電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的課程設(shè)計

1、<p><b>　　一、目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………………………………………………………………2</p><p>　　一、 概 述…………………………………………………………………………………………2二、 設(shè)計任務(wù)與要求 ……………………………………………………………………………3</p><

2、;p>　　2.1 設(shè)計任務(wù)……………………………………………………………………………………3</p><p>　　2.2 設(shè)計要求……………………………………………………………………………………4</p><p>　　三、 理論設(shè)計 ………………………………………………………………………………… 4</p><p>　　3.1 方案論證 …………………………

3、……………………………………………………… 4</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………………………………………………4</p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 ………………………………………………………………………4</p><p>　　3.2.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計 ………………………………………………………………………8<

4、;/p><p>　　四、 系統(tǒng)建模及仿真實驗 …………………………………………………………………… 13 </p><p>　　4.1 MATLAB 仿真軟件介紹… ……………………………………………………………… 13</p><p>　　4.2 仿真建模………………………………………………………………………………… 13</p><p>　　

5、4.3 仿真波形分析…………………………………………………………………………… 16</p><p>　　五、 總結(jié)與體會 ……………………………………………………………………………… 18</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………………………………19</p><p><b>　　摘 要</b><

6、/p><p>　　從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求高，例如要求快速啟制動，突加負載動態(tài)速降等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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

7、電路、轉(zhuǎn)速電的流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護電路等．給定信號為0～10V直流信號，可對主電路輸出電壓進行平滑調(diào)節(jié)。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法，用Simulink做了帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真波形圖。

8、另外本文還介紹了實物制作的一些情況。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MATLAB 直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 干擾</p><p><b>　　一、概述</b></p><p>　　本章主要介紹典型系統(tǒng)的數(shù)學模型、參數(shù)和性能指標關(guān)系，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的近似處理和非典型系統(tǒng)的典型化，速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計方法。在

9、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電動機、晶閘管整流裝置、觸發(fā)的裝置都可按負載的工藝要求來選擇和設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)機械和工藝的要求提出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標，而系統(tǒng)的固有部分往往不能滿足性能指標要</p><p>　　求，所以需要設(shè)計合適的校正環(huán)節(jié)來達到。</p><p>　　對于調(diào)速系統(tǒng)來說，閉環(huán)調(diào)速比開環(huán)調(diào)速具有更好的調(diào)速性能。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)又要比單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能和抗擾性能?；镜碾p環(huán)就

10、是轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，相應(yīng)的要運用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在V-M調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉的環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　自動控

11、制原理中，為了區(qū)分系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，按照系統(tǒng)中所含積分環(huán)節(jié)的個數(shù)，把系統(tǒng)分為0型、I型、II型…系統(tǒng) 。系統(tǒng)型別越高，系統(tǒng)的準確度越高，但相對穩(wěn)定性變差。0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度最低，而III型及III型以上的系統(tǒng)則不易穩(wěn)定，實際上極少應(yīng)用。因此，為了保證一定的穩(wěn)態(tài)精度和相對的穩(wěn)定性，通常在I型和II型系統(tǒng)中各選一種作為典型，稱為典型I型和II型系統(tǒng)，作為工程設(shè)計方法的基礎(chǔ)。在此實驗中，則是將電流環(huán)設(shè)計成典型I型，將轉(zhuǎn)速外環(huán)設(shè)計成典型II型系統(tǒng)

12、，從而實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)控制。</p><p>　　采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再讓電流負

13、反饋發(fā)揮作用。因此，只有設(shè)計成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)則能滿足這個要求。</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)及要求</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流的調(diào)速系統(tǒng)，要求利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路。直流電動機參數(shù)：</p&g

14、t;<p>　　額定功率25KW，額定電壓220V，額定電流136A，</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速 1600r/m，=0.132Vmin/r， </p><p>　　允許過載倍數(shù)=1.5。</p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)：=40</p><p>　　電樞電阻：Ra=0.5</p>

15、;<p>　　電樞回路總電阻：2Ra=1Ω</p><p>　　時間常數(shù)：機電時間常數(shù)=0.18s， 電磁時間常數(shù)=0.03s</p><p>　　電流反饋系數(shù)：=0.05V/A</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v min/r</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：=0.005s，=0.005s</p&

16、gt;<p>　　總飛輪力矩：GD=2.5N.m h=6 </p><p><b>　　2.2設(shè)計要求</b></p><p>　　⑴　系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 σi ≤ 5%；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 σn ≤ 10％。</p><p>　?、啤∠到y(tǒng)具有過流、過壓保護。</p><p

17、>　　三、理論設(shè)計3.1方案論證</p><p>　　按照設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展設(shè)計原則（本課題設(shè)計先設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，后的設(shè)計轉(zhuǎn)速外環(huán),再設(shè)計電流變化率內(nèi)環(huán)）。</p><p>　　在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。然后在此基礎(chǔ)上加入電流變化率內(nèi)環(huán),這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的

18、靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達到本課程設(shè)計的要求。</p><p>　　現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深人的研究，把它

19、們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當做預期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指括的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計的算，設(shè)計過程就要簡便得多。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。 </p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖:</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計</b><

20、;/p><p>　　3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　1．電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中,可認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。如果

21、把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成/，則電流環(huán)的便等效成單位負反饋系統(tǒng)。最后，由于和一般比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)。則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化為圖3-2。</p><p>　　圖3-2 電流環(huán)最終簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2．電流調(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

22、系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器。其傳的遞函數(shù)可以寫成</p><p><b>　　(3-1)</b>&l

23、t;/p><p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3-3所示的典型形式。</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　圖3-3 校正

24、成典型Ⅰ性系統(tǒng)的的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖3-4繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的。</p><p>　　圖3-4 校正后電流環(huán)的的開環(huán)對數(shù)幅頻特性</p><p>　　3．電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算</p><p>　?。?）．確定時間常數(shù)</p><p>　?、?整

25、流裝置滯后時間常數(shù)Ts，</p><p>　　三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.00167s0.0017s</p><p>　　② 電流濾波時間常數(shù)：</p><p>　?、?電流環(huán)小時間常數(shù)之和,按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能</p><p><b>　　計算電流

26、調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　?、?電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):</p><p>　?、?電流環(huán)開環(huán)增益：要求i ≤5%，按附表1，應(yīng)取=0.5，因此</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)的為</p><p><b>

27、;　?。?-4）</b></p><p>　?、?代入數(shù)據(jù)得到電流調(diào)節(jié)器的的傳遞函數(shù)為</p><p>　?。?）．校驗近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　?、?晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p><b>　　滿足近

28、似條件。</b></p><p>　?、?忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　?、?電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　4．

29、電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-5所示。圖中為電流給定電壓,為電流負反饋電壓,調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p>　　根據(jù)運算放大器的的電路原理，可以容易的導出</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><

30、;b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　根據(jù)式3-5，3-6，3-7，取，各電阻和電容值為 </p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　， 取</b></p>

31、<p><b>　　，取</b></p><p>　　圖3-5 含給定濾波和反饋濾波的的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設(shè)計要求。</p><p>　　3.2.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　1．電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p>

32、<p>　　電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖3-3可知</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　忽略高次項，可降階近似為</p><p><b>　　(3-9) </b></p><p>　　接入電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入

33、量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 </p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的的選擇及參數(shù)計算</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3-1中的電流環(huán)后，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成/，再把時間常數(shù)為/和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)

34、節(jié)，其中</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖3-6。</p><p>　　圖3-6 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)小慣性的近似處理</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見圖3-6）?，F(xiàn)在擾動作用

35、點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　式中 K——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間系數(shù)。</p><p>

36、　　不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7所示</p><p>　　圖3-7 校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)</p><p><b>　　1. 確定時間常數(shù)</b></p><p>　?、?電流環(huán)等效時間常數(shù)</p><p>　　由 </p><

37、;p>　　知 </p><p>　　② 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)</p><p>　?、?轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)</p><p>　　3．計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　① 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=6，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p>　?、?由式(4-14)可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)

38、增益</p><p><b>　　K=</b></p><p>　　于是，由式可得ASR的比例系數(shù)為</p><p>　?、?代入數(shù)據(jù)得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 </p><p><b>　　4．檢驗近似條件</b></p>

39、<p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率</b></p><p>　?、?校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足</p><p><b>　　滿足簡化條件。</b></p><p>　?、?校驗轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件是否滿足</p><p><b>　　滿足近似條件。</b

40、></p><p>　　4．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-8所示。圖中U為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓U。</p><p>　　圖3-8 含給定濾波和反饋濾波的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

41、、電容值的關(guān)系為</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p><b>　　(3-17)</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　由3-16、3-17、3-18得，取，各電阻和電容值計算如下</p><

42、;p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　5．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算</p><p>　　電動機在起動過程中轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，但這時的超調(diào)是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調(diào)

43、，即“退飽和超調(diào)”。在計算退飽和超調(diào)量時，因退飽和的過程與同一系統(tǒng)在負載擾動下的過渡過程是完全一樣的，故可利用附表2給出的典型Ⅱ系統(tǒng)擾動性能指標來計算退飽和超調(diào)量。 </p><p>　　(3-19) </p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　(3-21)

44、 </p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　(3-23)</b></p><p>　　按退飽和超調(diào)量的計算方法計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　設(shè)理想空載起動時，當時，查附表2得：</p><p><b>　　

45、則</b></p><p><b>　　能滿足設(shè)計要求。</b></p><p>　　3.2.3轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系</p><p>　　外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。本章就是對轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

46、過程。</p><p>　　四、系統(tǒng)建模及仿真實驗</p><p>　　4.1MATLAB仿真軟件介紹</p><p>　　MATLAB是建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上的一種分析和仿真工具軟件包，包含各種能夠進行常規(guī)運算的“工具箱”，如常用的矩陣代數(shù)運算、數(shù)組運算、方程求根、優(yōu)化計算及函數(shù)求導積分符號運算等；同時還提供了編程計算的編程特性，通過編程可以解決一些復雜的工

47、程問題；也可繪制二維、三維圖形，輸出結(jié)果可視化。目前，已成為工程領(lǐng)域中較常用的軟件工具包之一。 </p><p>　　隨著計算機的發(fā)展，仿真的發(fā)展經(jīng)歷模擬仿真、混合仿真、數(shù)字仿真的歷史過程。目前，采用數(shù)字計算機的數(shù)學仿真獲得了普遍的應(yīng)用。計算機仿真的三個基本要素是系統(tǒng)、模型和計算機，聯(lián)系著它們的三項基本活動是模型建立、仿真模型建立（又稱為二次建模）和仿真試驗</p><p>　　Simul

48、ink是Math works公司于1990年推出的產(chǎn)品，是用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“Simu”，一詞表明它可以用于計算機仿真，而“Link”一詞表明它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復雜的系統(tǒng)模型。最近幾年，后來崛起的Simulink己成為學術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域在構(gòu)建、仿真與分析動態(tài)系統(tǒng)上使用最為廣泛的軟件包，它支持線性及非線性系統(tǒng)，能創(chuàng)建連續(xù)時間、離散時間或者

49、兩者混合的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)也能夠是多采樣頻率的（Multiarte），也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率結(jié)合起來。Simulink作為MATLAB的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)的建模與動態(tài)仿真工作平臺。Simulink是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別對于復雜的非線性，它的效果更為明顯。</p><p><b>　　4.2、仿真建模</b></

50、p><p>　　現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，如圖3.9所示：</p><p>　　用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如 圖3.10所示：</p><p>　　圖3.10 雙閉環(huán)調(diào)速仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)速度階躍輸入的仿真（速度給定1400r/m）仿真實驗</p&

51、gt;<p>　　由以上仿真得到雙閉環(huán)系統(tǒng)（在速度給定1400r/min時）的轉(zhuǎn)速和電流波形圖如圖3.11和圖3.12</p><p>　　圖3.11 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)速波形圖</p><p>　　圖3.12 雙閉環(huán)系統(tǒng)電流波形圖</p><p>　　2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在擾動作用下（電網(wǎng)電壓干擾和反饋系數(shù)變化干擾）的仿真實驗</p><

52、;p>　　在擾動作用下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流波形如下圖3.13。</p><p>　　圖3.13 系統(tǒng)在內(nèi)環(huán)擾動下的電流和轉(zhuǎn)速波形圖</p><p><b>　　4.3仿真波形分析</b></p><p>　　1、雙閉環(huán)系統(tǒng)電流、轉(zhuǎn)速波形分析</p><p>　　從圖3.11、3.12波形中，我們分析可知其起動過程可分三個

53、階段來分析：</p><p>　　第Ⅰ階段：電流上升階段。</p><p>　　突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)作用.</p><p>　　第Ⅱ階段：是恒流升速階段。</p><p>　　從

54、電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)速呈線性增長。</p><p>　　第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。</p><p>　　在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為

55、零。轉(zhuǎn)速超調(diào)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(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)作用。</p><p>　　根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為

56、： </p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。</p><p>　?。?）對負載變化起抗擾作用。</p><p>　?。?）其輸出限幅值決定電機允許的最

57、大電流。</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器的作用</b></p><p>　?。?）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。</p><p>　　（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。</p><p>　?。?）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的

58、最大電流，從而加快動態(tài)過程</p><p>　　（4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。</p><p>　　2、擾動作用下性能分析</p><p><b>　　電流環(huán)抗擾性能分析</b></p><p>　　對

59、大多數(shù)機器設(shè)備，控制系統(tǒng)的抗擾性能指標是至關(guān)重要的，它比系統(tǒng)的跟隨性能指標更為人們所關(guān)注。對于電流環(huán)，通過上面的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點：</p><p>　　1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。</p><p>　　2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對負載的大幅度突變也有良好的抗擾能力。</p><p>　　

60、3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在0.3s內(nèi)即可達到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度是非常快的，這也是我們設(shè)計此系統(tǒng)的原因之一。</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能的分析</p><p>　　在分析了電流環(huán)的抗擾性能后，再來分析一下轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能。一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。由上面的

61、仿真圖可以看出它的抗擾性能有如下幾點：</p><p>　　1）由于負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。負載擾動可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。</p><p>　　2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的大幅度突變也有良好的抗擾能力。</p><p>　　3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在0

62、.3s內(nèi)即可達到穩(wěn)定，可見它的響應(yīng)速度也是非?？斓模瑯?，這也是我們設(shè)計此系統(tǒng)的原因之一。</p><p><b>　　五、總結(jié)與體會</b></p><p>　　隨著近代電力電了技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，自動化電力拖動正向著計算機控制的生產(chǎn)過程自動化的方向邁進，以達到高速、優(yōu)質(zhì)、高效率地生產(chǎn)。在大多數(shù)綜合自動化系統(tǒng)中，自動化的電力拖動系統(tǒng)仍然是不

63、可缺少的組成部分。</p><p>　　本文設(shè)計的是轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，在設(shè)計中，使我對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成、數(shù)學模型、靜特性和動態(tài)性能有了總體的認識，并對調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法有了本質(zhì)上的把握，從而才具備了清晰的設(shè)計思路來完成本次設(shè)計。對工程設(shè)計方法有了一定的了解后，結(jié)合教材所學內(nèi)容，就可以對設(shè)計方案進行選擇。在對轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)作了相應(yīng)的簡化后，依據(jù)設(shè)計所需要的靜特性與動態(tài)性能確定系統(tǒng)的型

64、別及選用的調(diào)節(jié)器類型。</p><p>　　該系統(tǒng)是在單閉環(huán)的基礎(chǔ)上加以改進后完成的，通過對電力拖動自動控制系統(tǒng)的學習，我們了解到了單閉環(huán)系統(tǒng)在運用中存在一些缺點和不足，為了彌補這個不足，我們引入了轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋兩個環(huán)節(jié)分別起作用來設(shè)計的。進而達到我們所期望的效果。</p><p>　　通過這次設(shè)計，我具有了通過運用理論上所掌握的知識來獨立發(fā)現(xiàn)問題、思

65、考問題、解決問題的能力，在這次畢業(yè)設(shè)計中我又一次重新學習了 MATLAB及系統(tǒng)的控制仿真，使我對MATLAB有了進一步的了解和認識。同時也對比例積分調(diào)節(jié)器的功能有了進一步的認識。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計使我受益非淺，這對我今后會有很大的幫助。</p><p>　　本文是在吳木老師的悉心指導下完成的。在整個課題研究過程中，吳老師給予我耐心、細致的指導，每一次我遇到不會的問題吳老師都

66、及時的幫我解決，在設(shè)計此文的過程中，吳老師幫助我解決了很多實際問題。他那扎實的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的工作作風和平易近人的長者風范，不僅使我的專業(yè)知識得到提高，也將影響我今后的工作和生活，督促我不斷進步，使我終生受益。值此論文完成之際，謹向尊敬的吳老師表示我最誠摯的謝意和崇高的敬意!</p><p>　　在我做畢業(yè)設(shè)計論文的過程中，也得到了其他同學的耐心指導和悉心幫助，還對本文提出很多寶貴意見。在此表

67、示由衷的謝意!感謝他們對我的幫助。課題設(shè)計中的一些問題是在和他們進行討論之后得到了啟發(fā)。這才使我能夠順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計論文。</p><p>　　最后，還要特別感謝我的父母和我的朋友們，在近二十年的求學生涯中，家人和朋友們給予了我無微不至的關(guān)心和全力支持，我的成長凝聚了他們的心血和汗水。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

68、p>　　[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)(第三版).北京：機械工為出版社,2003</p><p>　　[2]黃俊，王兆安．電力電子變流技術(shù)（第四版）．北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3]顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)(第四版).北京:機械工業(yè)出版社.2007</p><p>　　[4] 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7 基礎(chǔ)與提高.北京