雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及建模仿真研究摘要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)不但具有調(diào)速范圍相對較大的特征，而且還具有無極調(diào)速功能，故而能夠直接采用直流電動機來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速。同時，系統(tǒng)還具有良好的穩(wěn)定性能，動靜態(tài)性能也較好。電流環(huán)將采用常見Ⅰ型系統(tǒng)，速度環(huán)設(shè)計將采用常見Ⅱ型系統(tǒng)。為了更好實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與電流負反饋相應(yīng)功能，可以在調(diào)速系統(tǒng)中加入兩個調(diào)節(jié)器，主要負責(zé)轉(zhuǎn)速負反饋與電流負反饋功能。若從閉環(huán)結(jié)構(gòu)層面看，電流環(huán)在內(nèi)部叫做內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外部叫做外環(huán)，兩者共同組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。結(jié)合轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)工程設(shè)計的要求，有助于明確轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器相應(yīng)參數(shù)，再將其直接輸入到Matlab/Simulink軟件來建造相應(yīng)的仿真模型，對其正確性進行檢驗。檢驗結(jié)果反映出經(jīng)過優(yōu)化的工程系統(tǒng)不但顯得更加簡單，而且整體性能有所提高。由此可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)對應(yīng)工程設(shè)計有著很好地促進效果。本課題主要為了解決以往PID直流電機調(diào)速系統(tǒng)存在超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)時間不如意的情況而設(shè)計出全新的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)。結(jié)合建立的雙閉環(huán)直流電機系統(tǒng)模型，對各項控制指標邊界條件進行檢驗。借助Simulink軟件來實現(xiàn)模型的仿真模擬操作，對設(shè)計系統(tǒng)運行過程相應(yīng)動態(tài)特性進行測試。仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)將可以有效消除以往PID系統(tǒng)中出現(xiàn)的超調(diào)量，有效降低系統(tǒng)控制時間，提供更穩(wěn)定的靜態(tài)和動態(tài)性能。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速負反饋雙閉環(huán)Matlab建模仿真分析目錄第一章課題概述 第一章緒論1.1選題背景及意義近年來我國在高新技術(shù)層面有著巨大的成就，航空、軌道交通、導(dǎo)彈、電子產(chǎn)品等方面的研究這都說明了我國有著越來越強的科技實力[1]。隨著社會和科技快速發(fā)展，技術(shù)與知識所代表的第一生產(chǎn)力占國家經(jīng)濟領(lǐng)域的比重越來越大，并在一定程度上促進著世界的經(jīng)濟進步。然而我國對電力電子技術(shù)的研究與國際先進水平仍有很大差距，因此我選擇對電力電子技術(shù)方面的課題進行研究和分析。放眼全國，不難看出電力電子技術(shù)的研發(fā)已是我國目前的主要研究目標之一。隨著我國工業(yè)不斷發(fā)展進步，日常生活生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到各種各樣的電機，一方面為人們生活提供極大便利，改善居民生活質(zhì)量水平，另一方面帶動了國民經(jīng)濟發(fā)展，提高了人們生產(chǎn)效率。隨著科技不斷進步，人們追求更高質(zhì)量、高性能的電機，要求啟停時間更短、制動效應(yīng)更高、性能更加穩(wěn)定。由于直流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)不斷進步發(fā)展，造成直流電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用程度更加廣泛，尤其在冶金、地質(zhì)勘探、土建工程、輕工業(yè)制造行業(yè)應(yīng)用非常普遍[2]。由于閉環(huán)系統(tǒng)的各項性能要比開環(huán)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，效果更好[3]。若關(guān)于系統(tǒng)的動態(tài)性能要求更為嚴格，尤其在啟停性能方面更加嚴格，可能有負載突然增加情況出現(xiàn)，故而需要采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)[4]。目前來看，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有著調(diào)速范圍較廣的特點和實現(xiàn)無極調(diào)速的功能，能夠?qū)χ绷麟姍C采取調(diào)壓調(diào)速處理，設(shè)計出更加穩(wěn)定的調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)有著良好的動靜態(tài)性能與強大的抗干擾能力。電流環(huán)將采用常見Ⅰ型系統(tǒng)，速度環(huán)設(shè)計將采用常見Ⅱ型系統(tǒng)。為了更好實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與電流負反饋相應(yīng)功能，可以在調(diào)速系統(tǒng)中加入兩個調(diào)節(jié)器，主要負責(zé)轉(zhuǎn)速負反饋與電流負反饋功能。若從閉環(huán)結(jié)構(gòu)層面看，電流環(huán)在內(nèi)部叫做內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外部叫做外環(huán)，兩者共同組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[5]。MATLAB作為一款優(yōu)秀的數(shù)學(xué)類科學(xué)運用軟件，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、可視化分析、交互式設(shè)計和仿真模擬[6]。軟件可以實現(xiàn)數(shù)值處理、矩陣運算、圖形處理與非線性動態(tài)系統(tǒng)分析，功能非常強大，且操作簡單，編程語言以C語言為基礎(chǔ)，可讀性非常強，是進行科學(xué)研究、工程設(shè)計、數(shù)值計算、圖形處理有效的強大工具，同時相比于常規(guī)的非交互式程序設(shè)計語言，如Fortran，實現(xiàn)了很好的突破[7]。用MATLAB對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真實驗完美利用了MATLAB的優(yōu)勢，既能節(jié)約實驗成本還能得到便于分析的實驗數(shù)據(jù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析1.2.1國外發(fā)展狀況1960年，全球首款電力電子元件——晶閘管誕生。經(jīng)過后期不斷優(yōu)化完善，如第二代的GTRGTOMOSFET元件、第三代的復(fù)合場控器件IGBT、MCT等，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在第四代電子產(chǎn)品，形成了功率集成電路發(fā)展趨勢，實現(xiàn)了技術(shù)的重大突破。事實上，自從首款電子元件出現(xiàn)以來，從來沒有停止過對結(jié)構(gòu)、工藝的研究和改進，故而元件的性能才有了質(zhì)的飛躍。新款的電子元件不斷問世，帶動了電子電氣科技發(fā)展，也帶動了其他應(yīng)用的進步和發(fā)展。毫不夸張地說，歷經(jīng)幾十年發(fā)展，電機控制技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了質(zhì)的改變，應(yīng)用計算機技術(shù)已經(jīng)極大提高了電動控制系統(tǒng)整體性能。傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)主要有模擬元件構(gòu)成，經(jīng)常容易受到周圍環(huán)境影響而出現(xiàn)漂移問題，造成整體模擬直流傳動系統(tǒng)電壓精度非常有效，穩(wěn)定性得不到保證。關(guān)于直流調(diào)速系統(tǒng)，國外科學(xué)家做了諸多研究：F.Rashidi，M.Rashidi，A.Hashemi-Hosseini使用智能控制器對直流電機進行速度調(diào)節(jié)[8]；AlejandroRodríguez-MolinaaMiguel，G.Villarreal-CervantesaJaimeálvarez-GallegosbMarioAldape-Péreza對生物啟發(fā)型自適應(yīng)控制策略，在參數(shù)不確定性下對直流電機進行高效速度調(diào)節(jié)的研究[9]。1.2.2國內(nèi)發(fā)展狀況我國有很多研究人員同樣在直流調(diào)速系統(tǒng)上進行了相關(guān)調(diào)査研究。國內(nèi)學(xué)者希望設(shè)計出更加高效的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，從而將分數(shù)階PID控制器增加至調(diào)速系統(tǒng)中相應(yīng)電流環(huán)宇速度環(huán)。結(jié)合高級算法能夠來對模型系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，同時采取傳統(tǒng)工程設(shè)計方法來明確參數(shù)系統(tǒng)中整數(shù)階PI系統(tǒng)，對其進行優(yōu)化升級處理，將極大程度上提升系統(tǒng)的整體抗干擾水平和強化階躍響應(yīng)能力[10]。河南某教授根據(jù)我國脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式中采取的礦用直流電機不具備能量回饋制動的問題而開展研究。基于回饋制動工作機理,討論原始單管調(diào)制回饋制動與雙管調(diào)制回饋制動基本方式，設(shè)計出一種能夠單管調(diào)制與雙管調(diào)制相結(jié)合的控制手段[11]。同時，上海某科研專家為了更好處理常規(guī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋調(diào)速系統(tǒng)中存在的調(diào)節(jié)控制時間長、不夠穩(wěn)定等狀況,設(shè)計出以打擂臺算法來實現(xiàn)優(yōu)化人工魚群算法，嘗試將該算法應(yīng)用到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，希望可以借助算法來篩選出符合調(diào)速系統(tǒng)相應(yīng)PI參數(shù)[12]。1.2.3國內(nèi)外發(fā)展狀況的比較隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，電機控制技術(shù)有了突破性進展，極大提高了電力電子行業(yè)整體水平。20世紀70年代，微機首先出現(xiàn)在人們視野中，為后期技術(shù)發(fā)展提供了極大的技術(shù)支持。隨著集成電路制造工藝不斷改良，微機功能也變得更加強大，性價比更加高。另外，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，帶動了大功率電子元件的整體性能水平。為此，人們能夠借助微機來實現(xiàn)電機控制處理，為電機控制技術(shù)應(yīng)用提供了更多應(yīng)用方案，也更加滿足人們對于各項電機控制系統(tǒng)的需求[13]。借助微機來實現(xiàn)對電機控制，將能夠有效提升電機整體性能。1985年以后，全球各大電氣企業(yè)陸續(xù)加大對數(shù)字式調(diào)速傳動設(shè)備的研究，直流調(diào)速發(fā)展到較高的技術(shù)層面:譬如，可以借助可控硅來制造功率元件,可以采取表面安裝技術(shù)來對控制板進行安裝處理，能夠采取電源換相、相控等手段來進行控制。微機出現(xiàn)后極大提高了數(shù)字式直流調(diào)速設(shè)備的精度、整體性能與穩(wěn)定性，抗干擾能力更強，應(yīng)用非常廣泛。近些年，隨著模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法廣泛應(yīng)用，極大促進了直流電機調(diào)速系統(tǒng)朝著智能化、集成化趨勢發(fā)展。如今的運動控制系統(tǒng)充分融合智能控制技術(shù)和常規(guī)PI控制技術(shù)，一方面確保系統(tǒng)整體控制精度，另一方面提升系統(tǒng)整體自學(xué)習(xí)、自調(diào)整與決策水平，提升整體魯棒性。然而，由于控制裝置較小，要求高度集成，為此必須保證各個元件的質(zhì)量可靠性，否則若出現(xiàn)系統(tǒng)故障將會造成嚴重的損失。1.3仿真實驗規(guī)劃本設(shè)計將借助MATLAB軟件來對整個雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行模擬仿真。首先，基于系統(tǒng)工作機理進行討論，其次介紹如何使用MATLAB進行仿真電路的設(shè)計與如何進行仿真電路的建立操作，最后以實際實驗操作得到的結(jié)果為理論依據(jù)來驗證我們模擬仿真得到的結(jié)果并進行比對，最后得出結(jié)論。1.4論文主要工作本文旨在通過對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模仿真分析，改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，分析動態(tài)參數(shù)的影響，工作內(nèi)容主要包括以下幾點：（1）學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的基本理論知識，了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對動車組運行穩(wěn)定性的影響；（2）借助MATLAB軟件中Simulink模塊構(gòu)建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電力學(xué)控制模型；（3）構(gòu)想GUI仿真系統(tǒng)模型，討論模型參數(shù)響應(yīng)特征；（4）執(zhí)行模型仿真實驗，通過不同參數(shù)下輸出波的分析，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在不同情況下對車輛運行的影響；（5）通過電力學(xué)仿真分析尋找雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化。圖1-1直流調(diào)速方法分類圖課題研究理論依據(jù)2.1仿真軟件及直流調(diào)速理論介紹2.1.1MATLAB簡介目前，MATLAB軟件在數(shù)值計算、可視化處理和仿真模型方面有著廣泛應(yīng)用，具有強大的功能。MATLAB語言現(xiàn)今應(yīng)用非常廣泛，其中包括多種方面，它在各個領(lǐng)域都大有作為，在此我就不詳細舉例，暫且不說專業(yè)與電有關(guān)的領(lǐng)域，就是在社會中、學(xué)校中以及日常生活中，也有很多人使用MATLAB來實現(xiàn)自己的目的。如今大學(xué)生與以前依然不同，MATLAB已經(jīng)是大學(xué)生必備工具。使用MATLAB進行仿真和模擬使得計算和仿真更加高效。主要使用于數(shù)據(jù)計算及處理的科學(xué)計算系統(tǒng)MATLAB軟件有著與人腦相近的編程運算過程和科學(xué)運算過程，因此相比于其他軟件語言來說MATLAB更便于人們掌握。使用MATLAB進行編程和計算的過程能夠簡化繁瑣的計算過程，清晰的陳列出結(jié)果，方便直觀。在MATLAB的工作環(huán)境中，人們只需要提供簡單的數(shù)學(xué)計算公式或者相關(guān)的表達式，MATLAB就會用計算機語言把數(shù)據(jù)或模型結(jié)果反饋給人們。MATLAB的開發(fā)最初就是幫助教師的授課與學(xué)生更好的接受。MATLAB在學(xué)術(shù)方面有著深刻的影響意義。正是因為有MATLAB才使科研人員的假設(shè)可以很快實現(xiàn)。MATLAB運行界面簡潔美觀，函數(shù)庫也非常之大，相應(yīng)的計算功能也非常強勁。而且MATLAB可以實現(xiàn)多種語言，這同樣擴展其應(yīng)用領(lǐng)域。MATLAB軟件已經(jīng)成為理工科領(lǐng)域研究的必須掌握的工具。在大量工程技術(shù)應(yīng)用方面，建立并分析實際中的模型也用MATLAB來實現(xiàn)，這些模型多數(shù)情況下包含數(shù)據(jù)計算、算法預(yù)測和檢查，和一些特殊矩陣的應(yīng)用。它包含的可以解決各種應(yīng)用問題的工作模塊，被稱為工具箱。它其實是一系列MATLAB函數(shù)，用于擴展與仿真應(yīng)用。它的主要用途是用來解決許多科學(xué)門類數(shù)據(jù)的分析及處理問題。2.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)簡介若電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負反饋與PI調(diào)節(jié)器相應(yīng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠做到無極調(diào)速。通常來說，若想在電機啟動環(huán)節(jié)實現(xiàn)快速啟動蒂娜及，那么要求電流可以在短時間達到最大值同時要求實現(xiàn)穩(wěn)定的電流輸出，為此在電路中電感將起到確保電流不會出現(xiàn)突變情況。為此，能夠采取電流負反饋控制形式來實現(xiàn)此功能。然而，電機速度達到穩(wěn)定情況后，系統(tǒng)可以借助轉(zhuǎn)速負反饋來實現(xiàn)操作，電流負反饋將不再工作。如何有效處理各個階段中采取相應(yīng)反饋形式來實現(xiàn)電機控制，采取雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是非常有必要的[14]。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理2.2.1工作過程通常來說，直流電動機工作過程中，要求首先具有磁場，形成電流，然后添加勵磁電壓即可。往往電動機具體轉(zhuǎn)速電壓要遠遠低于常規(guī)值，速度調(diào)節(jié)器中將會有偏差信號出現(xiàn)，經(jīng)過對信號進行放大處理將會輸出比額定電壓更低的電壓。若直接借助額定電壓來實現(xiàn)電機啟動，那么電流將會突增至額定電流的10倍之大。如此一來，將會對電機轉(zhuǎn)向造成影響，甚至出現(xiàn)火花等情況，影響系統(tǒng)的安全使用。因此，在直流電機啟動前需要做好準備工作，要求限制啟動電樞紐的電流。通常情況下，Z2型直流電動機啟動瞬間過載電流不能超過整個系統(tǒng)電流的1.5~2倍。因為直流電機啟動過程，速度調(diào)節(jié)器將處于開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓將會以電流固定值直接輸入電流調(diào)節(jié)器，并且借助最大電流給定值來確保通過電流調(diào)節(jié)器的電流是恒定的。電動機中最大電流能夠通過控制速度調(diào)節(jié)器來進行調(diào)節(jié)。若電機轉(zhuǎn)速逐漸提高且達到恒定值，那么速度調(diào)節(jié)器輸入端偏差信號將會降低到零水平。此時，速度調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器均推出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)過程逐步實現(xiàn)。關(guān)于負載也可能會造成轉(zhuǎn)速變化，速度調(diào)節(jié)器輸入端造成的偏差信號能夠借助速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)移相電壓調(diào)整，進而改變整流橋中直流電壓的輸出，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速偏差調(diào)節(jié)。此外，電流調(diào)節(jié)器還可以對由外部環(huán)境不穩(wěn)定而產(chǎn)生突變電流進行調(diào)節(jié)，起到很好的穩(wěn)壓效果，確保直流電機可以正常運作。圖2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2.2.2電流調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器屬于內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的控制階段，其主要功能是確保電流緊緊跟隨著給定電壓而產(chǎn)生改變。關(guān)于電流調(diào)節(jié)器的功能，可以在外部電網(wǎng)電壓出現(xiàn)突變波動情況下，發(fā)揮出抗擾的效果，確保整個系統(tǒng)電壓恒定。通常來說，直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速動態(tài)環(huán)節(jié)，電流調(diào)節(jié)器能夠確保電機獲取都最大的工作電流，進而提升整體動態(tài)過程。若電機出現(xiàn)過載或堵轉(zhuǎn)問題，將會對整個電樞電流最大值造成限制，而發(fā)揮出保護系統(tǒng)的功能。若故障已經(jīng)被處理，系統(tǒng)便可以自動恢復(fù)正常，繼續(xù)運作。由此可見，電流調(diào)節(jié)器在整個系統(tǒng)中將起到非常關(guān)鍵的作用，是非常有必要的[15]。按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計，ACR選用PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2-2PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖2.2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計基本數(shù)據(jù)直流電動機相應(yīng)指標參數(shù)如下：采用他勵直流電動機，額定電壓=220V，額定電流=1.1A，額定轉(zhuǎn)速是1600r/min，反電動勢系數(shù)=0.1217V.min/r，許可過載倍數(shù)λ=1.1。PWM變換器參數(shù)如下：開關(guān)頻率f=600Hz，放大系數(shù)=110。電樞回路總電阻大小是R=39Ω。時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)=0.01143s，電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)=0.173s，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.0038s。對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速額定電壓=10V。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器最大輸出電壓10V，電流調(diào)節(jié)輸出幅度同樣是10V。計算反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)：β=V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：V.min/r時間常數(shù)PWM變換器滯反時間：電流反饋濾波時間：電流環(huán)小時間：電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于，根據(jù)典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計標準可以采用PI調(diào)節(jié)器，相應(yīng)傳遞函數(shù)是：計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù);取校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：=187.27，滿足條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足條件計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)圖2-3電流調(diào)節(jié)器取按上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：，滿足要求2.2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR同樣，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在整個系統(tǒng)中是非常重要的，能夠確保電機可以實現(xiàn)快速的給定電壓輸出，同時在電機穩(wěn)態(tài)過程中能夠降低轉(zhuǎn)速誤差。若采取PI調(diào)節(jié)器，便能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速。一般情況下，ASR在負載出現(xiàn)改變情況下將會發(fā)揮抗擾效果，相應(yīng)輸出最大電流由設(shè)備自身決定[15]。依據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計要求，本設(shè)計將采用PI調(diào)節(jié)器。2.2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計明確時間常數(shù)電流環(huán)等效時間：轉(zhuǎn)速反饋濾波時間：轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù):選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計標準，選擇PI調(diào)節(jié)器，對應(yīng)傳遞函數(shù)表達式：計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)結(jié)合系統(tǒng)特點，本文h取值5，那么ASR相應(yīng)時間是：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益是：ASR的比例系數(shù)：校驗近似標準轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：簡化處理后電流環(huán)傳遞函數(shù)：，符合近似標準簡化處理后轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：=65.6，符合近似標準按退飽和超調(diào)量的計算方式計算超調(diào)量設(shè)理想空載啟動時z=0，由上述計算知：λ=1.1，R=39Ω,=1.1A,1600r/min,=0.1217V.min/r，=0.173s，當h=5時，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)可知，帶入公式得，滿足設(shè)計條件。6、計算調(diào)節(jié)器電阻和電容，取圖2-4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖2.3MATLAB仿真原理2.3.1選取電氣元件在MATLAB軟件中，選取“SIMULINK”庫后，會彈出典型元件庫，我們可以搜索或選取需要仿真的電子元器件添加到我們的“SIMULINK”模型中去[16]。（1）打開模型編輯窗口通過單擊Simulink工具欄中新模型的圖標或選擇File→New→Model菜單項實現(xiàn)。（2）復(fù)制相關(guān)模塊可以直接雙擊相應(yīng)的模塊庫，左擊選取需要的子模塊，直接拖動至編輯窗口。其中，本文將用到的模塊如下：Source組中的Step模塊；MathOperations組中的Sum模塊和Gain模塊；Continuous組中的TransferFcn模塊和Integrator模塊；Sinks組中的Scope模塊；Discontinuities組中的relay模塊和saturation模塊；Sources組中的repeatingsequence模塊；LogicandBitOperations中的LogicalOperator模塊；SimulinkPowersystem模塊庫中的universalbridge。圖2-7SIMULINK模塊庫（3）修改模塊參數(shù)選擇對應(yīng)模塊，雙擊后便出現(xiàn)對話框，在對話框中輸入相應(yīng)的模塊參數(shù)即可。2.3.2使用SIMULINK建立仿真實驗在MATLAB顯示界面菜單欄中選擇“新建”，直接創(chuàng)建一個“SIMULINKMODEL”功能模塊，能夠?qū)⒎抡婺M的函數(shù)庫中需要的元件模塊進行連接，在其中連接組成一套仿真模型系統(tǒng)[17]。（1）首先創(chuàng)建全新的“SimulinkModel”，然后可以在“SIMULINK模塊庫”里面選取上文提到的各種電器元件模塊?？捎凇癝IMULINK模塊庫”中使用搜索功能快速找出所需的模塊，并加入新建的仿真模型中，隨后對添加的各元器件模塊進行拖動和放置，直到其位置合理美觀，方便觀察與連接[17]。（2）在模型窗口中，可以點擊元器模塊，在元器件模塊四角出現(xiàn)白色方塊，單擊白色方塊時鼠標指針會變?yōu)榧^模樣，此時按住左鍵拖動模塊使其改變大小。（3）如果想要改變元件方向，可以用鼠標左鍵單擊想旋轉(zhuǎn)的模塊，在右鍵的菜單中選擇“Rorate”或者使用快捷鍵“CTRL+R”使模塊旋轉(zhuǎn)。（4）需要復(fù)制、粘貼、刪除元器件模塊時，鼠標左鍵選中目標模塊或左鍵框出模塊所在區(qū)域，使用“CTRL+C”復(fù)制、“CTRL+V”粘貼、使用“DELETE”刪除。（5）調(diào)整好各個模塊的參數(shù)、大小、方向以及位置后，便開始使用信號線連接各個模塊使其組成一套完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。直接鼠標左鍵選定需要輸出模塊，將其拖動至終點模塊輸入框，將可以在兩個模塊間形成“→”線。若需要將同樣信號分別輸送到多個輸入端，可以繪制更多的連接線。將鼠標移動到分支線位置，右擊便有光標出現(xiàn)，再將其直接移動到分支線終點位置便可以，最后松開右鍵，整個分支線工作完成。（7）完成想要進行仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖后，在窗口中選擇菜單欄中“SIMULATION”相應(yīng)的“MODELCONFIGURATIONPARAMETERS”，輸入對應(yīng)的參數(shù)即可，包括開始仿真時間、仿真運行時間、仿真運行試驗誤差等，還可以選擇仿真數(shù)值計算方法。（8）建立完整的仿真模型后，點擊仿真模型界面的“FILE”按鈕，在下拉的菜單中點擊“SAVE”即可保存仿真實驗?zāi)Ｐ?。圖2-7MODELCONFIGURATIONPARAMETERS窗口模型建立與實現(xiàn)仿真3.1電流環(huán)的仿真構(gòu)建仿真模型選擇MATLAB軟件中“SIMULINK”選項，將可以新建仿真文件窗口。在新窗口中選擇“l(fā)ibrarybrowser”，彈出元器件模塊庫，通過查找、搜索等方法將本次仿真實驗需要的元器件模塊添加到空白的仿真平臺上。將所需的電路元器模塊件經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、移動后結(jié)合單相整流電路相應(yīng)原理圖來實現(xiàn)整個電路仿真實驗，經(jīng)過驗證后的仿真試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如下。圖3-1電流環(huán)的仿真模型其中，積分器IntegratorLimited環(huán)節(jié)的飽和上界（Uppersaturationlimit）取10，飽和下界（Lowersaturationlimit）取-10，積分從0開始；飽和環(huán)節(jié)saturation的上限（Upperlimit）取10，下線（Lowerlimit）取-10；階躍模塊（Step）中階躍時刻改為0，階躍值取10。以下仿真模型均如此。參數(shù)設(shè)置：Ω，。圖3-2電流環(huán)參數(shù)設(shè)置圖3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真建立如下仿真模型。圖3-3轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型參數(shù)設(shè)置（除其中包含的3.1中的參數(shù)）：，。圖3-4轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)置圖仿真結(jié)果與分析4.1電流環(huán)仿真結(jié)果與分析完成設(shè)置好每個元器件模塊的參數(shù)并連接后，左鍵單擊上方工具欄的仿真按鈕進行仿真得到圖形。當PI調(diào)節(jié)器中取0.09183，取8.0341情況下，仿真結(jié)果參考圖4-1所示。圖4-1參數(shù)為0.09183、8.0341時電流環(huán)仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，電流的超調(diào)量低于5%，滿足本設(shè)計標準。在直流電機穩(wěn)流升壓情況下，電流值將不超過1.1A，主要是因為電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)與電機反電動勢擾動密切相關(guān)。若PI調(diào)節(jié)器中取值0.045915，取4.01705情況下，仿真結(jié)果參考圖4-2所示。圖4-2參數(shù)為0.045915、4.01705時電流環(huán)仿真結(jié)果當PI調(diào)節(jié)器中取0.18366，取16.0682時，仿真結(jié)果如圖4-3所示。圖4-3參數(shù)為0.18366、16.0682時電流環(huán)仿真結(jié)果從圖4-2中不難發(fā)現(xiàn)，此時輸出不會有超調(diào)量出現(xiàn)，然而上升時間長；圖4-3則是為超調(diào)量較大的仿真結(jié)果，超調(diào)大，但上升時間短。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果與分析空載啟動時，電樞電流與轉(zhuǎn)速的仿真波形在圖3-3轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型圖中，設(shè)定step模塊階躍初始時間、階躍時間、階躍初始值和階躍值全是0，即令雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)初始條件為空載啟動。仿真波形圖如下：圖4-4轉(zhuǎn)速環(huán)空載啟動波形圖空載起動時，在電流增加過程，電流將會快速升到最高水平，轉(zhuǎn)速提升過程較為緩慢；在穩(wěn)定電流提速過程，因為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，那么輸出電流將是最大值，電流調(diào)節(jié)器將會維持電流處于恒定范圍，基本是保持1.21A水平，進而帶動電機加速；電機速度穩(wěn)定后，將會進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程。因為電樞電流超過負載電流，電機轉(zhuǎn)速將會出現(xiàn)超調(diào)情況，ASR不再保持飽和狀態(tài)，恢復(fù)調(diào)節(jié)能力，經(jīng)過一段時間，電機運行在給定轉(zhuǎn)速，電樞電流約等于0。需要說明的是，仿真波形中出現(xiàn)了電流為負的情況，由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕趯嶋H系統(tǒng)中是不可能出現(xiàn)這樣的情況的，因此仿真模型在這里還不是很能精確地模擬實際系統(tǒng)，需要進一步的進行優(yōu)化。額定負載啟動時，電流與轉(zhuǎn)速的波形在轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型圖中，設(shè)定step模塊階躍初始時間和階躍時間均是0，階躍初始值和階躍值則是10，即令雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)初始條件為滿載啟動。仿真波形圖如下：圖4-5轉(zhuǎn)速環(huán)滿載啟動波形圖帶額定負載起動時，由于電樞電流只是略大于負載電流，所以電機的加速度小，起動減慢；由于加速度較小，所以起動產(chǎn)生的超調(diào)量非常小。其余的過程與空載起動相同。從圖4-4和圖4-5可以看出，無論負載是空載還是滿載時啟動，直流電動機轉(zhuǎn)速均很快到達1600r/min附近并保持穩(wěn)定，這說明雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計合理。轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾性能波形圖設(shè)定step模塊階躍初始時間是0，階躍時間是2，階躍初始值是10，階躍值為5，即令雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)初始條件為滿載啟動，但在3s時刻系統(tǒng)受到擾動。仿真波形圖如下：圖4-6轉(zhuǎn)速環(huán)滿載啟動時遇到干擾當電機空載穩(wěn)態(tài)運行于額定轉(zhuǎn)速后，突加給定負載，其轉(zhuǎn)速波動非常小，抗擾性滿足要求。對以上三圖分析：此雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在空載時比滿載更快速啟動，能夠確保電流快速上升至穩(wěn)定值，進而維持在較低水平，從而完成系統(tǒng)啟動工作，將會達到恒速狀態(tài)。并且此系統(tǒng)具有抗擾作用，可以使轉(zhuǎn)速維持在給定值。4.3設(shè)計結(jié)論由仿真結(jié)果可知，空載起動到額定轉(zhuǎn)速過程中，電流超調(diào)量5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量2.2%<5%，上升時間0.77s，調(diào)整時間0.8s。通過工程設(shè)計法設(shè)計出來的電流調(diào)節(jié)器參數(shù)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，能夠使該直流調(diào)速系統(tǒng)具有令人滿意的指標。本文結(jié)合轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)工程設(shè)計的要求，有助于明確轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器相應(yīng)參數(shù)，再將其直接輸入到Matlab/Simulink軟件來建造相應(yīng)的仿真模型，對其正確性進行檢驗，對階躍擾動響應(yīng)指標進行計算，獲取到相應(yīng)擾動信號，繪制擾動曲線。檢驗結(jié)果反映出經(jīng)過優(yōu)化的工程系統(tǒng)不但顯得更加簡單，而且整體性能有所提高。由此可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)對應(yīng)工程設(shè)計有著很好的效果。第五章總結(jié)與展望1.總結(jié)工程設(shè)計法，就是將一些環(huán)節(jié)在一定條件下進行簡化后，把整個系統(tǒng)近似為低階系統(tǒng)，然后通過串聯(lián)調(diào)節(jié)器（比例、積分、微分）的方式，把其校正成為具有期望性能的典型系統(tǒng)的過程。這種方法概念清晰，原理易懂；計算公式簡明，計算流程規(guī)范；便于討論系統(tǒng)參數(shù)和工程指標相應(yīng)關(guān)系；可以將其廣泛應(yīng)用其他簡化反饋控制系統(tǒng)。通過上述對于直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，工程設(shè)計法顯示出它的便捷性和準確性。通過上述的仿真，也證實了這一點。工程設(shè)計法確定的調(diào)節(jié)器參數(shù)，在一定程度上能使系統(tǒng)具有令人滿意的性能。但是，工程設(shè)計法中，涉及到了很多的近似條件，這就會存在一些問題如有時候系統(tǒng)不能滿足其近似條件，或者說即使?jié)M足近似條件，但由于近似處理，最后設(shè)計出來的系統(tǒng)不能具有期望的性能。為了設(shè)計出更高性能的系統(tǒng)，需要將傳統(tǒng)的控制理論與現(xiàn)在的智能控制理論相結(jié)合，提高系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)自調(diào)整能力，提高魯棒性能。本實驗借助MATLAB軟件來實現(xiàn)對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型仿真實驗，驗證了電機調(diào)速的電路原理以及它的詳細運作過程。通過實踐觀察仿真結(jié)果對應(yīng)的波形圖分析對應(yīng)電路的工作情況，進而來得出與雙閉環(huán)直流調(diào)速理論完全一致的結(jié)論。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速反應(yīng)快精度高、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、抗擾性能強，因此常用于化工行業(yè)，如下圖為使用本系統(tǒng)的微型高壓反應(yīng)釜:圖5-1微型高壓反應(yīng)釜本次雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)理論驗證實驗，充分體現(xiàn)了MATLAB在電力電子技術(shù)仿真領(lǐng)域有著優(yōu)秀的能力，在SIMULINK系統(tǒng)下可以快速完成電力電子技術(shù)的仿真實驗，首先根據(jù)需要在SIMULINK庫中選取元器件，然后根據(jù)系統(tǒng)電路進行連接以及參數(shù)設(shè)置，就可以完成復(fù)雜的電路仿真。并且仿真結(jié)果也非常清晰明了，不但說明利用MATLAB軟件可以模擬電力電子系統(tǒng)的電路仿真實驗，同時也間接說明了仿真軟件的可靠性和大眾性，為學(xué)術(shù)研究提供了一個好的研究平臺與手段。本文針對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值仿真和理論分析來開展分析。參考仿真曲線，將可以清楚討論雙閉環(huán)系統(tǒng)在突變情況下，轉(zhuǎn)速、電樞電流、整流觸發(fā)角的相應(yīng)關(guān)鍵操作。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，相比于開環(huán)、單閉環(huán)結(jié)構(gòu)，雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能更穩(wěn)定[18]。圖5-2長治鋼襯四氟反應(yīng)釜中的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)本次畢業(yè)設(shè)計，不僅考察了我對科學(xué)軟件實踐應(yīng)用的掌握程度，還讓我更深刻地理解了電氣系統(tǒng)的相關(guān)知識。大學(xué)期間，我們只是淺層次的學(xué)習(xí)和認識了電力電子技術(shù)，并未深入研究。借此機會，利用可靠的軟件研究平臺直觀地學(xué)習(xí)了電力電子技術(shù)。將實踐操作與理論相結(jié)合，透徹地學(xué)習(xí)各種電器元件組成電路的工作原理。2.展望隨著社會的高速發(fā)展，電力電子技術(shù)改變著我們生活的方方面面，各種新興的電子產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)，相應(yīng)的我們對相關(guān)電器元件的要求也越來越高。電氣的研究應(yīng)不斷向更先進的方向發(fā)展，新的自動化技術(shù)、新型材料、新能源的開發(fā)與利用都是我們未來的研究目標。如今，自動調(diào)速系統(tǒng)的常見形式往往是直流調(diào)速系統(tǒng)，尤其是借助數(shù)字采集與計算機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)更加受歡迎[19]。那么，在哪些方面改善直流電機調(diào)控系統(tǒng)呢？可以參考如下內(nèi)容：(1)提升直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部直流電機的單機容量。(2)改善電力電子元器件生產(chǎn)工藝，將其結(jié)構(gòu)變得更加簡潔明了。(3)優(yōu)化控制單元CPU功能，增加控制、監(jiān)視、保護、診斷及自修復(fù)等等功能。最后本次研究中計算較少，以后要增加計算部分，采取不同的方法計算去調(diào)整有直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并與仿真結(jié)果進行對比。由于時間、實地調(diào)查和本人能力問題，此次課題的研究還存在著諸多缺陷和不足：由于各種參數(shù)數(shù)據(jù)較少，使得分析得到的結(jié)論比較局限，在一定程度上只能做定性分析或者是趨勢上的猜測，并不能進行定量的計算；因為不夠精確和具體，對于實際應(yīng)用上可利用價值較小。在今后的工作中，需要吸取此次經(jīng)驗教訓(xùn)，前期準備工作要做足，數(shù)據(jù)收集要大量廣泛，結(jié)果分析要準確詳細。參考文獻周威．我國電力電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017(5)：246．廖京盛．基于TMS320LF2407的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2005