-1測速反饋系數(shù)圖中直流電機的參數(shù)：=2.2KW，=1500r/min，=12.5A，=220V，電樞電阻=1，V-M系統(tǒng)主回路總電阻R=2.9，V-M系統(tǒng)電樞回路總電感L=40mH，拖動系統(tǒng)運動部分飛輪力矩=1.5，測速發(fā)動機為永磁式，ZYS231/110xi型，整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù)=44，三相橋平均失控時間=0.00167s。二、設計要求生產機械要求調速范圍D=15，靜差率s≤5%，若U*n=10V時，n=nnom=1500r/min，校正后相角穩(wěn)定裕度γ=45o，剪切頻率ωc≥35.0rad/s，超調量σ≤30%，調節(jié)時間ts≤0.1s。4.2參數(shù)計算及MATLAB仿真一、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算1、計算滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。（1）、額定磁通下的電機電動勢轉速比（2）、滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降（3）、開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降（4）、根據(jù)自動控制理論有=即滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=48.80082、計算系統(tǒng)測速反饋系數(shù)對單閉環(huán)調速系統(tǒng)有靜差結構圖如圖所示:--nn根據(jù)自動控制理論有如下方程組。式中:代入已知條件，得解次方程組得計算比例調節(jié)器的放大系數(shù)根據(jù)自動控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)、測速反饋系數(shù)、電機電動勢轉速比與放大系數(shù)之間滿足關系式：代入計算得計算參數(shù)與。（1）、電樞回路電磁時間常數(shù)代入計算的（2）、系統(tǒng)運動部分飛輪矩相應的機電時間常數(shù)代入數(shù)據(jù)計算得繪制帶參數(shù)單閉環(huán)調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖。下圖即為模型mx1501.mdl,圖中QUOTEKtKt=QUOTE0.0065V.min/r.6、計算閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)。根據(jù)自動控制理論的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為，其臨界開環(huán)放大系數(shù)代入計算得閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)為。穩(wěn)定性分析計算系統(tǒng)閉環(huán)特征根以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。[a,b,c,d]=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sys1=zpk(s1);P=sys.den{1};roots(P)程序運行結果ans=1.0e+002*-6.79440.0409+2.2377i0.0409-2.2377i經過程序計算得系統(tǒng)的兩個特征根為、即閉環(huán)系統(tǒng)特征根有兩個根的實部為正，說明系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。繪制比例調節(jié)器Kp=20和Kp=21系統(tǒng)的單位給定階躍響應曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。比例調節(jié)器Kp=20時，求閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。根據(jù)QUOTE，有>>symsKpKsCealpha;>>Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;>>K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運行結果K=41.3594即Kp=20對應著閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=41.3594。（2）當Kp=20時，繪制其系統(tǒng)單位階躍響應曲線。[a,b,c,d]=linmod('smx1501');>>s1=ss(a,b,c,d);>>sys=tf(s1);step(sys);可見系統(tǒng)單位階躍響應曲線呈現(xiàn)劇烈的震蕩，如上圖所示。（3）比例調節(jié)器Kp=21時，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=43.4273程序如下symsKpKsCealpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK=43.4273（4）當Kp=21時，繪制其單位階躍響應曲線程序如下[a,b,c,d]=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);由曲線可看出，系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定。分別以相角穩(wěn)定裕度與剪切頻率為校正主要指標對系統(tǒng)進行滯后校正。模型mx1501.mdl的開環(huán)模型為mx1501A.mdl如下圖所示（1）、調用自編函數(shù)lagc（）設計PI校正器。[a,b,c,d]=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);>>s2=tf(s1);>>gama=48;[Gc]=lagc(1,s2,[gama])程序運行結果Transferfunction:0.1611s+11.699s+1wc=35;[Gc]=lagc(2,s2,[wc])程序運行結果Transferfunction:0.2857s+16.26s+1即以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的滯后校正器為QUOTEGcs=0.1611s+11.699s+1Gcs=0.1611s+11.699s+1,而以剪切頻率為主要校正指標的滯后校正器為QUOTE（2）驗算設計的校正器的校正結果。eq\o\ac(○,1)對以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的校正器為QUOTEGcs=0.1611s+11.699s+1G程序如下[a,b,c,d]=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);>>gama=48;[Gc]=lagc(1,s2,[gama]);>>sys=s2*Gc;>>margin(sys)繪制出系統(tǒng)的Bode圖如上圖所示，從圖可以看出，校正后系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度QUOTE=QUOTE480480，達到預期目的。eq\o\ac(○,2)對以剪切頻率為校正主要指標的校正器為QUOTEGcs=0.2857s+16.26s+1Gcs程序如下：[a,b,c,d]=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);wc=35;[Gc]=lagc(2,s2,[wc])Transferfunction:0.2857s+16.26s+1>>sys=s2*Gc;>>margin(sys)繪制出系統(tǒng)的Bode圖如上圖所示，從圖可以看出，校正后系統(tǒng)的剪切頻率QUOTE35rad/s,達到預期目的。第五章總結本設計為單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，首先介紹了直流電機的調速和發(fā)展；其次介紹了直流電動機的調速指標和特性；再次介紹了轉速負反饋直流電機的調速；最后，運用MATLAB進行了仿真和調試。通過仿真和調試使系統(tǒng)最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。當然，系統(tǒng)還存在一定的不足，由于用到的是單閉環(huán)控制，所以在調速的過程中，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能還不盡如意，在一定的調速范圍內能滿足要求，而在一些要求比較高的系統(tǒng)中，就很難實現(xiàn)，此時就應該采用雙閉環(huán)控制。這次通過對單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的設計，不但復習和鞏固了專業(yè)知識，還使自己能更加熟練地運用自控理論分析和解決問題。在設計過程中，涉及的matlab仿真技術，使自控原理中的各參數(shù)得以更直觀的反映，最后通過本次課程設計，我又重新認識了電力電子這門課程，它是電機拖動的基礎，還有ＭＡＴＬＡＢ仿真技術，這些對我們都很重要，應當加倍重視。參考文獻[1]電力拖動控制系統(tǒng)陳伯時[2]自動控制原理胡壽松[3]控制系統(tǒng)Matlab計算及仿真實訓黃忠霖[4]電力電子技術黃俊雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及其仿真目錄一、前言…………………31.課題研究的意義…………32.課題研究的背景…………3二、總體設計方案…………31.MATLAB仿真軟件介紹…………………32.設計目標…………………43.系統(tǒng)理論設計…………54.仿真實驗………………95.仿真波形分析…………13三、心得體會……………14四、參考文獻……………16一、前言1．課題研究的意義從七十年代開始，由于晶閘管直流調速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應等優(yōu)點而得到廣泛應用。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)就是一個典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉速電流雙閉環(huán)調速控制電路、以及缺相和過流保護電路等。直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。就目前而言，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。且直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。所以加深直流電機控制原理理解有很重要的意義。2．課題研究的背景電力電子技術是電機控制技術發(fā)展的最重要的助推器,電力電機技術的迅猛發(fā)展,促使了電機控制技術水平有了突破性的提高。從20世紀60年代第一代電力電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經歷了第二代有自關斷能力的電力電子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代復合場控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬勃發(fā)展的第四代產品-功率集成電路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓,多年來其結構、工藝不斷改進,性能有了飛速提高,在不同應用領域它們在互相競爭,新的應用不斷出現(xiàn)。同時電機控制技術的發(fā)展得力于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發(fā)展成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術在近二十多年內發(fā)生了天翻地覆的變化。3注意什么問題二、總體設計方案1.MATLAB仿真軟件介紹本設計所采用的仿真軟件是MATLAB。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB應用非常之廣泛！MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。主要的優(yōu)勢特點為：①高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來；②具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結果和編程的可視化；③友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；④功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等)，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。2.設計目標設計一個雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調速范圍D=10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量5%，電流脈動系數(shù)10%；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量10%。系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護，觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。直流電動機數(shù)據(jù)：額定功率29.92KW，額定電壓220V，額定電流136A，額定轉速1460r/m，=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：=40電樞回路總電阻：R=1時間常數(shù)：機電時間常數(shù)=0.18s，電磁時間常數(shù)=0.03s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉速反饋系數(shù)：=0.007vmin/r轉速反饋濾波時間常數(shù)：=0.005s，=0.005s總飛輪力矩：GDeq\o(\s\up7(2),\s\do3())=2.5N.mh=53.系統(tǒng)理論設計：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個內環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠實現(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結構簡單，工作可靠，設計和調試方便，達到本課程設計的要求。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構框圖:圖1圖1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E3.1電流調節(jié)器設計整流裝置滯后時間常數(shù)：三相電路的平均失控時間=0.0017s（3-1）電流濾波時間常數(shù)：=0.005s（3-2）電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.0067s(3-3）3.2選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：=（3-4）檢查對電源電壓的抗擾性能：（3-5）符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的。電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：==0.03s。（3-6）電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應取=0.5，因此：（3-7）于是，ACR的比例系統(tǒng)為：（3-8）電流環(huán)截至頻率：（3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為：（3-10）忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為：（3-11）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：（3-12）按所用的運算放大器取得。各電容和電阻值為：、、（2-13）Ri=40k（2-14）按照上面計算所得的參數(shù)，電流環(huán)內環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%<5%,滿足課題所給要求。3.3速度調節(jié)器設計電流環(huán)等效時間常數(shù)。取=0.5，則：（3-15）轉速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。?0.005s。（3-16）轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，?。海?-17）3.4選擇轉速調節(jié)器結構按設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：（3-18）按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：（3-19）并且求得轉速環(huán)開環(huán)增益為：（3-20）則可得ASR的比例系數(shù)為：（3-21）3.5校驗近似條件轉速截止頻率為：（3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：（3-23）轉速環(huán)外環(huán)的小時間常數(shù)近似處理條件為：（3-24）3.6計算調節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取=40。各電容和電阻值為：，（3-25）（3-26）3.7校核轉速超調量當h=5時，由書可以查得：=37.6%，這并不能滿足課題所給要求。實際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。如下：（3-27）滿足課題所給要求。4.仿真實驗：為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，如圖2所示。圖2轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構圖2中，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)綜上所述，采用轉速，電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)能更好的完成本題的設計要求，現(xiàn)采用轉速，電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行設計，如圖3所示：圖3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型圖如圖4所示：圖4雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形及分析：ASR輸出限幅值（4-1）ACR輸出限幅值（4-2）調節(jié)限度器1將ASR輸出限幅值的UpperLimit和LowerLimit進行適當?shù)恼{節(jié)?？傻玫缴仙龝r間最大的波形（=7.7s限幅值=3.8V）和上升時間最?。?0.7s限幅值=14V）的波形。上升時間最大波形如圖5所示：圖5雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最大波形圖上升時間最小波形如圖6所示：圖6雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最小波形圖經過雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最大波形與雙閉環(huán)調速系統(tǒng)上升時間最小波形對比可知：限幅值越大上升時間越小，限幅值越小上升時間越大；同時值越大，超調越??；值越小，超調越大。在符合設計要求的情況下，經過多次的參數(shù)調整，得到一組較好的調節(jié)參數(shù)，如表1和圖7所示：晶閘管放大系數(shù)Ks機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉速反饋系數(shù)允許過載倍數(shù)300.1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s表1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)參數(shù)圖7雙閉環(huán)調速系統(tǒng)波形圖由此可得：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)采用PI調節(jié)規(guī)律，它不同于P調節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。5.仿真波形分析從波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第Ⅰ階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調節(jié)作用.第Ⅱ階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值

n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。第Ⅲ階段：轉速調節(jié)階段。在這階段開始，轉速已達到給定值，轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉速超調后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內，轉速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用歸納為：1．轉速調節(jié)器的作用①轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，