單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab計(jì)算與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切割機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所

2、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(fù)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(jì)算參數(shù)較多，而MATLAB中的Simulink實(shí)用工具可直接構(gòu)建其動(dòng)態(tài)模型，省去大量的計(jì)算，通過修改動(dòng)態(tài)模型可完善系統(tǒng)性能。</p><p>　　1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)概述</p><p>　　從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)、張力控制系

3、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(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的驅(qū)動(dòng)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)速范圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好并且具有良好的動(dòng)態(tài)性能。因此在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(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(shí)踐上更加成熟。</p><p>　　直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在20世紀(jì)

4、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(yùn)輸，建筑、辦公、家庭自動(dòng)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(huì)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(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子和電力傳動(dòng)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。</p><p>　　單閉環(huán)直

5、流電機(jī)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(jià)格越來越被大眾接受。</p><p>　　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(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)、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。</p><p>　　1.2 MATLAB簡介</p><p>　　在1980年前后，美國的克

6、利夫博士在新墨西哥大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語言編程非常不方便，他們構(gòu)思和開發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，它使的矩陣的運(yùn)算變得異常容易。</p><p>　　MATLABSGI是由美國MathWorks公司開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件

7、中，包括了兩個(gè)主要部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)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(yùn)行環(huán)境，是建立在Simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊和M語言基礎(chǔ)上的一個(gè)附加模型庫，它提供為電力系統(tǒng)仿真分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，SimPowerSystems的元件庫進(jìn)行了擴(kuò)種，用戶可以在庫中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等

8、幾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。</p><p>　　可視化圖形仿真功能實(shí)在SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行的。進(jìn)入MATLAB系統(tǒng)后打開瀏覽窗口到模塊庫，用鼠標(biāo)左鍵雙擊其中的SimPowerSystems即可彈出電力系統(tǒng)工具箱模塊庫。它主要包含以下幾類：電源庫、元件庫、機(jī)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(dòng)和電

9、力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(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(shí)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(jìn)行分析。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，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

10、是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)將有逐步被交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)所取代的趨勢，但在中、小功率的場合，常采用永磁直流電動(dòng)機(jī)，只需對電樞回路進(jìn)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，直流電動(dòng)機(jī)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(jì)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(jì)算參數(shù)較多，往往難以如

11、意。如在設(shè)計(jì)過程中使用Matlab中的SimuLink實(shí)用工具來輔助設(shè)計(jì)，由于它可以構(gòu)建被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，直觀迅速觀察各點(diǎn)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(dòng)態(tài)模型來完成，而不必對實(shí)物模型進(jìn)行反復(fù)拆裝調(diào)試。本文運(yùn)用MATLAB中的SimuLink實(shí)用工具對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　從1971年開始到目前的這個(gè)階段，直線

12、電機(jī)進(jìn)入了獨(dú)立的應(yīng)用時(shí)代 ，在這個(gè)時(shí)代，各類直線電機(jī)的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼管輸送機(jī)、運(yùn)煤機(jī)、起重機(jī)、空壓機(jī)、沖壓機(jī)、拉伸機(jī)、各種電動(dòng)門、電動(dòng)窗、電動(dòng)紡織機(jī)等等。特別可喜的是利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗(yàn)行程累計(jì)已達(dá)數(shù)十萬千米。 在這個(gè)時(shí)期，直線電機(jī)領(lǐng)域的研究人員通過對直流電機(jī)在歷史發(fā)展中多次起落的分析，終于選擇了一條

13、適合直流電機(jī)自身發(fā)展的獨(dú)特思路，它不再與旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接對抗，不以單機(jī)的形式與旋轉(zhuǎn)電機(jī)競爭，而以直線電機(jī)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)相比，從而找到適合于自己的系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開競爭，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)無能為力的地方尋找自己的位置。例如，直線電機(jī)應(yīng)用于磁懸浮列車，液態(tài)金屬的輸送和攪拌，電子縫紉機(jī)和磁頭定位裝置，直線電機(jī)沖壓機(jī)等等。直線電機(jī)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(dá)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(jī)產(chǎn)品

14、，例如美國的西屋（Westinghouse）公司、德國的西門子（SIEMENS）公</p><p>　　在70年代中期，Cleve Moler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FOETRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)程序庫代表矩陣運(yùn)算的最高水平。</p><p>

15、;　　到70年代后期，身為美國New Mexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的Cleve Moler,在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，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(fèi)時(shí)間，于是他開始自己動(dòng)手,利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個(gè)接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣(matrix)和實(shí)驗(yàn)室(labotatory)兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)

16、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(fèi)軟件廣為流傳。</p><p>　　1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續(xù)進(jìn)行MATLAB的研究和開發(fā)。</p><p>　　在當(dāng)今30多個(gè)數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言,可分為兩大類。一類是

17、數(shù)值計(jì)算型軟件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計(jì)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(hào)計(jì)算見長,能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)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(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)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)

18、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。</p><p>　　在MATLAB進(jìn)入市場前，國際上的許多軟件包都是直接以FORTRANC語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄，接口簡陋，程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(biāo)準(zhǔn)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

19、領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。 </p><p>　　MathWorks公司1993年推出了MATLAB 4。0版，1995年推出4。2C版（for win3。X）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。MATLAB 5。X較MATLAB 4。X無論是界面還是內(nèi)容都有長足的進(jìn)展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3。0或IE 4。0及以上版本，Acroba

20、t Reader中可以方便地瀏覽。</p><p>　　時(shí)至今日，經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大大大型軟件。在國外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動(dòng)控制理論，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理，時(shí)間序列分析，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)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(jì)研究單

21、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。在國內(nèi)，特別是工程界，MATLAB一定會(huì)盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個(gè)學(xué)科，都能在MATLAB里找到合適的功能。</p><p>　　2 調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)</p><p>　　2.1 直流電動(dòng)機(jī)工作原理</p><p>　　2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成</p><

22、;p>　　（1）定子：主磁極、換向磁極、端蓋、機(jī)座、電刷裝置；</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)子：電樞繞組、電樞鐵心、換向裝置、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇；</p><p><b>　?。?）氣隙。</b></p><p>　　2.1.2 直流電機(jī)勵(lì)磁方式</p><p>　　勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。按照勵(lì)磁方式，直流電機(jī)

23、分成他勵(lì)和自勵(lì)兩大類，其中自勵(lì)式又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種。圖2.1給出了這四種勵(lì)磁方式的電路圖。</p><p>　　2.1.3 直流電動(dòng)機(jī)工作原理</p><p>　　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</p><p>&l

24、t;b>　　（2.1）</b></p><p>　　式（2.1）中，D為電樞外徑。</p><p>　　若電流i為恒定，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，氣隙磁通密度b的方向?yàn)橐徽回?fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩T將是交變的，一個(gè)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(dòng)機(jī)中，電流并非直接接入線圈，而是通過兩個(gè)電刷和換向器再接入線圈，這樣情況就不同了。因?yàn)閮蓚€(gè)電刷靜止不動(dòng)，電流i總是從正極性電

25、刷流入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的換向片，由另一個(gè)電刷負(fù)極性電刷流出。故當(dāng)導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)而交替的處于兩個(gè)磁極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時(shí)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(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)電刷和換向器起到把外部電源流入的直流，改變成線圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。</p><p>　　2.2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速指標(biāo)</p><p>　　穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：主要是要求

26、系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，盡量少受負(fù)載變化及電源電壓波動(dòng)的影響。因此穩(wěn)態(tài)指標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。</p><p>　　2.2.1 調(diào)速范圍</p><p>　　生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即</p><p><b>　?。?.

27、2）</b></p><p>　　其中和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.2.2 靜差率</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速 之比，稱作靜差率s，即</p><p><

28、b>　?。?.3）</b></p><p>　　靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。它和機(jī)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。</p><p>　　調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的必須同時(shí)提才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。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)

29、速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。</p><p>　　2.2.3 調(diào)速的平滑性</p><p>　　相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速的接近程度叫做調(diào)速的平滑性?？捎闷交禂?shù) 來衡量，它是相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比，即 </p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　越接近于1，平

30、滑性越好。 在1.06以下時(shí)，可認(rèn)為轉(zhuǎn)速基本上連續(xù)可調(diào)，級(jí)數(shù)接近無窮多，稱作無級(jí)調(diào)速。</p><p>　　2.3 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)分為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和自勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，本文以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例來說明直流電機(jī)的調(diào)速。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電。在勵(lì)磁電壓 的作用下，勵(lì)磁繞組中通過勵(lì)磁電流 ，從而產(chǎn)生主磁通 。在電樞電壓 的

31、作用下，電樞繞組中通過電樞電流 。</p><p>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式（2.5）中：E為電樞電動(dòng)勢；</p><p>　　U為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓；</p><p><b>　　I為電樞電流；</

32、b></p><p>　　R為電樞回路的總電阻；</p><p><b>　　為勵(lì)磁磁通；</b></p><p><b>　　n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；</b></p><p>　　為電動(dòng)勢系數(shù)，由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定。</p><p>　　由此，直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方式：電樞回路串電

33、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。</p><p><b>　　電樞回路串電阻調(diào)速</b></p><p>　　該調(diào)速方法的原理可用圖2.2來說明。</p><p>　　設(shè)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，原來運(yùn)行與A點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩為 ，現(xiàn)欲將速，在電樞回路中串入電阻 ，從圖中可看出到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)速將降為 ，所串電阻越大，穩(wěn)

34、態(tài)轉(zhuǎn)速越低。</p><p>　　忽略電磁慣性，調(diào)速過程可大致說明如下：</p><p>　　電動(dòng)機(jī)原來運(yùn)行于A點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為 ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 ，串入電阻 以后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將變?yōu)橹本€ B。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能發(fā)生突變，于是，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將由A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)，C點(diǎn)所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為 ，顯然 ，即在C點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將減速。隨著轉(zhuǎn)速下降，反電動(dòng)勢將減小，電流將增大，電磁轉(zhuǎn)矩亦將增大，但

35、在到達(dá)B點(diǎn)以前，T始終小于 ，故減速過程將沿機(jī)械特性 B由C點(diǎn)向B點(diǎn)進(jìn)行，如圖1中箭頭所示。到達(dá)B點(diǎn)以后，T= ，進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由調(diào)至 。</p><p>　　從機(jī)械特性還可以看出，當(dāng)空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍很小，調(diào)速效果不明顯；而在低速時(shí)，特性變軟，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性較差（即很小的負(fù)載波動(dòng)將引起速度較大的波動(dòng)）；此外，這種調(diào)速方法只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，調(diào)速的平滑性較差。</p><p

36、>　　這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備不太復(fù)雜，操作比較簡單。</p><p>　?。?）降低電源電壓調(diào)速</p><p>　　該調(diào)速方法的原理可用圖2.3來說明。</p><p>　　設(shè)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（ ），在額定電壓 下運(yùn)行于A點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為 ，先將電源電壓降為 ，忽略電磁慣性，電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)?/p>

37、C點(diǎn)。在C點(diǎn)，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為 ， ，電動(dòng)機(jī)將減速。隨著轉(zhuǎn)速的下降，反電動(dòng)勢減小，電流增加，電磁轉(zhuǎn)矩亦增大，但在到達(dá)B點(diǎn)以前，T總小于 ，故減速過程將沿特性2由C點(diǎn)至B點(diǎn)進(jìn)行。到達(dá)B點(diǎn)以后，T= ，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)以轉(zhuǎn)速 運(yùn)行（還有一種可能，降壓后，開始階段電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于第二象限）。</p><p>　　降壓調(diào)速可以得到較大的調(diào)速范圍，只要電源電壓連續(xù)可調(diào)，就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)，即無級(jí)調(diào)速。</p>

38、<p>　　這種系統(tǒng)性能較為優(yōu)越，但設(shè)備總投資大大增加。</p><p><b>　?。?）弱磁調(diào)速</b></p><p>　　弱磁調(diào)速的原理可由圖2.4來說明。</p><p>　　設(shè)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（ ），運(yùn)行于固有特性上的A點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為 ，弱磁并達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將提高為 。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)后，因負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，故電磁

39、轉(zhuǎn)矩亦不變，磁通減小，故 需增大。</p><p>　　n= （2.6）</p><p>　　式（2.6）中，分子因 增大而減小，分母因 減小而減小，n到底是增大還是減小，取決于分子、分母減小的相對程度，一般電機(jī)中 僅占電壓U一個(gè)很小的比例，所以分子減小相對較小，而分母減小的比例等于磁通減小的比例，故一般弱磁用于升速。</p&

40、gt;<p>　　忽略勵(lì)磁電流和電樞電流的過渡過程，對弱磁升速過程簡單分析如下：</p><p>　　弱磁后，機(jī)械特性變?yōu)橹本€BC，轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)，因磁通減小，故反電動(dòng)勢減小，導(dǎo)致電樞電流增大。盡管磁通減小，但電樞電流增加很多，使電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將加速，隨著n增加， 將減小，但在到達(dá)B點(diǎn)以前，應(yīng)有T ，故電動(dòng)機(jī)將在特性BC上沿箭頭方向由C點(diǎn)一直加速到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)

41、行點(diǎn)B點(diǎn)。</p><p>　　弱磁調(diào)速是在勵(lì)磁電路中實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，較為方便，但調(diào)速范圍一般較小。一般在額定轉(zhuǎn)速 以下用降壓調(diào)速，而在 以上用弱磁調(diào)速。</p><p>　　串電阻調(diào)速在空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍很小，調(diào)速效果不明顯；而在低速時(shí)，特性變軟，轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定性較差，這種調(diào)速方法只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，調(diào)速的平滑性較差。弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍也比較小。因此，本文采用降電壓調(diào)速，此方法可以得到較大的調(diào)

42、速范圍，只要電源電壓連續(xù)可調(diào)，就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)，即無級(jí)調(diào)速。</p><p>　　3 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　3.1 V-M系統(tǒng)簡介</p><p>　　由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)。其原理圖如圖3.1所示。圖中VT是晶閘管變流裝置，可以是單向、三相或者更多相數(shù)，半波、全波、

43、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓 ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓的平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)，而且該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，在工業(yè)上得到普遍應(yīng)用。</p><p>　　但是晶閘管還存在以下問題：</p><p>　　1）晶閘管的單向?qū)щ娦越o系統(tǒng)的可逆運(yùn)行帶來一些困難；&l

44、t;/p><p>　　2）晶閘管的過載能力小，要限制過電流和反向過電壓，以及電壓變化（ / ）和電流變化率（ / ），因此必須要有可靠的保護(hù)裝置和散熱條件；</p><p>　　3）整流電路的脈波數(shù)是有限的，比直流電機(jī)每對級(jí)下?lián)Q向片的數(shù)目要少的多，因此除非主電路電感L= ，否則V-M系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總比G-M系統(tǒng)更為嚴(yán)重。脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利。</p><p

45、>　　4）脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電網(wǎng)后對電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加了電機(jī)發(fā)熱。</p><p>　　3.2 三相橋式全控整流電路</p><p>　　目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖3.2所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（ 、 ）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（ ）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?/p>

46、通，為此將晶閘管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為 ，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為 。這樣晶閘管就按照1到6的順序?qū)恕?lt;/p><p>　　下面簡單介紹一下其工作原理：</p><p>　　6個(gè)晶閘管的脈沖按1到6個(gè)順序，相位依次相差60°；共陰極的組的3個(gè)晶閘管脈沖依次相差120°，共陽極組的3個(gè)晶閘管

47、脈沖也依次相差120°；同一相的上下兩個(gè)橋壁的晶閘管脈沖相差180°。每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，一個(gè)晶閘管是共陽極組的，一個(gè)是共陰極組的，且兩個(gè)晶閘管不在同一相。采用雙脈沖觸發(fā)，兩個(gè)脈沖前沿相差60°，脈寬一般為20°-30°。當(dāng)給定某一觸發(fā)角時(shí)，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

48、觸發(fā)角的大小，就可以改變輸出整流電壓了。</p><p>　　當(dāng) 60°時(shí)的整流電壓平均值為：</p><p>　　= =2.34 （3.1）</p><p>　　當(dāng)60°﹤ ＜90°時(shí)的電壓平均值為：</p><p>　　= =2.34 [1+ ] （3

49、.2）</p><p>　　3.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和靜特性</p><p>　　要維持電動(dòng)機(jī)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。</p><p>　　在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量—轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 ，與轉(zhuǎn)速給定電壓 相比較后，得到偏差電壓 ，

50、經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓 ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　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(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)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。</p><p>　　下面分析這個(gè)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：</p><p>　　（1）忽略各種非線性因素，假

51、定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；</p><p>　?。?） 假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段;</p><p>　?。?） 忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。</p><p>　　各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：</p><p>　　電壓比較環(huán)節(jié)： （3.3）&

52、lt;/p><p>　　放大器： （3.4）</p><p>　　V-M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性： （3.5）</p><p>　　晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：

53、 （3.6）</p><p>　　測速發(fā)電機(jī)： （3.7）</p><p><b>　　以上各關(guān)系式中</b></p><p>　　—放大器的電壓放大系數(shù)：</p><p>　　—晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的

54、電壓放大系數(shù)；</p><p>　　—測速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r；</p><p>　　整理上述五個(gè)式子，得到轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　式（3.8）中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，此處以作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。</p>&l

55、t;p>　　閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。</p><p>　　3.4 反饋控制規(guī)律</p><p>　　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值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K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(diào)速范圍越廣。總之K越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例

56、放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　只有K=∞才能使 ，而這是不可能的。</p><p><b>　　3.5 主要部件</b></p><p>　　3.5.1 比例放大器</p>&l

57、t;p>　　運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖3.5，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(diào)電流的影響，放大系數(shù)為</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　圖3.5 P調(diào)節(jié)器原理圖 圖3.6 P調(diào)節(jié)器輸出特性</p>&l

58、t;p>　　3.5.2 比例積分放大器</p><p>　　在定性分析控制系統(tǒng)的性能時(shí)，通常將伯德圖分成高、中、低三個(gè)頻段，頻段的界限是大致的。圖6為一種典型伯德圖的對數(shù)幅頻特性。</p><p>　　一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對快速性要求不高，所以常用PI調(diào)節(jié)器。采用運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)器如圖3.8。</p><p>　　圖3.7 典型控制系統(tǒng)的伯德

59、圖 圖3.8 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　——PI調(diào)節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；</p><p>　　——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　式（3

60、.11）的傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式（3.12）中 —PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征有以下四個(gè)方面：a.中頻段以 -20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；b.截止頻率越高，則系統(tǒng)的

61、快速性越好；c.頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差率小，調(diào)速范圍寬）；d.頻段衰減得越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強(qiáng)。</p><p>　　用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)是相角裕度γ和以分貝表示的幅值裕度Lg。穩(wěn)定裕度能間接的反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著振蕩弱、超調(diào)小。</p><p>　　在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出

62、電壓的時(shí)間特性如圖3.9：</p><p>　　圖3.9 階躍輸入時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出特性 圖3.10 PI校正裝置在原始系統(tǒng)上 </p><p>　　添加部分的對數(shù)幅頻特性 </p><p>　　將P調(diào)節(jié)器換成PI調(diào)節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.13）<

63、;/b></p><p>　　其對數(shù)幅頻特性如圖3.10所示。</p><p>　　由圖3.9可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時(shí)，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)態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù)的，因?yàn)榭焖傩员粔旱土?，換來穩(wěn)定性的保證。</p><p>　　作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求；作為校正裝置

64、，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　3.6 穩(wěn)定條件</b></p><p>　　反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p><b>　　穩(wěn)定條件為</b></p><p>&

65、lt;b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　整理后得</b></p><p><b>　　（3.16）</b></p><p>　　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(shí)的比放大系數(shù)小，不能同

66、時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度。為此必須再設(shè)計(jì)合適的校正裝置，以改造系統(tǒng)，才能達(dá)到要求。</p><p>　　3.7 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析</p><p>　　3.7.1 比例控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.11。當(dāng) 時(shí)，只擾動(dòng)輸入量 ，這時(shí)的輸出量即為負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差Δn，可將動(dòng)態(tài)

67、結(jié)構(gòu)圖改畫的形式如圖3.12。</p><p>　　圖3.11采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差 圖3.12 給定為0時(shí)采用比例調(diào)節(jié)器的</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的一般情況 閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差：</p><p><b>　?。?.

68、17）</b></p><p>　　這和靜特性分析的結(jié)果是完全一致的。</p><p>　　3.7.2 積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　將圖3.12比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器如圖3.13</p><p><b>　　突加負(fù)載時(shí) ，于是</b></p><p><b&

69、gt;　?。?.18）</b></p><p>　　負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　可見，積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的。</p><p>　　3.7.3 比例積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　用比例積分調(diào)節(jié)器

70、控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3.14。</p><p>　　圖3.13 給定為0時(shí)采用積分調(diào)節(jié)器圖 圖3.14 給定為0時(shí)采用比例積分調(diào)節(jié)器</p><p>　　的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　則穩(wěn)態(tài)速差為</b></p><p>

71、<b>　?。?.20）</b></p><p>　　因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　3.7.4 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系</p><p>　　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

72、前向通道上在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，則外擾動(dòng)便不會(huì)引起穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　4 電路設(shè)計(jì)和仿真</p><p>　　該系統(tǒng)的控制對象是直流電動(dòng)機(jī)M，被控量是電動(dòng)機(jī)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。</p><p><b>　　4.1 電路

73、原理</b></p><p>　　選用轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)節(jié)方式，設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖4.1所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的無級(jí)平滑調(diào)速。</p><p>　　該系統(tǒng)由整流變壓器、平波電抗器、晶閘管整流調(diào)速裝置、電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)和測速反饋組組成。圖中將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，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，得到移相

74、控制電壓 ，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(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng) 。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電動(dòng)機(jī)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)器采用比例（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(shí)當(dāng)給定電壓恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)起到了抑制所用，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的范圍之中。

75、</p><p>　　4.2 參數(shù)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　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(jìn)行仿真，其仿真圖見附錄1。</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置</p><p>　　（1）觸發(fā)電路的建模和參數(shù)設(shè)置&

76、lt;/p><p>　　1）六脈沖同步觸發(fā)器模型：SimPowerSystems—Extra library—Control blocks,其參數(shù)為：同步電壓的頻率/Hz欄為50，脈沖寬度/degree欄為1，采用雙脈沖觸發(fā)方式，其參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示。</p><p>　　2）三相線電壓模型：SimPowerSystems-Measurements—Voltage Measurement

77、，分別命名為Vab、Vbc、Vca。</p><p>　　3）三個(gè)連接端口：SinPowerSystems—Elements—Connection Port,分別命名為Ua、Ub、Uc。</p><p>　　4）兩個(gè)輸入模塊：Simulink—Sources—In1，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。</p><p>　　5）一個(gè)輸出

78、模塊：Simulink—Sinks—Out1。</p><p>　　圖4.3 六脈沖同步觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　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。</p><p>　　接好連線后，按Ctrl+A全選，點(diǎn)擊Edit—Create Subsystem，對6脈沖同步觸發(fā)器進(jìn)行子系統(tǒng)封裝。封裝后如圖4.4所示。<

79、/p><p>　?。?）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置</p><p>　　新建一個(gè)模型文件，將觸發(fā)電路子系統(tǒng)復(fù)制到新文件中。</p><p>　　1）三個(gè)交流電壓源模塊：PowerSystems—Electrical Sources—AC Voltage Source,分別命名為Va、Vb、Vc,參數(shù)設(shè)置為：Peak amplitude欄為220，F(xiàn)requency欄為50，

80、Phase欄分別為0、120、240。</p><p>　　圖4.4 三相交流電壓源參數(shù)設(shè)置</p><p>　　2）一個(gè)接地模塊：SinPowerSystems—Elements—Ground。</p><p>　　3）晶閘管整流橋和二極管：SinPowerSystems—Power Electronics—Universal Bridge。</p>

81、<p>　　參數(shù)設(shè)置如圖4.5,4.6所示：</p><p>　　圖4.5 三極管參數(shù)設(shè)置</p><p>　　圖4.6 二極管參數(shù)設(shè)置</p><p>　　4）勵(lì)磁電源：SinPowerSystems—Electrical Sources—DC Voltage Sources，電壓設(shè)為220V。</p><p>　　5）平波電抗

82、器：SinPowerSystems—Elements—Series RLC Branch。</p><p>　　參數(shù)設(shè)置如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 平波電抗器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　6）直流電動(dòng)機(jī)：SinPowerSystems—Machines—DC Machine。</p><p>　　參數(shù)設(shè)置如圖4.8所示：&

83、lt;/p><p>　　圖4.8 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置</p><p>　　7）四個(gè)常數(shù)模塊：Simulink—Sources—Constant，Constant Value分別設(shè)為120、-180、50、0。</p><p>　　8）一個(gè)連接器：Simulink—Signal Routing—Demux，設(shè)為4個(gè)輸出。</p><p>　　9）一

84、個(gè)示波器：Simulink—Sinks—Scope。</p><p>　　示波器參數(shù)設(shè)置如圖4.9所示：</p><p>　　圖4.9 示波器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　10）兩個(gè)加法連接器：Simulink—Math Operations—Sum，List of signs欄分別設(shè)置為：|+-和|++。</p><p>　　參數(shù)設(shè)置如圖4

85、.10所示：</p><p>　　圖4.10 加法連接器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　11）兩個(gè)比例環(huán)節(jié)：Simulink—Math Operations—Gain，其Gain欄參數(shù)設(shè)置如圖4.11所示:</p><p>　　圖4.11 比例環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置</p><p>　　12）一個(gè)限幅器：Simulink—Commonly Used Bl

86、ocks—Saturation,其參數(shù)設(shè)置如圖4.12所示：</p><p>　　圖4.12 限幅器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　找出上述所有元件后，就可以按照圖4.1所示進(jìn)行連線了。</p><p>　　值得注意的是：直流電動(dòng)機(jī)本身帶一個(gè)反電動(dòng)勢E，如果不考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感，只有當(dāng)晶閘管導(dǎo)通相的變壓器二次側(cè)電壓瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢時(shí)才有電流流出，容易造成負(fù)載電流的

87、斷續(xù)，為此，通常在主電路直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器 ，用來減少電流的脈動(dòng)和延長晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。另外，整流橋后面并聯(lián)一個(gè)二極管，可以加快電動(dòng)機(jī)的減速過程，同時(shí)避免在整流橋輸出端出現(xiàn)負(fù)電壓而使波形畸變。</p><p>　　將元件連接好后，設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)，點(diǎn)擊菜單欄的Simulation中的Configuration Parameters彈出參數(shù)設(shè)置窗口，其參數(shù)設(shè)置如圖4.13所示:</p>&

88、lt;p>　　圖4.13 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置</p><p>　　4.2.3 仿真結(jié)果</p><p>　　點(diǎn)擊運(yùn)行，查看示波器，波形如圖4.14所示：</p><p>　　圖4.14 仿真波形圖</p><p>　　圖4.14表示轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形，其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間/s，縱坐標(biāo)分別表示r/min、A、A和Nm

89、，通過分析可知，該仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果是相似的，說明系統(tǒng)的建模和仿真是成功的。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，通過分析直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)、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(jì)單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真工具對其進(jìn)行仿真。</p><

90、p>　　通過調(diào)試和仿真，該系統(tǒng)可很好的實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，轉(zhuǎn)速具有一定的穩(wěn)定性，并且當(dāng)電源電壓和電動(dòng)機(jī)負(fù)載變換時(shí)，轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。</p><p>　　當(dāng)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，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，可以將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器，可消除靜差，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于采用的單閉環(huán)控制，各參數(shù)相互影響，用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)

91、態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差，為了獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，可用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的波形更接近于實(shí)際運(yùn)行波形。</p><p>　　另外，系統(tǒng)是不可逆的，所以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不能再四象限中實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)從一三象限轉(zhuǎn)到二四象限時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，由于沒有逆變電路，電能就不能回饋到電網(wǎng)中，這樣就造成了電能的浪費(fèi)，而直流電機(jī)的可逆拖動(dòng)系統(tǒng)就能解決這種問題。 <

92、/p><p>　　通過本次設(shè)計(jì)，我對所學(xué)的課程又有了更深的了解和認(rèn)識(shí)，尤其是電力電子和電力拖動(dòng)兩門課程，彌補(bǔ)了我以前學(xué)習(xí)的不足，并學(xué)會(huì)了使用MATLAB這一功能強(qiáng)大的軟件，為我以后的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，為其一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)

93、凝聚了許多人的關(guān)懷與幫助。</p><p>　　首先我要感謝我的導(dǎo)師xx老師，在本次的設(shè)計(jì)中，閆老師傾注了大量的心血，從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍一遍指出稿中的問題，嚴(yán)格把關(guān)，細(xì)心教導(dǎo)，為此我表示衷心的感謝。她嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；她循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。</p><p>　　我還要感謝我的老師們，在四年的大學(xué)生活里教會(huì)我許多

94、東西，而且在完成論文期間給予我許多幫助和建議，他們兢兢業(yè)業(yè)，對工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度為我做出了好的表率，時(shí)刻鞭策著我向他們學(xué)習(xí)。</p><p>　　同時(shí)也非常感謝我的同學(xué)們，在與他們共同的學(xué)習(xí)、工作、生活中，給予我很大的幫助和建議，開拓的我的思路。我對他們致以真誠的謝意和衷心的祝福！</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p&

95、gt;　　1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　2 魏炳貴.電力拖動(dòng)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　3 王忠禮，段惠達(dá)，高玉峰.MATLAB應(yīng)用技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2007</p><p>　　4 湯蘊(yùn)謬，羅應(yīng)立，梁艷萍.電機(jī)學(xué).第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008&

96、lt;/p><p>　　5 IEEE Control Systems Magazine.美國：IEEE Inc.2006</p><p>　　6 林瑞光.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).杭州：浙江大學(xué)出版社，2007</p><p>　　7 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　8 （美）卡西.電機(jī)原理與

97、設(shè)計(jì)的MATLAB分析.北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　9 王忠禮，段惠達(dá)，高玉峰.MATLAB應(yīng)用技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2007</p><p>　　10 Trzynadlowski,A.M.The Field Orientation Principle in Control of Induction Motors.Kluwer,1994</p>

98、<p>　　11 馮信康，楊興瑤.電力傳動(dòng)控制原理與應(yīng)用.北京：水利水電出版社，1985</p><p>　　12 周德澤.電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989</p><p>　　13 李華德.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　14 李維波，MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用.北京：中國電力出