控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與cad實(shí)驗(yàn)報(bào)告-電氣工程與自動(dòng)化設(shè)計(jì)

1、<p>　　控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)報(bào)告</b></p><p>　　院 系：電氣工程與自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　設(shè) 計(jì) 者： </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

2、 </p><p>　　xxx工業(yè)大學(xué)電氣工程系</p><p><b>　　年 月</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)報(bào)告的第一部分詳細(xì)闡述了直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)過(guò)程，主要采用了MATLAB/Simulink工具箱。<

3、;/p><p>　　一般情況下，KZ-D系統(tǒng)均設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)形式。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)著重解決了如下兩方面的問(wèn)題：?jiǎn)?dòng)的快速性問(wèn)題和提高系統(tǒng)抗擾性能。</p><p>　　雙閉環(huán)KZ-D系統(tǒng)中的ASR和ACR一般均采用PI調(diào)節(jié)器。為了獲得較好的跟隨性能，電流環(huán)按照典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了獲得較好的抗擾性能，轉(zhuǎn)速環(huán)按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。按照先內(nèi)環(huán)，后外環(huán)的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)。</p>

4、<p>　　實(shí)驗(yàn)報(bào)告的第二部分著重討論了基于MATLAB/SimPowerSystem工具箱的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真分析。</p><p>　　第一部分 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　自70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域里，大量地采用了“晶閘管整流電動(dòng)機(jī)調(diào)速”技術(shù)（簡(jiǎn)稱KZ-D調(diào)速系統(tǒng)）。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中K

5、Z-D系統(tǒng)的應(yīng)用還是占有相當(dāng)比重的。</p><p>　　一般情況下，KZ-D系統(tǒng)均設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)形式；“雙閉環(huán)控制”是經(jīng)典控制理論在實(shí)踐中的重要運(yùn)用，在許多實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中大量存在。無(wú)論是直流調(diào)速系統(tǒng)、龍門吊車系統(tǒng)還是一階倒立擺的控制，都可以通過(guò)雙閉環(huán)控制技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制。因此理解雙閉環(huán)控制技術(shù)的原理，掌握雙閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)方法，是工業(yè)控制領(lǐng)域技術(shù)人員的一項(xiàng)基本要求。</p>&l

6、t;p>　　然而，由于雙閉環(huán)控制技術(shù)所依賴的經(jīng)典控制理論只能解決線性定常系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，而實(shí)際系統(tǒng)往往是非線性的；所以，設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行線性化等近似處理，由此而引起的模型不準(zhǔn)確問(wèn)題將會(huì)影響到設(shè)計(jì)參數(shù)的選?。ㄟ@種影響有時(shí)會(huì)導(dǎo)致3～5倍的誤差），這給實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試帶來(lái)不便。因此，如果能在計(jì)算機(jī)上對(duì)建立了精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)、數(shù)字仿真與CAD，將對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)的選取帶來(lái)方便。</p><p>　　1.

7、1 控制對(duì)象的建模</p><p>　　為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)等動(dòng)態(tài)性能的分析，必須首先建立起系統(tǒng)的微分方程式，即描述系統(tǒng)物理規(guī)律的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　1.1.1 額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　圖1給出了額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電機(jī)的等效電路，其中電樞回路電阻R和電感L包含整流裝置內(nèi)阻和平波電抗器電阻與電感在內(nèi)，規(guī)定的正

8、方向如圖所示。</p><p>　　圖1-1 直流電動(dòng)機(jī)等效電路</p><p>　　由圖1-1可列出微分方程如下：</p><p>　　（主電路，假定電流連續(xù)）</p><p>　?。~定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）</p><p>　?。ㄅｎD動(dòng)力學(xué)定律，忽略粘性摩擦）</p><p>　　（額定勵(lì)磁

9、下的電磁轉(zhuǎn)矩）</p><p>　　式中，——包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩單位為Nm；</p><p>　　——電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，單位為Nm2；</p><p>　　——電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；</p><p><b>　　定義下列時(shí)間常數(shù)：</b></p>

10、<p>　　——電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，單位為s；</p><p>　　——電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，單位為s；</p><p>　　代入微分方程，并整理后得：</p><p>　　式中，——負(fù)載電流。</p><p>　　在零初始條件下，取等式兩側(cè)得拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)</p><p>&l

11、t;b>　　（1—1）</b></p><p>　　電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?—2）</b></p><p>　　式（1—1）和（1—2）的結(jié)構(gòu)圖分別畫在圖1-2a和b中。將它們合并在一起，并考慮到，即得到額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-2c。</p><p>

12、;　　a) b)</p><p><b>　　c)</b></p><p>　　圖1-2 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　a) 式（1—1）的結(jié)構(gòu)圖 b)式（1—2）的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　c)整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖&l

13、t;/p><p>　　1.1.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　要控制晶閘管整流裝置總離不開(kāi)觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時(shí)往往把它們當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。這一環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct，輸出量是理想空載整流電壓Ud0。如果把它們之間的放大系數(shù)Ks看成常數(shù)，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的時(shí)刻時(shí)間引起的。<

14、/p><p>　　下面列出不同整流電路的平均失控時(shí)間：</p><p>　　表1-1 各種整流電路的平均失控時(shí)間（f=50Hz）</p><p>　　用單位階躍函數(shù)來(lái)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出關(guān)系為</p><p>　　按拉式變換的位移定理，則傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（1—3）&l

15、t;/b></p><p>　　由于式（1—3）中含有指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為“非最小相位系統(tǒng)”，這使得系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（1—3）變成</p><p>　　考慮到Ts很小，忽略其高次項(xiàng)，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)</p><p><b>　?。?—4）</b></p

16、><p>　　其結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示。</p><p><b>　　b)</b></p><p>　　圖1-3 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　a) 準(zhǔn)確的 b)近似的</p><p>　　1.1.3 比例放大器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和電流互感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p>&

17、lt;p>　　比例放大器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和電流互感器的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的放大系數(shù)也就是它們的傳遞函數(shù)，即</p><p><b>　?。?—5）</b></p><p><b>　?。?—6）</b></p><p><b>　　（1—7）</b></p><p&

18、gt;　　1.1.4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　根據(jù)以上分析，可得雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下</p><p>　　圖1-4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　上節(jié)討論了雙閉環(huán)系統(tǒng)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立，現(xiàn)在來(lái)具體設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)多

19、環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作師轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖1-5，它與圖1-4不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反

20、饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道中加一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱為給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。</p><p>　　圖1-5 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Toi—電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton—轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)</p&g

21、t;<p>　　由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.2.1雙閉環(huán)KZ-D系統(tǒng)的目的</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)著重解決了如下兩方面的問(wèn)題：</p><p><b>　　啟動(dòng)的

22、快速性問(wèn)題</b></p><p>　　借助于PI調(diào)節(jié)器的飽和非線性特性，使得系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載能力下盡可能地快速啟動(dòng)。</p><p><b>　　提高系統(tǒng)抗擾性能</b></p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)器的適當(dāng)設(shè)計(jì)可使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速對(duì)于電網(wǎng)電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)或突變等擾動(dòng)予以迅速抑制，在恢復(fù)時(shí)間上達(dá)到最佳。</p>&

23、lt;p>　　1.2.2積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問(wèn)題</p><p>　　雙閉環(huán)KZ-D系統(tǒng)中的ASR和ACR一般均采用PI調(diào)節(jié)器，其中有積分作用（I調(diào)節(jié)）。系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　圖1-6 具有積分控制作用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中我們可以清楚地知道：</p><p>　　（1）只要偏差e（t）存在，

24、調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓U就會(huì)不斷地?zé)o限制地增加。因此，必須在PI調(diào)節(jié)器輸出端加限幅裝置。</p><p>　　（2）當(dāng)e（t）=0時(shí)，U=常數(shù)。若要使U下降，必須使e（t）<0。因此，在調(diào)速系統(tǒng)中若要使ASR退出飽和輸出控制狀態(tài)，就必然會(huì)產(chǎn)生超調(diào)。</p><p>　?。?）若控制系統(tǒng)中（前向通道上）存在有幾分作用的環(huán)節(jié)（調(diào)節(jié)器，對(duì)象），則在給定作用下，系統(tǒng)輸出一定會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。<

25、/p><p>　　1.2.3 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以歸納如下：</p><p>　　1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓U*m變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；</p><p>　?。?）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；</p><

26、p>　?。?）其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p><p>　　2．電流調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；</p><p>　?。?）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；</p><p>　　（3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓U*i變化；</p><p>　　（4）當(dāng)電

27、機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。</p><p>　　1.2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　首先決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)?？墒请娏鳝h(huán)還

28、有另一個(gè)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)的作用，為了提高其抗擾性能，又希望把電流環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)。究竟應(yīng)該如何選擇，要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的具體要求來(lái)決定取舍。在一般情況下，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比Tl/T∑i≤10時(shí)，典型Ⅰ型系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的，因此一般多按典型Ⅰ型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電流環(huán)，下面就考慮這種情況。</p><p>　　要校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成</p>

29、<p><b>　?。?—8）</b></p><p>　　式中 Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇</p><p><b>　?。?—9）</b></p>

30、<p>　　在一般情況下，希望超調(diào)量σ%≤5%時(shí)，可取阻尼比ξ=0.707，，因此</p><p>　　，（） （1—10）</p><p>　　又因?yàn)?（1—11）</p><p>　　得到

31、 （1—12）</p><p>　　1.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)是比較明確的，這首先是基于靜態(tài)無(wú)靜差的要求。從結(jié)構(gòu)圖可以看出，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)之后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要Ⅱ型系統(tǒng)。再?gòu)膭?dòng)態(tài)性能上看，調(diào)速系統(tǒng)首先需要較好的抗擾性能，典型Ⅱ型系統(tǒng)恰好能滿足這個(gè)要求。至于典型Ⅱ

32、型系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量大的問(wèn)題，那是線性條件下的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在突加給定后很快就會(huì)飽和，這個(gè)非線性作用會(huì)使超調(diào)量大大降低。因此，大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型Ⅱ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?—13）</b></p><p&g

33、t;　　式中 Kn—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益 （1—14）</p><p>　　按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，</p><p>　　，（） （1—15）<

34、;/p><p><b>　?。?—16）</b></p><p>　　考慮到式（1—14）和（1—15），得到ASR的比例系數(shù)</p><p><b>　?。?—17）</b></p><p>　　至于中頻寬h應(yīng)選擇多大，要看系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求來(lái)決定。一般以選擇h=5為好。</p>&l

35、t;p>　　所以 ，。</p><p>　　經(jīng)過(guò)如上設(shè)計(jì),得到的KZ-D系統(tǒng)從理論上講有如下動(dòng)態(tài)性能：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電流的超調(diào)量為4.3%，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量為8.3%。</p><p>　　1.2.5 ACR和ASR的理論設(shè)計(jì)及結(jié)果</p><p>　　系統(tǒng)中采用三相橋式晶閘管整流裝置，基本參數(shù)如下：</p>

36、<p>　　直流電動(dòng)機(jī)：220V，13.6A，1480r/min，=0.131V/（r/min），允許過(guò)載倍數(shù)λ=1.5。</p><p><b>　　晶閘管裝置：。</b></p><p>　　電樞回路總電阻：R=6.58Ω。</p><p>　　時(shí)間常數(shù)：=0.018s，=0.25s。</p><p>

37、　　反饋系數(shù)：α=0.00337V/（r/min），β=0.4V/A。</p><p>　　反饋濾波時(shí)間常數(shù)：=0.005s，=0.005s。</p><p><b>　　（一）電流環(huán)的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　具體設(shè)計(jì)步驟如下：</b></p><p><b>　　1．確

38、定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　?。?）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts</p><p>　　按表1-1，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.00167s。</p><p>　　（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi</p><p>　　Toi=0.005s。</p><p>　?。?）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p&g

39、t;<p>　　按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　　2．選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　因?yàn)?，因此可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選擇PI型，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　3．選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　ACR超前時(shí)間常數(shù)：。</p><p>　　電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：取，因

40、此</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　4．校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率</b></p><p>　　晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：</p><p>　　現(xiàn)在，，滿足近似條件。</p>&l

41、t;p>　　忽略反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：</p><p>　　現(xiàn)在，，滿足近似條件。</p><p>　　小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：</p><p>　　現(xiàn)在， ，滿足近似條件。</p><p>　　綜上，電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。ǘ┺D(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)</b></

42、p><p><b>　　具體設(shè)計(jì)步驟如下：</b></p><p><b>　　1．確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　?。?）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton</p><p>　　Ton=0.005s。</p><

43、p>　?。?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p><p>　　按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　　2．選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　3．選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p>

44、<p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益</b></p><p>　　于是，ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　4．校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為<

45、;/b></p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：</p><p><b>　　現(xiàn)在，</b></p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　?。?）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：</p><p><b>　　現(xiàn)在，</b&g

46、t;</p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　　綜上，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為</p><p>　　1.2.6 ASR輸出限幅值的確定</p><p>　　當(dāng)ASR輸出達(dá)到限幅值U*im，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)</

47、p><p>　　式中，最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。在這里，我們選取Idm=20A，那么ASR輸出限幅值為</p><p><b>　　。</b></p><p>　　1.3雙閉環(huán)系統(tǒng)SIMULINK仿真分析</p><p>　　Simulink是MATLAB的一個(gè)重要的分支

48、產(chǎn)品，是一個(gè)結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真軟件。它以MATLAB的核心數(shù)學(xué)、圖形和語(yǔ)言為基礎(chǔ)，可以讓用戶毫不費(fèi)力地完成從算法開(kāi)發(fā)、仿真或者模型驗(yàn)證的全過(guò)程，而不需要傳遞數(shù)據(jù)、重寫代碼或改變軟件環(huán)境。</p><p>　　下面我們借助SIMULINK來(lái)分析一下雙閉環(huán)KZ-D系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)上節(jié)理論計(jì)算得到的參數(shù)，得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p>　　

49、圖1-7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　經(jīng)過(guò)運(yùn)行仿真程序，在沒(méi)有擾動(dòng)的情況下，得到理論設(shè)計(jì)條件下輸出轉(zhuǎn)速曲線如下：</p><p>　　圖1-8 理論設(shè)計(jì)條件下輸出轉(zhuǎn)速曲線</p><p>　　從圖1-8中可以清楚地看出，輸出轉(zhuǎn)速由很大的超調(diào)，最大可達(dá)83.3%，調(diào)整時(shí)間達(dá)1.7s之久，這是與我們理論上的設(shè)計(jì)目的存在較大的差距，問(wèn)題在那呢？。<

50、;/p><p>　　設(shè)計(jì)應(yīng)該從內(nèi)環(huán)到外環(huán)——內(nèi)環(huán)特性如何？；</p><p>　　外環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)受“飽和非線性”特性的影響較大；</p><p>　　我們知道在可雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器一般均采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，并且調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算方法較多采用以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)法。實(shí)踐表明：應(yīng)用這些工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，其實(shí)際電流特性

51、與預(yù)期的比較接近。但是，由于這兩種設(shè)計(jì)方法從理論上來(lái)講都只適用于零初始條件下對(duì)線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于含有非線性環(huán)節(jié)的可控硅調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論和實(shí)際的矛盾比較突出。尤其是速度調(diào)節(jié)器，由于存在飽和與退飽和過(guò)程引起的“非零初始條件”問(wèn)題，因此，速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際調(diào)試結(jié)果相差比較大，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降（升）缺乏有效的抑制能力，存在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中超調(diào)量大，突加（減）負(fù)載時(shí)，動(dòng)態(tài)速降（升）大等缺點(diǎn)。</p>

52、<p>　　一般來(lái)說(shuō)，引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的目的是利用比例微分環(huán)節(jié)的領(lǐng)前作用來(lái)對(duì)消調(diào)節(jié)對(duì)象中的大慣性時(shí)間常數(shù)τm，提早退飽和的時(shí)間，抑制振蕩，減少超調(diào)量，并在保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度基礎(chǔ)上改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　其實(shí)其它的方法如，由于線性二次型（LQ）最優(yōu)閉環(huán)系統(tǒng)具有一系列優(yōu)良的工程特性，如無(wú)窮的增益裕量，至少60%的相位裕量、有界超調(diào)和一定的非線性容限，并且最優(yōu)性與初始條件無(wú)關(guān)，也能很好

53、的解決的速度超調(diào)過(guò)大的問(wèn)題，但是這種方法本身也存在著計(jì)算量大，難實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。</p><p>　　因此，在原來(lái)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可以對(duì)速度環(huán)控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，方便、簡(jiǎn)單，而同樣也能達(dá)到減少超調(diào)和調(diào)整時(shí)間的效果。很容易得到：在PI控制系統(tǒng)中，適當(dāng)?shù)臏p小比例系數(shù)，或者增大τn都能減小被控量的超調(diào)。</p><p>　　所以，我們對(duì)ACR和ASR的參數(shù)進(jìn)行整定，特別是速度控制器的參數(shù)。我們就對(duì)其作

54、出了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將速度控制器的傳遞函數(shù)改成，將電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)改為。</p><p>　　修正后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p>　　圖1-9 修正后的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.3.1仿真參數(shù)的配置</p><p>　　這里我們僅就需要用到的參數(shù)設(shè)定方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹</p><p&

55、gt;　　Simulink默認(rèn)的仿真時(shí)間是10秒，但是在進(jìn)行實(shí)際的仿真時(shí)可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間，可以在模型編輯窗中執(zhí)行“Simulink”/“Simulink Parameters”菜單命令，或者按下快捷鍵“Ctrl+E”，打開(kāi)Simulink仿真參數(shù)配置對(duì)話框，如圖1-10所示：</p><p>　　圖1-10 仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框</p><p>　　1．“Simulink time”選項(xiàng)區(qū)

56、域</p><p>　　在“Simulink time”選項(xiàng)區(qū)域中通過(guò)設(shè)定“Start time（仿真開(kāi)始時(shí)間）”和“Stop time（仿真結(jié)束時(shí)間）”2個(gè)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真時(shí)間的設(shè)定。</p><p>　　2．“Solver options”選項(xiàng)區(qū)域</p><p>　　仿真解法大體上分為2類：變步長(zhǎng)仿真解法和定步長(zhǎng)仿真解法。</p><p&

57、gt;　?。?）變步長(zhǎng)仿真解法</p><p>　　采用變步長(zhǎng)解法時(shí)，Simulink會(huì)在保證仿真精度的前提下，從盡可能節(jié)約仿真時(shí)間的目的出發(fā)對(duì)仿真步長(zhǎng)進(jìn)行相應(yīng)改變。此時(shí)需要設(shè)定：Max step size（最大步長(zhǎng)）、Min step size（最小步長(zhǎng)）、Initial step size（初始步長(zhǎng)）和誤差限，通常誤差限由Relative tolerance（相對(duì)誤差）和Absolute tolerance（

58、絕對(duì)誤差）兩個(gè)參數(shù)來(lái)設(shè)置。每個(gè)狀態(tài)的誤差限有著兩個(gè)參數(shù)和狀態(tài)本身共同決定。</p><p>　　Simulink提供的主要變步長(zhǎng)解法包括：</p><p>　　discrete(no continuous states)：針對(duì)無(wú)連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)特殊解法；</p><p>　　ode45(Dormand-Prince)：基于Dormand-Prince4-5階的Runge

59、-Kutta公式；</p><p>　　ode23(Bogacki-Shampine)：基于Bogacki-Shampine2-3階的Runge-Kutta公式；</p><p>　　ode113(Adams)：變階次的Adams-Bashforth-Moulton解法；</p><p>　　ode15s(stiff/NDF)：剛性系統(tǒng)的變階次多步解法；</p

60、><p>　　ode23s(stiff/Mod.Rosenbrock)：剛性系統(tǒng)固定階次的單步解法。</p><p>　　當(dāng)模型中有連續(xù)狀態(tài)時(shí)，Simulink的默認(rèn)解法是ode45，這也是通常情況下最好的解法，是仿真的首選。當(dāng)用戶知道系統(tǒng)是一個(gè)剛性系統(tǒng)（剛性系統(tǒng)是指同時(shí)包含了快變環(huán)節(jié)和慢變環(huán)節(jié)的系統(tǒng)），且解法ode45不能得到滿意的結(jié)果，則可以考慮試試ode15s。</p>&

61、lt;p>　　當(dāng)模型中沒(méi)有連續(xù)狀態(tài)時(shí)，Simulink則默認(rèn)使用discrete解法，這是針對(duì)無(wú)連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)特殊解法。</p><p>　?。?）定步長(zhǎng)仿真解法</p><p>　　采用定步長(zhǎng)解法，用戶需要設(shè)定：固定步長(zhǎng)（Fixed step size）和模式（mode）。其中，模式包括多任務(wù)（MultiTasking）模式和單任務(wù)（SingleTasking）模式。當(dāng)選擇Multi

62、Tasking模式時(shí)，Simulink會(huì)對(duì)不同模塊間是否存在速率轉(zhuǎn)換進(jìn)行檢查，當(dāng)不同采樣速率的模塊直接相連時(shí)會(huì)給出錯(cuò)誤提示；當(dāng)選擇SingleTasking模式時(shí)則不會(huì)。此外，用戶還可以選擇Auto模式，此時(shí)Simulink會(huì)根據(jù)模型中各模塊速率是否一致決定使用SingleTasking模式工作還是MultiTasking模式工作。</p><p>　　Simulink提供的定步長(zhǎng)解法包括：</p>

63、<p>　　discrete(no continuous states)：針對(duì)無(wú)連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)特殊解法；</p><p>　　ode5(Dormand-Prince)：ode45的確定步長(zhǎng)的函數(shù)解法；</p><p>　　ode4(Runge-Kutta)：使用固定步長(zhǎng)的經(jīng)典4階Runge-Kutta公式的函數(shù)解法；</p><p>　　ode3(Boga

64、cki-Shampine)：ode23的確定步長(zhǎng)的函數(shù)解法；</p><p>　　ode2(Heun)：使用固定步長(zhǎng)的經(jīng)典2階Runge-Kutta公式的函數(shù)解法，也稱Heun解法；</p><p>　　ode1 (Euler)：固定步長(zhǎng)的Euler方法。</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，變步長(zhǎng)解法已經(jīng)能夠把積分段分的足夠細(xì)，并不需要使用固定步長(zhǎng)算法來(lái)獲得解的光滑曲線

65、。</p><p>　　1.3.2 仿真步長(zhǎng)與精度的關(guān)系</p><p>　　為了有效地對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，必須針對(duì)具體問(wèn)題，合理選擇算法和計(jì)算步長(zhǎng)。這些問(wèn)題比較復(fù)雜，涉及的因素也比較多，而且直接影響到數(shù)值解的精度、速度和可靠性。能夠做到十分合理地選擇算法和步長(zhǎng)并不是一件十分簡(jiǎn)單的事情，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)是千變?nèi)f化的，所以至今尚無(wú)一種具體的、確定的、通用的方法。一般來(lái)說(shuō)應(yīng)該考慮以下因素：方法

66、本身的復(fù)雜程度，計(jì)算量和誤差的大小，步長(zhǎng)和易調(diào)整性以及系統(tǒng)本身的剛性程度等。</p><p><b>　?。?）精度要求</b></p><p>　　影響數(shù)值積分精度的因素包括截?cái)嗾`差（同積分方法、方法階次、步長(zhǎng)大小等因素有關(guān)），舍入誤差（同計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)、步長(zhǎng)大小、程序編碼質(zhì)量等等因素有關(guān)），初始誤差（由初始值準(zhǔn)確程度確定）。當(dāng)步長(zhǎng)h取定時(shí)，算法階次越高，截?cái)嗾`差越??；

67、當(dāng)算法階次取定后，多不法精度比單步法高，隱式精度比顯式高。當(dāng)要求高精度仿真時(shí)，可采用高階的隱式多步法，并取較小的步長(zhǎng)。但步長(zhǎng)h不能太小，因?yàn)椴介L(zhǎng)太小會(huì)增加迭代次數(shù)，增加計(jì)算量，同時(shí)也會(huì)加大舍入誤差和積累誤差。</p><p>　　總之，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)視仿真精度要求合理地選擇方法和階次，并非階次越高，步長(zhǎng)越小越好。</p><p><b>　?。?）計(jì)算速度</b><

68、;/p><p>　　計(jì)算速度主要取決于每步積分所花費(fèi)的時(shí)間及積分的總次數(shù)，每步計(jì)算量同具體的積分方法有關(guān)。它主要取決于導(dǎo)函數(shù)的復(fù)雜程度，以及每步積分應(yīng)計(jì)算導(dǎo)函數(shù)的次數(shù)。</p><p>　　為了提高仿真速度，在積分方法選定的前提下，應(yīng)在保證精度的前提下盡可能加大仿真步長(zhǎng)，以縮短仿真時(shí)間。</p><p>　　綜上所述，我們采用Simulink的默認(rèn)的ode45變步長(zhǎng)仿真

69、解法，從后面的仿真結(jié)果可以會(huì)看出，效果是能夠令人滿意的。</p><p>　　1.3.3起動(dòng)特性分析</p><p>　　在這里，我們選取Start time=0.0，Stop time=0.7，仿真時(shí)間從0s到0.7s。</p><p>　　1.3.3.1 ASR的輸出與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果</p><p>　　仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：&

70、lt;/p><p>　　圖1-11 ASR的輸出特性仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖1-12 ASR的輸出特性</p><p>　　1.3.3.2 ACR的輸出與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果</p><p>　　仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p&

71、gt;<p>　　圖1-13 ACR的輸出特性仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖1-14 ACR的輸出特性</p><p>　　1.3.3.3 電動(dòng)機(jī)電流與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果</p><p>　　仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p>&l

72、t;p>　　圖1-15 電動(dòng)機(jī)電流特性仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖1-16 電動(dòng)機(jī)電流特性</p><p>　　1.3.3.4 仿真結(jié)果分析</p><p>　　由圖1-12、1-14、1-16可見(jiàn)，系統(tǒng)地工作過(guò)程可概括為如下幾點(diǎn)：</p>

73、<p>　?。?）ASR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行的過(guò)程中經(jīng)歷了兩個(gè)狀態(tài)，即飽和限幅輸出與線性調(diào)節(jié)狀態(tài)；</p><p>　?。?）ACR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行的過(guò)程中制工作在一種狀態(tài)，即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)；</p><p>　?。?）該系統(tǒng)對(duì)于起動(dòng)特性來(lái)說(shuō)，已達(dá)到預(yù)期目的；</p><p>　?。?）對(duì)于系統(tǒng)性能指標(biāo)來(lái)說(shuō)，起動(dòng)過(guò)程中電流的超調(diào)量為5.3%，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量為21

74、.3%。這與理論最佳設(shè)計(jì)有一定差距，尤其是轉(zhuǎn)速超調(diào)量略高一些。</p><p>　　1.3.4 抗擾性能分析</p><p>　　在這里，我們選取Start time=0.0，Stop time=5.0，仿真時(shí)間從0s到5.0s。擾動(dòng)加入的時(shí)間均為3.5s。</p><p>　　一般情況下，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的干擾主要是負(fù)載突變與電網(wǎng)電壓波動(dòng)兩種。圖1-17、繪出了該系

75、統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在突加負(fù)載（ΔI=12A）情況下電動(dòng)機(jī)電流Id與輸出轉(zhuǎn)速n的關(guān)系；圖1-18、1-19分別繪出了電網(wǎng)電壓突減（ΔU=100V）情況下晶閘管觸發(fā)整流裝置輸出電壓Ud0、電動(dòng)機(jī)兩端電壓Ud，與輸出轉(zhuǎn)速n的關(guān)系。</p><p>　　圖1-17 突加負(fù)載抗擾特性</p><p>　　圖1-18 電網(wǎng)電壓突減抗擾性能(a)</p><p>　　圖1-19電網(wǎng)電壓

76、突減抗擾性能(b)</p><p>　　通過(guò)仿真分析，對(duì)于該系統(tǒng)的抗擾性能，我們可有如下幾個(gè)結(jié)論：</p><p>　?。?）系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的大幅度突變具有良好的抗擾能力，在ΔI=12A的情況下系統(tǒng)速降為Δn=44r/min，恢復(fù)時(shí)間為tf=1.5s。</p><p>　?。?）系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓的大幅波動(dòng)也同樣具有良好的抗擾能力。在ΔU=100V的情況下，系統(tǒng)速降僅為9r

77、/min，恢復(fù)時(shí)間為tf=1.5s。</p><p>　　（3）與理想的電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性相比較，該系統(tǒng)的起動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間顯得略長(zhǎng)一些（輕載狀態(tài)下接近4s）。</p><p><b>　　1.4存在問(wèn)題分析</b></p><p>　?。?）仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)有一定的差距，由圖1-16可見(jiàn)，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量為δ=5.3%（理論值為4.3%），轉(zhuǎn)

78、速動(dòng)態(tài)響應(yīng)超調(diào)量為δ=21.3%（理論值為8.3%）。另外，ASR與ACR的參數(shù)與理論設(shè)計(jì)值也有差距。</p><p>　　結(jié)合實(shí)際情況來(lái)分析，我們不難理解如上所述的差距。由于前面所講的“典型系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)方法”考慮了理論分析與設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性，所以對(duì)“雙閉環(huán)KZ-D系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)作了一些簡(jiǎn)化處理。這里的簡(jiǎn)化主要是將非線性問(wèn)題作線性化處理。如滯后環(huán)節(jié)近似為一階慣性，調(diào)節(jié)器的輸出限幅特性近似為線性環(huán)節(jié)等。</p>

79、;<p>　　以上所述的近似問(wèn)題我們?cè)趯?shí)際仿真中并沒(méi)有完全采用，而是從實(shí)際情況出發(fā)等效的，如ASR的輸出我們就引入了飽和非線性環(huán)節(jié)。正是由于理論分析的近似與仿真實(shí)驗(yàn)的不完全近似帶來(lái)了結(jié)果上的差異。</p><p>　?。?）從仿真結(jié)果上看，系統(tǒng)還未調(diào)整到最佳狀態(tài)，這一點(diǎn)可從動(dòng)態(tài)過(guò)渡時(shí)間及動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間上來(lái)看，對(duì)于小功率電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的響應(yīng)慢了一點(diǎn)。</p><p>　　如果將A

80、SR與ACR的參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整的話（或引入補(bǔ)償控制），還可使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)僅一部分改善。</p><p>　?。?）如果我們?cè)趯?shí)際裝置上再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)整，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)：實(shí)際調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果還將有一些差距，而與理論分析結(jié)果的差距可能更大一些（主要的調(diào)節(jié)器參數(shù)）。</p><p>　　這一現(xiàn)象我們可從兩方面加以分析，一方面是仿真模型（主要是電動(dòng)機(jī)模型）的不確定問(wèn)題，另一方面是系統(tǒng)模型的參數(shù)

81、時(shí)變問(wèn)題，如整流裝置的內(nèi)阻Rrec?？偟膩?lái)說(shuō)，仿真所用系統(tǒng)模型的不準(zhǔn)確及系統(tǒng)模型參數(shù)本身的不確定形勢(shì)產(chǎn)生仿真結(jié)果與實(shí)際調(diào)試結(jié)果之間存在差距的主要原因。</p><p>　　從上面的雙臂環(huán)支流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字仿真與CAD過(guò)程中，我們可以看到，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字仿真與CAD，我們可以很直觀地知道系統(tǒng)的工作狀態(tài)，很方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整。雖然數(shù)字仿真所得到的結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)還有一些差距，但這種差距與純理論設(shè)計(jì)時(shí)得到

82、的參數(shù)相比，已非常接近實(shí)際，從而為我們進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試，帶來(lái)方便。</p><p>　　第二部分 基于SimPowerSystem工具箱的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真分析</p><p><b>　　2.1.系統(tǒng)建模</b></p><p>　　系統(tǒng)模型如圖1-20所示。</p><p>　　圖1-20 simpowersy

83、stems環(huán)境下系統(tǒng)模型</p><p>　　其中子系統(tǒng)Speed_PI為系統(tǒng)的速度控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1-21：</p><p>　　1-21 速度環(huán)控制器</p><p>　　圖1-20中飽和環(huán)節(jié)中的“飽和限幅”與上文仿真中的參數(shù)值一樣為8；子系統(tǒng)Current_PI為系統(tǒng)電流控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1-22：</p><p>　　1-22 電流

84、環(huán)控制器</p><p>　　在Simpowersystems環(huán)境下的電流環(huán)控制器與在simulink環(huán)境下的不太一樣，因?yàn)閟imulink環(huán)境下是數(shù)學(xué)模型不用考慮反向問(wèn)題，而在simpowersystems環(huán)境里的模型是物理模型，必須考慮更多的實(shí)際情況，在電流控制器和晶閘管整流器之間，電流控制信號(hào)需要有一個(gè)偏移和反相。電流控制器的飽和度設(shè)為90。</p><p>　　子系統(tǒng)thyrist

85、er1為晶閘管整流器，如圖1-23：</p><p>　　1-23 晶閘管整流器</p><p>　　其中示波器Voltages能同時(shí)看到晶閘管整流器的六個(gè)管上的電壓和輸出直流電壓Udc，如圖1-24。圖1-25為電機(jī)模型，</p><p>　　1-24 各個(gè)電壓曲線</p><p><b>　　1-25 電機(jī)模型</b>

86、;</p><p>　　其中F+與F-分別接勵(lì)磁電壓源的正負(fù)極，A+，A-接輸入電壓，TL為電機(jī)負(fù)載輸入，m端為輸出端，她輸出四個(gè)參量，分別是：電機(jī)轉(zhuǎn)速，定子電流，輸出轉(zhuǎn)矩和歷次電流。</p><p>　　2.2速度控制器、電流控制器和電機(jī)參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，在速度環(huán)中，表達(dá)式為：</p><p><b>　　

87、，其中，， </b></p><p>　　在電流環(huán)中，其表達(dá)式為： 其中，， </p><p>　　在模型中，速度環(huán)與電流環(huán)有相同的形式： </p><p><b>　　化簡(jiǎn)得： </b></p><p>　　將速度環(huán)與電流環(huán)化簡(jiǎn)得到： ， </p><p><b>

88、　　在速度環(huán)中，，</b></p><p><b>　　在電流環(huán)中，，。</b></p><p>　　從而可以得到：速度環(huán)中，， </p><p><b>　　電流環(huán)中，，</b></p><p><b>　　綜上，速度環(huán)中：</b></p><

89、;p><b>　　，。</b></p><p><b>　　電流環(huán)中：</b></p><p><b>　　，。</b></p><p>　　電機(jī)的屬性列表如圖1-26：</p><p><b>　　1-26 電機(jī)參數(shù)</b></p>

90、<p>　　仿真發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)地運(yùn)行的仿真結(jié)果對(duì)電機(jī)的一些參數(shù)如互感、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等非常敏感，所以計(jì)算電機(jī)的這些參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果有很重要的影響。</p><p>　　如電機(jī)的互感計(jì)算如下：</p><p>　　反電動(dòng)勢(shì)Induced EMF: Eo = 220-13.6*6.58 = 130.512 V</p><p>　　輸出功率Pe = 130.512*13.

91、6 = 1774.9632W </p><p>　　勵(lì)磁電流Field current: If = 220/220 =1 A</p><p>　　Eo = w*Laf*If ---> Laf = (Eo/W*If) </p><p>　　互感Laf= 130.512/ 154.907 rad/s = 0.8425H</p><p>

92、　　電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（J）計(jì)算如下：</p><p><b>　　因?yàn)椋?lt;/b></p><p>　　從而得到：，將代入得：</p><p><b>　　又因?yàn)椋?，，所以?lt;/b></p><p><b>　　，又因?yàn)椋?lt;/b></p><p><b

93、>　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以</b></p><p>　　2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析</p><p><b>　　每個(gè)子結(jié)構(gòu)的測(cè)試：</b></p><p>　　test of speed_PI 其中 Kp=26.66 Ki=33.33，得到圖形1-27</p><p><b>　　1-27速

94、度控制器</b></p><p>　　test of current_PI，得到圖形1-28。</p><p>　　1-28 電流控制器</p><p>　　test of the thyrister 得到圖形1-29。</p><p><b>　　測(cè)試得到圖形：</b></p><p&g

95、t;<b>　　1-29 閘管輸出</b></p><p>　　結(jié)論：各個(gè)環(huán)節(jié)都是正確的</p><p>　　我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到速度和電流波形分別為1-30，1-31。</p><p><b>　　1-30速度波形</b></p><p><b>　　1-31電流波形</b&g

96、t;</p><p>　　可以看到得到的仿真波形形與理想波形有很大的差距，其實(shí)基于simulink的數(shù)學(xué)模型得到的參數(shù)在以物理模型為主的simpowersystems環(huán)境中與最佳參數(shù)值是由一定的差距的。這些參數(shù)值是跟據(jù)晶閘管整流器和電機(jī)的很簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，利用近似的工程設(shè)計(jì)法整定得到的。上文提到過(guò)，這種工程設(shè)計(jì)法是有條件的，即系統(tǒng)必須滿足線形和零輸入條件。但是，在simpowersystems環(huán)境建立的直流調(diào)速系統(tǒng)

97、不滿足以上兩個(gè)條件，從而產(chǎn)生了很大的偏差。但是，我們可以借助于經(jīng)驗(yàn)或者試驗(yàn)調(diào)整參數(shù)以使系統(tǒng)波形接近于理想波形。</p><p><b>　　調(diào)整過(guò)后，得到：</b></p><p>　　速度控制器：Kp=100，Ki=0.05</p><p>　　電流控制器：Kp=5，Ki=100。</p><p>　　2.3.1 起動(dòng)

98、特性分析</p><p>　　在這里，我們選取Start time=0.0，Stop time=1.5，仿真時(shí)間從0s到1.5s。</p><p>　?。?） ASR的輸出與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果</p><p>　　仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖1-32 ASR的輸出特性仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p&

99、gt;<b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖1-33 ASR的輸出特性</p><p>　?。?） ACR的輸出與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果</p><p>　　仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖1-13 ACR的輸出特性仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b&g

100、t;　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖1-35 ACR的輸出特性</p><p>　?。?） 電動(dòng)機(jī)電流與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果</p><p>　　仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖1-36 電動(dòng)機(jī)電流特性仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：

101、</b></p><p>　　圖1-37 電動(dòng)機(jī)電流特性</p><p>　?。?） 仿真結(jié)果分析</p><p>　　由圖1-33、1-35、1-37可見(jiàn)，系統(tǒng)地工作過(guò)程可概括為如下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）ASR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行的過(guò)程中經(jīng)歷了兩個(gè)狀態(tài)，即飽和限幅輸出與線性調(diào)節(jié)狀態(tài)；</p><p&g

102、t;　?。?）ACR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行的過(guò)程中制工作在一種狀態(tài)，即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)；</p><p>　　（3）起動(dòng)過(guò)程中電流的超調(diào)量為5.3%，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量為21.6%。這與理論最佳設(shè)計(jì)有一定差距，尤其是轉(zhuǎn)速超調(diào)量略高一些。</p><p>　　2.3.2 負(fù)載抗擾性能分析</p><p>　　在這里，我們選取Start time=0.0，Stop time=8.0，

103、仿真時(shí)間從0s到8.0s。擾動(dòng)加入的時(shí)間均為3.0s。</p><p>　　負(fù)載擾動(dòng)的情況可以用一個(gè)階躍環(huán)節(jié)來(lái)表示負(fù)載。圖1-38表示的是負(fù)載的階躍初值為1N.m，終值為10N.m的情況下電動(dòng)機(jī)電流Id與輸出轉(zhuǎn)速n的關(guān)系； </p><p>　　圖1-38 突加負(fù)載抗擾特性？？？</p><p>　　通過(guò)仿真分析，對(duì)于該系統(tǒng)的負(fù)載抗擾性能，我們可有如下幾個(gè)結(jié)論：&l