《電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及恒負(fù)載擾動(dòng)電流環(huán)突然斷線matlab仿真

1、武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，所以掌握雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。從閉環(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)，這樣形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。而合理地選擇電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)則是為了使系統(tǒng)更好的滿足生產(chǎn)工藝所要求的性能指標(biāo)。本次課設(shè)的目的就是利用matlab進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真計(jì)算。關(guān)鍵詞：雙

2、閉環(huán) 調(diào)速 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 仿真目錄摘要 i1 設(shè)計(jì)任務(wù)與分析 11.1設(shè)計(jì)任務(wù) 11.2任務(wù)分析 12 設(shè)計(jì)原理 22.1雙閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 2 2.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 22.1.2雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 22.1.3雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 32.1.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)作用 32.1.5電流調(diào)節(jié)環(huán)作用 32.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 32.3典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 52.3.1典型型系統(tǒng) 52.3.2典型型系統(tǒng) 63.系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 103.1電流環(huán)設(shè)計(jì) 103.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 103.1.2電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 113.2轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì) 133.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13

3、3.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 144.matlab仿真 174.1啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形 174.2直流電壓仿真184.3 asr輸出電壓的波形 184.4 acr輸出電壓的波形 195.課程設(shè)計(jì)小結(jié) 206.參考文獻(xiàn) 21iii武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及恒負(fù)載擾動(dòng)電流環(huán)突然斷線matlab仿真1、 設(shè)計(jì)任務(wù)與分析1.1設(shè)計(jì)任務(wù)：不可逆的生產(chǎn)設(shè)備，采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其整流裝置采用三相半波整流電路，基本數(shù)據(jù)：直流電動(dòng)機(jī)：=220v，=308a，=1000r/min， =0.196vmin/r；允許過(guò)載倍數(shù)=1.5,；時(shí)間常數(shù)：=0.012s =0.12s；晶閘管

4、放大倍數(shù)：=35,主回路總電阻：r=0.18；額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓=10v，調(diào)節(jié)器asr，acr飽和輸出電壓=8v。設(shè)計(jì)要求穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，d=10動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量15%。選擇系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)，并用matlab仿真恒負(fù)載擾動(dòng)電流環(huán)突然斷線的情況。1.2任務(wù)分析：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，所以掌握雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。

5、本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來(lái)完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對(duì)控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個(gè)組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)。2、 設(shè)計(jì)原理2.1雙閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。把轉(zhuǎn)速

6、調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。2.1.2雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)acr電流調(diào)節(jié)器 asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.1.3雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.1.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快德跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允

7、許的最大電流。2.1.5電流調(diào)節(jié)環(huán)作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)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。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）對(duì)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。（4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，除電動(dòng)機(jī)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(guò)合理的簡(jiǎn)化處理，整個(gè)系統(tǒng)可以近似為低階系統(tǒng)，而用運(yùn)算放

8、大器或微機(jī)數(shù)字控制可以精確地實(shí)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(jiǎn)化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對(duì)這些典型系統(tǒng)做比較深入的研究，把它們的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系，寫(xiě)成簡(jiǎn)單的公式或制成簡(jiǎn)明的圖表，則在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過(guò)程就要簡(jiǎn)便得多，這就是工程設(shè)計(jì)方法。調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式；

9、（5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果要求更精確的動(dòng)態(tài)性能，在典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用matlab或simulink進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)，也可設(shè)計(jì)出實(shí)用有效的控制系統(tǒng)。作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)果，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。以上兩步就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾之間互相交叉的矛盾問(wèn)題分成兩步來(lái)解決，第一步先解決主要矛盾，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)性的穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成

10、 （2-1）分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在s=0處有r重極點(diǎn)，或者說(shuō)，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)對(duì)階躍給定無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng)（r=0），至少是型系統(tǒng)（r=1）；當(dāng)給定是斜坡輸入時(shí)，則要求是型系統(tǒng)（r=2）才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)差。選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于型（r=3）和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。2.3典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型和型系統(tǒng)又都有多種多樣的結(jié)構(gòu)，它們的區(qū)別就在于除原點(diǎn)以外的零、極點(diǎn)具有不同的個(gè)數(shù)和位置。如果在型和型系統(tǒng)中各選擇一種結(jié)構(gòu)作為典型結(jié)構(gòu)，把實(shí)際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，顯然可使設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單得多

11、。因?yàn)橹灰孪日业降湫拖到y(tǒng)的參數(shù)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，求出計(jì)算公式或制成備查的表格，在具體選擇參數(shù)時(shí)，只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了。這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少設(shè)計(jì)工作量。2.3.1典型型系統(tǒng)作為典型的i型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 （2-2） 式中， t系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)； k系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。典型型系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3（a）所示，圖3（b）表示它的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以-20db/dec的斜率穿越零分貝線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。a） 典i系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖b） 典i系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性只包含開(kāi)環(huán)增益k和時(shí)間常數(shù)

12、t兩個(gè)參數(shù)，時(shí)間常數(shù)t往往是控制對(duì)象本身固有的，唯一 圖3可變的只有開(kāi)環(huán)增益k 。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性 能指標(biāo)選擇參數(shù)k的大小。 當(dāng)，由開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性可知 所以相角裕度為 ，k值越大，截止頻率wc 也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，相角穩(wěn)定裕度 g 越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。在選擇參數(shù) k時(shí)，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)由圖3（a）可得典型型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-3）表2-1 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系kt0.250.390.50.691.0阻尼比z超調(diào)量s上升時(shí)間 tr峰值時(shí)間 tp相角穩(wěn)定裕度 g截止頻率wc1.00 %76.30.2

13、43/t0.81.5%6.6t8.3t69.90.367/t0.7074.3 %4.7t6.2t65.50.455/t0.69.5 %3.3t4.7t59.2 0.596/t0.516.3 %2.4t3.2t51.8 0.786/t（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)影響到參數(shù)k的選擇的第二個(gè)因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系，典型型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析它的抗擾性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是擾動(dòng)作用點(diǎn)，某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)。表2-2 典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系27.8%12.6%9.3%6.5%2.83.43.84.014.721.728.730.42.3.2典型型

14、系統(tǒng)典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)表示為:（2-10）系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4（a）所示，圖4（b）表示它的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。典型型系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)t也是控制對(duì)象固有的，而待定的參數(shù)有兩個(gè)： k 和 t 。定義中頻寬：（2-11）中頻寬表示了斜率為20db/sec的中頻的寬度，是一個(gè)與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。圖4 a） 典系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖b） 典系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性（2-12）改變k相當(dāng)于使開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性上下平移，此特性與閉環(huán)系統(tǒng)的快速性有關(guān)。系統(tǒng)相角穩(wěn)定裕度為：（2-13）比t大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就越大。采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。（2-1

15、4）（2-15）在確定了h之后，可求得 （2-16） （2-17）（1） 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)按mr最小準(zhǔn)則選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：（2-18）系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（2-19）當(dāng)r(t)為單位階躍函數(shù)時(shí)， ：（2-20）表2-3 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo) (按mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系)h345678910str / tts / tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201（2） 動(dòng)態(tài)

16、抗擾性能指標(biāo)如前所述，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)是因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)而異的。轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示：圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中， 是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，采用pi調(diào)節(jié)器。在擾動(dòng)作用點(diǎn)前后各有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，可用圖6（a）來(lái)表示它的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)量作用下的等效結(jié)構(gòu)圖為圖6（b）。在圖6中，用作為擾動(dòng)作用點(diǎn)前的控制對(duì)象，這是為了和式（2-10）所定義的典型型系統(tǒng)在形式上一致。圖6a）電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）擾動(dòng)量作用下的等效結(jié)構(gòu)圖表2-4 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910cmax/cbtm / ttv / t72.2%2.4513.60

17、77.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表2-4中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)， 值越小， 也越小， 都短，因而抗擾性能越好。但是，當(dāng) 時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，h再小，恢復(fù)時(shí)間 反而拖長(zhǎng)了。 是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間 最短的條件是一致的（見(jiàn)表2-3）。3.系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.1電流環(huán)設(shè)計(jì) 3.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即。這樣，在按動(dòng)態(tài)

18、性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。也就是說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到忽略電動(dòng)勢(shì)影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖7（a）所示?？梢宰C明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是： （3-1）式中 電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改為，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖7（b）所示，從這里可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。由于和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 （3-2）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖7（c）所示。簡(jiǎn)化的近似條件為 （3-3）（a）（b）（c）圖7 電

19、流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)（a)忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 （b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) （c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理3.1.2電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)：整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，查表得三相半波電路的平均失控時(shí)間=0.0033s。電流濾波時(shí)間常數(shù)，三相半波電路每個(gè)波頭時(shí)間為0.0033s，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1-2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=+=0.0053s。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證電流無(wú)靜差，可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用pi型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-4）檢

20、查抗擾性能：，查表2-2可得各項(xiàng)指標(biāo)均可接受。（3） 計(jì)算acr參數(shù)：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：acr比例系數(shù)：（4） 電流環(huán)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率為：1） 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件： 滿足2） 檢驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件： 滿足3） 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足（5） 計(jì)算電容電阻電流調(diào)節(jié)器acr電路圖如圖8：圖8 電流調(diào)節(jié)器acr電路圖按所選放大器取，各電阻和電容計(jì)算如下：3.2轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)3.2.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖9（a）所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋

21、濾波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，并將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （3-5）則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化成圖9（b）。（a）（b）（c）圖9 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化（a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) （b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理 （c）校正后成為典型型系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)中就有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，應(yīng)該設(shè)計(jì)為典型型系統(tǒng)，asr也采用pi調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 （3-6）式子中為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳

22、遞函數(shù)為： （3-7）令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： （3-8）按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有 （3-9） （3-10）所以 （3-11）一般取h=5。3.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)：1） 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取 2） 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)3） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見(jiàn)（3-6）。（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)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)為開(kāi)環(huán)增益asr比例系數(shù)（4）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截至頻率1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： 滿足 2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足（5） 計(jì)算電阻電容 含給定濾波與反饋濾波

23、的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖10所示。圖10 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取，則 （6） 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，突加階躍給定時(shí)，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和時(shí)的情況重新計(jì)算。滿足空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量要求。4、 matlab仿真采用matlab對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制直流調(diào)速系統(tǒng)（）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流環(huán)突然斷線仿真框圖，見(jiàn)圖11：圖11 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型圖4.1啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形空載啟動(dòng)，2s時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在step2處給定4s時(shí)電流環(huán)斷線。轉(zhuǎn)速和電流波形如圖12所示：圖12轉(zhuǎn)速和電流波形圖1） 計(jì)算超調(diào)量： 電流超調(diào)

24、量為 ，符合要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量為，符合要求。2） 仿真圖啟動(dòng)與過(guò)程分析：空載啟動(dòng)，電流上升階段電流很快達(dá)到最大值，asr進(jìn)入飽和狀態(tài)。恒流升速階段電流基本恒定，轉(zhuǎn)速則呈線性增長(zhǎng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，asr輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr輸入偏差為負(fù)，開(kāi)始退飽和，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定下來(lái)。當(dāng)?shù)?s時(shí)，在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速下降后又趨于穩(wěn)定。到4s時(shí)，電流環(huán)斷線，acr沒(méi)有電流反饋環(huán)節(jié)，電流很快增加，轉(zhuǎn)速反饋增大，asr輸出減小，使acr輸入增大，轉(zhuǎn)速反饋減小，與給定偏差增大，asr輸出增大，acr輸入增大，轉(zhuǎn)速反饋增大，依次這樣震蕩。4.2直流電壓仿真直流電壓的仿真波形如圖13所示：圖13 直流電壓波形4.3 asr輸出電壓的波形asr輸出電壓的波形如圖14所示：圖14 a