直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性的仿真研究

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　設(shè)計（論文）題目： 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性的仿真研究 </p><p>　　學(xué) 院 名 稱： 電子與信息工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　班 級： 09-2 </p><p>　　姓 名： 學(xué) 號 09401170207 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師：

3、 職 稱 高級工程師 </p><p>　　定稿日期：2013年 5 月 15 日</p><p>　　直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性的仿真研究</p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　本文敘述了直流電動機(jī)的基本原理和調(diào)速原理，介紹了直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜、動態(tài)特性，并且根據(jù)直流電

4、動機(jī)的基本方程建立了調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，用工程設(shè)計方法設(shè)計了直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。最后，用MATLAB仿真軟件搭建了仿真模型，對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。</p><p>　　通過對直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的研究與仿真，可以清楚地看到，直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，可以在給定調(diào)速范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無靜差平滑調(diào)速，這為直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。</p&g

5、t;<p>　　關(guān)鍵詞：直流調(diào)速，雙閉環(huán)系統(tǒng)，MATLAB仿真</p><p>　　THE CHARACTERISTICS SIMULATION STUDY OF </p><p>　　THE DC MOTOR SPEED CONTROL SYSTEM</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p>&

6、lt;p>　　This paper describes the basic principle of DC motor and speed control principle，introduced the dual-loop speed control system components and the static and dynamic characteristics，and according to the basic eq

7、uation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram shows the dynamic structure， designed by engineering design of DC Speed Regulation system. Finally，the simulation software MAT

8、LAB simulation model built on the speed control system was simulated.</p><p>　　By DC Motor Speed Regulation of the dynamic characteristics and simulation，we can see clearly, double-loop DC motor speed contro

9、l system has good dynamic performance，you can within a given speed，a smooth static error-free speed，which for the DC motor speed control system hardware to provide a theoretical basis for experimental.</p><p&g

10、t;　　Key Words:speed control of DC-drivers，double-closed-loop，matlab simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p

11、><b>　　目錄III</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義2</p><p>　　1.3 論文的主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章 直流電動

12、機(jī)調(diào)速系統(tǒng)4</p><p>　　2.1 直流電動機(jī)簡介4</p><p>　　2.1.1 直流電動機(jī)的工作原理4</p><p>　　2.1.2 直流電動機(jī)的運(yùn)行特性5</p><p>　　2.1.3 直流電動機(jī)的調(diào)速6</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)6</p><

13、;p>　　2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)8</p><p>　　2.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性8</p><p>　　2.3.2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能11</p><p>　　2.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計13</p><p>　　第3章 直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與研究19</p&g

14、t;<p>　　3.1 MATLAB簡介19</p><p>　　3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真20</p><p>　　3.3 仿真結(jié)果分析25</p><p>　　第4章 結(jié) 論27</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)28</p><p><b>　　致謝29</b>&

15、lt;/p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動控制技術(shù)研究與應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高

16、性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。</p><p>　　近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，利用計算機(jī)系統(tǒng)對控制系統(tǒng)進(jìn)

17、行數(shù)學(xué)仿真已被人們采納。 但是長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即要在模型建立以后設(shè)計一種算法。以使模型能被計算機(jī)接受，然后再編譯成為計算機(jī)程序，并且能在計算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生各種仿真算法與仿真軟件。</p><p>　　因?yàn)閷δＰ徒⑴c仿真實(shí)驗(yàn)研究比較少，因此建立模型往往需要很長時間，而且仿真結(jié)果的分析也要依賴相關(guān)專家，而且對決策者也缺乏直接的指導(dǎo)，這就阻礙了數(shù)學(xué)仿真的推廣和應(yīng)用。<

18、/p><p>　　MATLAB提供了系統(tǒng)仿真工具箱Simulink，是各種仿真軟件中最優(yōu)秀的一種。它能有效的解決以上仿真過程中的問題。對系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡單，而且仿真過程也是交互的，因此可以隨意的改變仿真系統(tǒng)的參數(shù)，而且可以立即得到修改參數(shù)后的結(jié)果。</p><p>　　Simulink能超越理想線性模型而研究更為實(shí)用的非線性的模型，如實(shí)際生活中的摩擦等各種自然現(xiàn)象；它能仿真和建模的對象

19、的類型十分廣泛。Simulink會使你的計算機(jī)成為一個實(shí)驗(yàn)室，用它可對各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真[1]。</p><p>　　隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等提出了更高的要求，這要使用大量調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能與調(diào)速性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始應(yīng)用直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。由最早使用旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組來控制發(fā)展成為磁放大器

20、來控制；再進(jìn)一步，采用靜止晶閘管變流裝置與模擬控制器來控制直流調(diào)速；再后來，采用可控整流與大功率晶體管組成的PWM控制電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制直流調(diào)速，從而讓系統(tǒng)快速性、可控性不斷提高。不斷提高的調(diào)速性能，讓直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛[2]。</p><p>　　課題研究的目的和意義</p><p>　　直流電動機(jī)具有良好的起制動性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中

21、得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的方面來看，它還是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從控制的物理量方面來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有張力控制系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)，多電動機(jī)同步控制系統(tǒng)多種類型，而這些系統(tǒng)大部分都通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的勵磁和電樞不是耦合的，是分開的，從而能對電樞電流和勵磁電流進(jìn)行精確控制；但是交流調(diào)速，

22、勵磁電流和電樞電流是耦合的，不能進(jìn)行精確控制。因此在軋機(jī)、造紙等對力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道采用PI調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了保證在條件允許下最快啟動，就要得到讓電流為最大值的恒流過程，電流負(fù)反饋可以獲得近似恒流過程。我們希望的理想狀態(tài)在啟動時只有電流負(fù)反饋，不讓它與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋一起作用

23、到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)</p><p><b>　　論文的主要內(nèi)容</b></p><p>　　本課題以直流電動機(jī)為對象，用工程設(shè)計方法設(shè)計直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動機(jī)的基本方程給出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真，對仿真結(jié)果分析、研究，驗(yàn)證控制方案的合理性。</p><p>&

24、lt;b>　　主要完成如下工作：</b></p><p>　　(1) 數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動機(jī)基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　(2) 系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p>　　通過國內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)

25、計方法，并進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　(3) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究</p><p>　　深入學(xué)習(xí)和掌握MATLAB下的Simulink和Power System系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn)行模型搭建和仿真，對結(jié)果進(jìn)行分析與探究。</p><p><b>　　直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p>&l

26、t;b>　　直流電動機(jī)簡介</b></p><p>　　直流電動機(jī)的工作原理</p><p>　　直流電動機(jī)的結(jié)果模型如圖2-1所示。位于磁場中的導(dǎo)體，有效受力線段為ab及cd兩線段。當(dāng)導(dǎo)體線圈abcd在圖示位置時，根據(jù)圖中磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，按電磁力定律，用左手定則判斷，導(dǎo)體ab段所受的電磁力向左，cd段所受電磁力向右，它們的合力使線圈受到逆時針方向的轉(zhuǎn)矩。這種

27、由電磁力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩。在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，整個導(dǎo)體線圈將逆時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)導(dǎo)體ab由N磁極下面轉(zhuǎn)到S磁極下、導(dǎo)體cd由S磁極下轉(zhuǎn)到N磁極下時，導(dǎo)體中的電流方向不變，但穿過導(dǎo)體的磁力線方向發(fā)生變化，導(dǎo)體受力方向改變，整個線圈導(dǎo)體所受到的電磁轉(zhuǎn)矩方向?qū)⒂赡鏁r針方向變?yōu)轫槙r針方向，直流電動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。</p><p>　　圖2-1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)

28、直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)，需要保持導(dǎo)體所受電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變，也就是要求有效受力導(dǎo)體段在不同極性的磁極下面通過的電流方向也不同。當(dāng)導(dǎo)電體ab、cd在圖示位置時，電流的路徑是：直流電源正極—電刷A—ab段導(dǎo)體—cd段導(dǎo)體—電刷B—直流電源負(fù)極。有效受力導(dǎo)體ab、cd段所受電磁力方向按左手定則確定，此時電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向?yàn)槟鏁r針，導(dǎo)電體ab、cd在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下逆時針方向旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)電體ab由N極下面轉(zhuǎn)到S極下、導(dǎo)電體cd由S極下面轉(zhuǎn)到N極下時，由于

29、換向器和電刷的配合作用，導(dǎo)電體abcd中的電流改變了方向。這樣就使固定磁性的磁極下的導(dǎo)體中流過的電流方向固定，保證了有效導(dǎo)體段所受電磁力方向不變，因此整個電動機(jī)線圈的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，從而使直流電動機(jī)能夠持續(xù)向同一方向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了用連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動軸上生產(chǎn)機(jī)械的使用目標(biāo)。</p><p>　　直流電動機(jī)的運(yùn)行特性</p><p>　　直流電動機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條

30、是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面主要對并勵電動機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。</p><p>　　工作特性是指電動機(jī)的端電壓U=UN，勵磁電流If=IfN時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te和效率與輸出功率的關(guān)系，即n，，。由于實(shí)際運(yùn)行中較易測得，且隨的增大而增大，故也可把工作特性表示為n，，。上述條件中，為額定勵磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時的勵磁電流。&

31、lt;/p><p>　　先看轉(zhuǎn)速特性。從電動勢公式和電壓方程可知</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　上式通常稱為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。此式表示，在端電壓U、勵磁電流均為常值的條件下，影響并勵電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個：一是電樞電阻壓降；二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增加時，電樞電流增大，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁

32、作用時，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個因素的影響部分地互相抵消，使并勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)用上，為保證并勵電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。</p><p>　　機(jī)械特性是指，勵磁回路電阻=常值時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。</p><p><b>　　直流電動機(jī)的調(diào)速</b></p><p>　　電動機(jī)是用以驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械的，根

33、據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟(jì)。直流電動機(jī)在這些方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　式中　—轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p><

34、;b>　　—電樞電壓（Ｖ）；</b></p><p><b>　　—電樞電流（Ａ）；</b></p><p>　　—電樞回路的總電阻（）；</p><p>　　—勵磁磁通（Ｗb）；</p><p><b>　　—電動勢常數(shù)。</b></p><p>　　在上

35、式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：① 調(diào)節(jié)電樞電壓；② 減弱勵磁磁通；③ 調(diào)節(jié)電樞回路電阻。</p><p>　　對于要求無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速[3]。</p><p>　　轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)&l

36、t;/p><p>　　任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有以下三個方面的要求：</p><p>　　(1) 調(diào)速。在一定的最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　(2) 穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在擾動下不允許有太大的轉(zhuǎn)速波動，以確保電機(jī)的質(zhì)量。</p><p>　　(

37、3) 加速與減速。若設(shè)備要頻繁起、制動，那么要求加速與減速盡量迅速，這樣可以提高生產(chǎn)率；對于不能經(jīng)受快速速度變化的機(jī)械設(shè)備則要求起動與制動盡可能平穩(wěn)[4]。</p><p>　　針對調(diào)速和穩(wěn)速的要求我們定義了兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“靜差率”和“調(diào)速范圍”。這兩個調(diào)速指標(biāo)合稱為調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的性能指標(biāo)。</p><p><b>　　Ⅰ. 調(diào)速范圍</b></p>

38、<p>　　生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比例叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其中，和通常都是指電動機(jī)在額定負(fù)載時的最高與最低轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　?、? 靜差率</b></p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)在特定的轉(zhuǎn)

39、速下運(yùn)轉(zhuǎn)時，由理想空載負(fù)載增加到額定負(fù)載時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　或</b></p><p>　　(2-5) </p><p>　　由此可見，靜差率與調(diào)速范圍這兩項(xiàng)指標(biāo)是相互聯(lián)

40、系的。在調(diào)速設(shè)計中，如果額定轉(zhuǎn)速降相同，那么轉(zhuǎn)速越低，電機(jī)的靜差率越大。所以，系統(tǒng)的靜差率應(yīng)以最低速是能滿足的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)[5]。</p><p>　　(3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中額定速降、靜差率和調(diào)速范圍的相互關(guān)系</p><p>　　一般用電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速當(dāng)最高轉(zhuǎn)速，如果額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降為，則按照上面分析的結(jié)果，那么系統(tǒng)的靜差率就是轉(zhuǎn)速最低時的靜差率，即</p><p

41、><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　于是，最低轉(zhuǎn)速為</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　而調(diào)速范圍為</b></p><p><b>　　(2-8)</b&g

42、t;</p><p><b>　　將上面的式代入，得</b></p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　式（2-9）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的額定速降、靜差率和調(diào)速范圍的相互關(guān)系。對于一個特定的調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由式（2-9）可見，若對靜差率的要求越嚴(yán)，即要求值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。<

43、;/p><p><b>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性</p><p>　　采用PI調(diào)節(jié)的單個直流轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。然而，若系統(tǒng)動態(tài)性能的要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)的性能不能達(dá)標(biāo)。因?yàn)閱伍]環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能夠隨意地控制轉(zhuǎn)矩與電流的動態(tài)過程。</p>&l

44、t;p>　　在直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，專門控制電流的部分是電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，但只能在電流大于臨界電流值以后，需要用劇烈的負(fù)反饋來限制沖擊電流，所以電流的動態(tài)波形不能得到理想地控制。含有電流截止負(fù)反饋的直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，起動電流突破以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)

45、，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分使用電機(jī)的過負(fù)載能力，理想情況是在過渡過程中始終使電流（轉(zhuǎn)矩）保持為允許的最大值，使電力拖動調(diào)速系統(tǒng)能用最大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，讓轉(zhuǎn)矩立即與負(fù)載平衡，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　實(shí)際上，由于主電路中存在電感的作用，電流不可能跳變。為了能在允

46、許條件下的實(shí)現(xiàn)最快起動，就是在過渡過程中始終使電流（轉(zhuǎn)矩）保持為允許的最大值。問題是，應(yīng)該在起動的時候只需要電流負(fù)反饋，而不需要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，又只需要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再需要電流負(fù)反饋的作用。要想既存在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的時間段里起作用，僅用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考慮同時采用電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　(1) 轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

47、系統(tǒng)組成</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋與負(fù)反饋能單獨(dú)起作用，系統(tǒng)需要設(shè)置兩個單獨(dú)的調(diào)節(jié)器，即電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖2-2所示。電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)器的輸入采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)節(jié)器的輸出，然后電力電子變換器UPE用電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)器的輸出來控制。</p><p>　　為了得到較好的靜、動態(tài)性能，電流與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器大部分都選用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)

48、直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖就如圖2-3所示。圖中顯示的調(diào)節(jié)器輸入與輸出電壓的實(shí)際極性是按照電力電子變換器的實(shí)際情況標(biāo)出的，并且考慮了運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出都加入了限幅作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓[6]。</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p&g

49、t;<p>　　圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　(2) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-4所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：不飽和——輸出還未達(dá)到限幅

50、值，飽和——輸出已達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器還未飽和時，PI調(diào)節(jié)器的作用是在穩(wěn)態(tài)時使輸入偏差電壓總為零；當(dāng)調(diào)節(jié)器已經(jīng)飽和時，輸出值就為恒值，系統(tǒng)的輸入量的變化不能再影響輸出結(jié)果，除非有反向的輸入信號讓反饋調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的反饋調(diào)節(jié)器就暫時隔斷了輸出與輸入之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。</p><p>　　圖2-4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　實(shí)際上，在

51、運(yùn)行正常時，電流反饋調(diào)節(jié)器并不能達(dá)到飽和狀態(tài)的。所以，對于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器不飽和與飽和兩種情況。</p><p>　?、?轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器不飽和時，這兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們輸入的偏差電壓全都是零，因此</p><p><b>　　由第一個關(guān)系式可得</b></p><p><b>　　(2-10

52、)</b></p><p>　　此時，由于ASR不飽和，＜，從上述第二個關(guān)系式可知＜。</p><p>　　② 當(dāng)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器飽和時，ASR輸出達(dá)到限幅值，外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化不再對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,直流雙閉環(huán)系統(tǒng)就變成一個直流單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時</p><p><b>　　(2-11)</b></p>

53、;<p>　　其中，最大電流是由自己選定的。</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能</p><p>　　(1) 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。</p><p>　　圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速

54、系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(2) 動態(tài)抗擾性能分析</p><p>　　一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能要好。對于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)，抗擾性能是最重要的動態(tài)性。</p><p><b>　?、?抗負(fù)載擾動</b></p><p>　　由圖2-5可以看出，由于負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，所以只能

55、用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來消除負(fù)載的擾動。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。</p><p><b>　?、?抗電網(wǎng)電壓擾動</b></p><p>　　電網(wǎng)電壓的擾動也會對調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用。和都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點(diǎn)不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動能夠比較快

56、地反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓作用的擾動點(diǎn)離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用受到延滯，所以單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的作用要不是很好[7]。</p><p>　　在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增加了電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，電壓的波動能通過電流反饋產(chǎn)生及時的調(diào)整，在它影響到轉(zhuǎn)速以前就能反饋回來，抗干擾性能有較大的改善。所以在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓波動而引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化相比于開環(huán)系統(tǒng)和單閉環(huán)系統(tǒng)要小得

57、多。</p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　綜上所述，電流反饋調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下。</p><p>　　① 電流反饋調(diào)節(jié)器的作用：</p><p>　　a 作為內(nèi)環(huán)的電流反饋調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的功能是讓電流緊緊跟隨它的給定電壓（即外環(huán)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)

58、節(jié)器的輸出量）變化。</p><p>　　b 能及時對電網(wǎng)電壓的擾動起抗擾的作用。</p><p>　　c 在轉(zhuǎn)速動態(tài)變化過程中，能保證電動機(jī)獲得允許的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。</p><p>　?、?轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器的作用：</p><p>　　a 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器是

59、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n能快速地跟隨著給定的電壓變化，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時能減小轉(zhuǎn)速的偏差。</p><p>　　b 能及時對負(fù)載變化的擾動起抗擾的作用。</p><p>　　c 電動機(jī)所允許的最大電流由轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定[8]。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)

60、框圖如圖2-6所示，其中的濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流信號中常含有能被檢測到的交流分量，為了把它和調(diào)節(jié)器的輸入隔離，需要加入低通濾波電路。低通濾波電路的傳遞函數(shù)一般用一階慣性環(huán)節(jié)表示，它濾波的時間常數(shù)按自己的需要選定，以能夠把電流檢測信號濾平為準(zhǔn)。但是，在減小交流分量的時候，濾波環(huán)節(jié)同時也延遲了反饋信號的作用，為了消去濾波環(huán)節(jié)的延遲作用，就要在給定的信號通道中添加一個相同的時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，稱

61、為給定濾波環(huán)節(jié)。讓反饋信號和給定信號經(jīng)過相同的延時時間常數(shù)，讓反饋信號和給定信號在時間上得到正確的配合。</p><p>　　圖2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由測速電機(jī)獲得的轉(zhuǎn)速反饋電壓中含有換向紋波，因此轉(zhuǎn)速反饋中也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。由同樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p><b&

62、gt;　　電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</b></p><p>　　(1) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　在圖2-6點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，電流反饋與反電動勢的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速正比。通常情況下，系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)遠(yuǎn)大于電磁時間常數(shù)，所以，電流的變化往往比轉(zhuǎn)速的變化快得多。這樣就可以暫時先不用考慮反電動勢變化所產(chǎn)生的動態(tài)影響，也就是說，可

63、以暫且先忽略掉反電動勢的作用。忽略電流環(huán)中反電動勢作用的近似條件是</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　式中，—電流反饋環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　若等效地把反饋濾波與給定濾波這兩個環(huán)節(jié)都移到環(huán)內(nèi)，且一起把給定的信號改為，則電流反饋環(huán)便可以近似等效成為單位負(fù)反饋系統(tǒng)[9]。</p>

64、;<p>　　最后，由于和一般都比小得多，可以把它作為一個小慣性群從而可以近似地認(rèn)為是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常為</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　那么電流反饋環(huán)結(jié)構(gòu)能化簡的近似條件是</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>

65、　　(2) 電流反饋調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能要求上看，若只是要求電流能實(shí)現(xiàn)無靜差，以便能得到比較理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就能滿足要求了。再從動態(tài)性能要求上看，實(shí)際的系統(tǒng)并不能在電樞電流在突加擾動作用時出現(xiàn)太大的超調(diào)，從而保證電流能在動態(tài)變化過程中不會超過允許值，而在這時候?qū)﹄娋W(wǎng)電壓的波動的及時抗擾作用就只是次要的因素。電流反饋環(huán)的控制對象是雙

66、慣性環(huán)節(jié)型的，要想把它校正成典型的I型系統(tǒng)，明顯應(yīng)該選用PI型的電流反饋調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)就可以寫成</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　式中 —電流反饋調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—電流反饋調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　為了讓控制對象的總時間常數(shù)極點(diǎn)能與調(diào)

67、節(jié)器零點(diǎn)對消，選擇</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　則電流反饋環(huán)的動態(tài)過程結(jié)構(gòu)框圖便成為圖2—14所示的典型的形式，其中</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　(3) 電流反饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算</p><p&g

68、t;　　電流反饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和，其中已選定，待定的只有比例系數(shù)，可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指標(biāo)選取。在一般情況下，希望電流超調(diào)量=5%，可選=0.707，=0.5，則</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　　得到</b></p><p><b>　?。?-19）</b&g

69、t;</p><p>　　(4) 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-7所示。圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p>　　圖2-7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易

70、地導(dǎo)出</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</b></p><p>　　

71、(1) 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流反饋環(huán)經(jīng)簡化后可認(rèn)為是轉(zhuǎn)速反饋環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，我們需求算出電流反饋環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　忽略高次項(xiàng)，可近似降階為</p><p><b>　　（2-24）</b><

72、;/p><p><b>　　近似條件式為</b></p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　式中，—轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　接入轉(zhuǎn)速反饋環(huán)內(nèi)，電流反饋環(huán)的等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，所以電流反饋環(huán)在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)中應(yīng)等效為</p><p&

73、gt;<b>　?。?-26）</b></p><p>　　這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)控制控制對象，經(jīng)閉環(huán)反饋控制后，能近似地認(rèn)為只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改善了控制對象的性能，使電流的跟隨變化作用加快了，這也是內(nèi)環(huán)(局部閉環(huán))控制的一個十分重要的功能。</p><p>　　(2) 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)類型的選擇</p>

74、<p>　　和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波的反饋濾波的環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到環(huán)內(nèi)，而且將給定的信號改成，然后把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)結(jié)合起來，可以近似認(rèn)為是一個大時間常數(shù)為的大慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p><b>　　（2-27）</b></p><p>　　現(xiàn)在在擾動作用點(diǎn)的后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)該一共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)

75、應(yīng)該把系統(tǒng)設(shè)計成典型的II型系統(tǒng)，這樣的II型系統(tǒng)也同時滿足了動態(tài)抗擾性能好的調(diào)節(jié)要求[10]。由此可見，ASR也應(yīng)該選用PI調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　式中 —轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p&

76、gt;　　這樣，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　令轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為</p><p><b>　　（2-30）</b></p><p>　　則 </p><

77、p>　　上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下：</p><p><b>　?。?-31）</b></p><p><b>　　（2-32）</b></p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有</p&

78、gt;<p><b>　?。?-33）</b></p><p><b>　?。?-34）</b></p><p>　　因此 （2-35）</p><p>　　(4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原

79、理圖如圖2—8所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。</p><p>　　圖2-8 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為</p><p><b>　　（2-36）</b></p><p><b&g

80、t;　　（2-37）</b></p><p><b>　?。?-38）</b></p><p>　　直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與研究</p><p><b>　　MATLAB簡介</b></p><p>　　(1) MATLAB語言</p><p>　　MAT

81、LAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的許多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全方位的解決方案，代表了當(dāng)今國際上科學(xué)計算軟件的最先進(jìn)水平[11]。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)運(yùn)算單位是矩陣，它的

82、指令表達(dá)式與工程與數(shù)學(xué)中常用的運(yùn)算形式十分相似，所以用MATLAB來解決運(yùn)算問題會比用FORTRAN，C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(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接

83、進(jìn)行下載就可以用。</p><p>　　(2) SIMULINK仿真工具</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它為我們提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該應(yīng)用環(huán)境中，不用大量書寫程序代碼，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)[12]。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以

84、上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散

85、采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真</p><p>　　為了使雙閉調(diào)速環(huán)系統(tǒng)的

86、研究更有意義，為此先做一個開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真，不但可以用于比較，也對下面雙閉環(huán)模型的順利完成起到幫助作用。</p><p>　　從Power System和Simulink模塊庫中找出對應(yīng)的模塊，按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接得到開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真圖，如圖3—1所示。</p><p>　　圖3-1 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　系統(tǒng)的建模

87、包括主電路部分的建模和控制電路部分的建模兩部分。直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主電路部分由直流電動機(jī)、晶閘管整流橋、三相對稱交流電壓源、平波電抗器等部分組成。但是，因?yàn)橥矫}沖觸發(fā)器和晶閘管整流橋是兩個不可分割的環(huán)節(jié)，所以作為一個整體來討論，所以要將觸發(fā)器轉(zhuǎn)移到主電路進(jìn)行系統(tǒng)建模。接下來對模塊參數(shù)的設(shè)置和仿真參數(shù)的設(shè)置作個簡單介紹。</p><p>　　(1) 三相對稱交流電壓源的參數(shù)設(shè)置</p><p&

88、gt;　　A相交流電源參數(shù)設(shè)置：幅值取135V、初相角設(shè)置成、頻率為50Hz、其它為默認(rèn)值。B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相相同，除了將初相位設(shè)置成互差外，其他參數(shù)與A相相同。由此可得到三相對稱交流電源。</p><p>　　(2) 晶閘管整流橋的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　雙擊模塊圖標(biāo)打開SCR整流橋參數(shù)設(shè)置對話框，橋臂數(shù)取3，電力電子元件選擇晶閘管。</p><

89、p>　　(3) 平波電抗器的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　打開平波電抗器的參數(shù)設(shè)置對話框，參數(shù)設(shè)置為電感值7e-03H，電阻值為0，電容值為inf，其它參數(shù)為默認(rèn)值。</p><p>　　(4) 直流電動機(jī)的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　雙擊直流電機(jī)圖標(biāo)，打開直流電機(jī)的參數(shù)設(shè)置對話框，按計算結(jié)果設(shè)定電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)。</p>

90、<p>　　圖3-2 直流電動機(jī)的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　(5) 同步6脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　雙擊模塊打開參數(shù)設(shè)置對話框，將頻率設(shè)為50，步長設(shè)為90。</p><p>　　(6) 轉(zhuǎn)速給定模塊的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　雙擊打開模塊，將給定電壓設(shè)為8V。</p><p>　　

91、(7) 仿真參數(shù)的設(shè)置</p><p>　　按快捷鍵“Ctrl+E”打開仿真參數(shù)設(shè)置對話框，將Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為2，仿真算法選變步長解法中的“ode23tb”。</p><p>　　圖3-3 仿真的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　參數(shù)設(shè)置完后，我們分別在不同負(fù)載下研究仿真波形。</p><p>　　在空載（0N.

92、m）、任意負(fù)載（50N.m）、額定負(fù)載（150N.m）下運(yùn)行仿真系統(tǒng)，分別作出轉(zhuǎn)速和電樞電流的仿真波形。波形如圖。</p><p>　　圖3-4 空載下開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　圖3-5 任意負(fù)載（50N.m）下開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　圖3-6 額定負(fù)載（150N.m）下開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形</p>

93、<p>　　雖然開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但在工業(yè)生產(chǎn)部門，常對靜差率和調(diào)速范圍都有一定的要求。要求靜差率不能太大，而且對調(diào)速范圍也有嚴(yán)格的限制，這時開環(huán)調(diào)速往往不能滿足要求，進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的研究就顯得很重要。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型只是在開環(huán)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)模塊及限幅模塊，其仿真模型如圖3-7所示。</p><p><

94、b>　　設(shè)計實(shí)例:</b></p><p>　　直流電動機(jī)：220V，55A，1250r/min，=0.167V*min/r，允許過載倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)=44；電樞回路總電阻R=0.21；時間常數(shù)=0.017s，=0.075s；電流反饋調(diào)節(jié)系數(shù)=0.121V/A（10V/1.5 IN）。轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系數(shù)=0.005V*min/r，2ms。轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s。電流反饋調(diào)節(jié)器

95、ACR參數(shù)的計算如下：</p><p>　　根據(jù)要求電流超調(diào)量5%要求，電流環(huán)按典型的I型系統(tǒng)設(shè)計。三相橋式電路的平均失控時間=0.0017s，電流環(huán)小時間常數(shù)為=0.0037s；電流調(diào)節(jié)器超時間常數(shù)：，電流環(huán)開環(huán)增益；取，因此，于是ACR的反饋比例系數(shù)：</p><p><b>　　=1.013</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器AS

96、R參數(shù)設(shè)計計算如下：</p><p>　　為了加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)按典型的II型系統(tǒng)設(shè)計，選擇中頻段的寬度為h=5[13]。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)的小時間常數(shù)，那么ASR調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為=0.087，轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益，于是可得ASR的比例系數(shù):</p><p><b>　　。</b></p><p>　　參數(shù)的設(shè)置也基本一樣，只要將轉(zhuǎn)速和電流調(diào)

97、節(jié)器模塊中的比例系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)按設(shè)計實(shí)例中的計算結(jié)果代入即可。</p><p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型搭建完畢，我們分別在不同負(fù)載下研究仿真波形。</p><p>　　圖3-7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　在空載（0N.m）、任意負(fù)載（50N.m）、額定負(fù)載（150N.m）下運(yùn)行仿真系統(tǒng)，分別作出轉(zhuǎn)速和電樞電流的仿真波形。波形如圖。</p&g

98、t;<p>　　圖3-8 空載下雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　圖3-9 任意負(fù)載（50N.m）下雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　圖3-10 額定負(fù)載（150N.m）下雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p><b>　　仿真結(jié)果分析</b></p><p>　

99、　由圖3-4、5、6、8、9、10可見，不論是開環(huán)調(diào)速還是雙閉環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速和電樞電流都是經(jīng)過了上升、下降、保持恒定這一過程。不同的是，負(fù)載從空載到額定負(fù)載變化的過程中，隨著負(fù)載的增大，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)值越來越小，而電樞電流的穩(wěn)態(tài)值越來越大，至額定負(fù)載時，轉(zhuǎn)速和電樞電流分別達(dá)到額定值。</p><p>　　由圖3-4至3-10可見，在同一負(fù)載時，起動過程中，雙閉環(huán)調(diào)速下的轉(zhuǎn)速與開環(huán)調(diào)速下的轉(zhuǎn)速相比有如下特點(diǎn)：(1) 轉(zhuǎn)速

100、上升比較平穩(wěn)；(2) 轉(zhuǎn)速超調(diào)量較?。?3) 動態(tài)速降小，穩(wěn)態(tài)精度高。電樞電流相比有如下特點(diǎn)：(1) 電樞電流最大值不會超過額定值太多；(2) 電樞電流的調(diào)整時間要長一點(diǎn)。</p><p>　　從以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在靜差率一定的情況下，具有更寬的調(diào)速范圍；也正是由于其轉(zhuǎn)速超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高，說明其動態(tài)性能較好，滿足生產(chǎn)部門機(jī)械裝置調(diào)速的要求。</p><p&

101、gt;<b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本次研究的課題—直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性研究與仿真，是基于工程設(shè)計的方法，即用工程設(shè)計方法設(shè)計直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)直流電機(jī)的基本方程建立調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并用MATLAB搭建設(shè)仿真模型，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)試與仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析、研究，驗(yàn)證控制方案的合理性。</p><

102、p>　　此次研究雖最終得到了滿意的結(jié)果，但在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時也遇到了不少問題，主要原因在于系統(tǒng)建模與參數(shù)調(diào)試時沒有技巧。現(xiàn)在我把本次仿真中獲得的一些技巧作個簡單的總結(jié)：</p><p>　　(1) 系統(tǒng)建模時，要分為主電路和控制電路分別進(jìn)行。</p><p>　　(2) 在參數(shù)設(shè)置時，晶閘管整流橋和6脈沖觸發(fā)器按仿真需要選擇合適的參數(shù)，平波電抗器和直流電動機(jī)中應(yīng)代入實(shí)際計算值，沒有相關(guān)

103、要求的參數(shù)取默認(rèn)值即可。</p><p>　　(3) 仿真時間的選擇按實(shí)際情況而定，以出現(xiàn)完整的波形為前提。</p><p>　　(4) 調(diào)節(jié)器和反饋參數(shù)按計算結(jié)果代入。</p><p>　　(5) 若雙閉環(huán)仿真中出現(xiàn)問題，可以在開環(huán)的基礎(chǔ)上，一步一步增加反饋環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)，不斷調(diào)試，最終完成雙閉環(huán)的仿真。</p><p>　　(6

104、) 參數(shù)調(diào)試時，我們還應(yīng)耐心觀察，認(rèn)真分析，及時比較，不斷優(yōu)化系統(tǒng)。</p><p>　　此次研究結(jié)果表明，直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在給定調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無靜差平滑調(diào)速。由于其超調(diào)量較小，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、較高的穩(wěn)態(tài)精度以及優(yōu)良的動態(tài)性能，這不僅為直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)，也為其它調(diào)速系統(tǒng)的研究打牢了理論基礎(chǔ)。但是其快速性要稍微差一點(diǎn)，這有待于以后繼續(xù)研究。</p><p><

105、;b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 梁莉敏.雙旋翼控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].華中科技大學(xué).2004年.</p><p>　　[2] 孫磊.基于ASP.NET的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動控制系統(tǒng)[D].浙江大學(xué).2005年.</p><p>　　[3] 朱鵬.新型汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].上海大學(xué).2008 年.&l

106、t;/p><p>　　[4] 張金男.基于PLC控制技術(shù)的大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 大連海事大學(xué).2007年.</p><p>　　[5] 韋韞.精準(zhǔn)噴霧電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué).2006年．</p><p>　　[6] 齊亞東.基于DSP移動小車控制器設(shè)計[D].江南大學(xué).2009年.</p><p>

107、　　[7] 王鑫.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].科技信息.2010年.</p><p>　　[8] 宋鵬.燃料電池車離散模型參考自適應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)研究[D].大連理工大 學(xué).2006年.</p><p>　　[9] 潘艷艷.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)模型仿真[J].重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）.2009年.</p><p>　　[10] 杜永紅.無

108、刷直流空心杯電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[D].上海大 學(xué).2008年. </p><p>　　[11]陳勝飛.芽種播種機(jī)構(gòu)振動分析及參數(shù)優(yōu)化[D].廣西大學(xué).2011年.</p><p>　　[12]張建平.自適應(yīng)控制變頻數(shù)字泵的研究[D].煙臺大學(xué).</p><p>　　[13]陳中.基于Matlab雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報（自

109、 然科學(xué)版）.2009年.</p><p>　　[14]Stephen J. Chapman,Electric Machinery Fundamentals[M]. USA： McGRAW-HILL Companies,2000.</p><p>　　[15]A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley. Electric Machinery[M].Si

110、xth Edition.</p><p>　　USA：McGRAW-HILL Companies,2003.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　經(jīng)過半年的工作與忙碌，這次的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)基本完成，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)的匱乏，所以有許多考慮不周全的問題，要是沒有指導(dǎo)老師 老師的督促與指導(dǎo)，以及一起工作

111、的同學(xué)們的支持，要想按時完成這個畢業(yè)設(shè)計是十分困難的。</p><p>　　本論文是在導(dǎo)師 老師的精心指導(dǎo)下完成的，從選擇論文題目、開題到論文的最后完成都傾注了導(dǎo)師的大量的心血。每次走進(jìn)教研室都會讓我感受到一種親切熱情的氛圍。無論是學(xué)習(xí)、工作生活上的問題，恩師都會詳細(xì)地給以指導(dǎo)與解答，讓我少走了許多彎路。所以，我要向我的指導(dǎo)老師 老師致以最真誠的謝意，感謝導(dǎo)師在這段時間里對我的生活上的關(guān)心和鼓勵與學(xué)習(xí)

112、上的教導(dǎo)。</p><p>　　最后，我要深深感謝我的家人，尤其是含辛茹苦撫養(yǎng)我長大并給予了我良好教育的父母對我的支持與關(guān)心，感謝他們對我多年求學(xué)的理解和支持。我的點(diǎn)滴進(jìn)步都伴隨著他們的鼓勵和竭力支持，這些都將永遠(yuǎn)銘記在心。</p><p><b>　　作品使用說明書</b></p><p>　　本作品在Windows平臺Matlab軟件下進(jìn)行

113、仿真。</p><p>　　雙擊Matlab圖標(biāo)，進(jìn)入Matlab軟件。</p><p>　　在Matlab指令窗口下輸入指令’simulink’，進(jìn)入simulink界面。</p><p>　　點(diǎn)擊打開按鈕，選擇shuangbihuan.mdl,打開本作品。</p><p>　　對各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊仿真，雙擊示波器，便可以觀察各參數(shù)波形。