基于工程整定法的三環(huán)直流調速系統(tǒng)調節(jié)器設計

1、目 錄中文摘要- 1 -Abstract.- 1 -一、設計背景- 2 -1、直流調速系統(tǒng)的研究背景和意義- 2 -2、三環(huán)系統(tǒng)及其在紡織生產(chǎn)中的應用- 2 -二、控制器設計方法概述- 3 -1、控制器及控制系統(tǒng)- 3 -(1) PID調節(jié)器- 3 -(2) 現(xiàn)代控制理論- 6 -2、控制器的設計方法分類- 7 -(1）模擬化設計方法- 7 -(2）離散化設計方法- 7 -(3）兩種方法的比較- 7 -三、調節(jié)器的設計- 8 -1、設計任務- 8 -2、工程設計方法的基本思路- 9 -3、典型系統(tǒng)- 9 -（1）典型型系統(tǒng)- 10 -（2）典型型系統(tǒng)- 10 -（3）控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標-

2、11 -4、按工程設計方法設計三環(huán)系統(tǒng)的調節(jié)器- 13 -（1）電流調節(jié)器的設計- 13 -（2）轉速調節(jié)器的設計- 16 -（3）張力調節(jié)器的設計- 19 -四、三環(huán)控制系統(tǒng)的仿真- 22 -1、SIMULINK的仿真步驟- 22 -2、電流環(huán)的MATLAB仿真- 23 -3、轉速環(huán)的MATLAB仿真- 25 -4、張力環(huán)的MATLAB仿真- 29 -總 結- 31 -參考文獻- 32 -致 謝- 33 -基于工程整定法的三環(huán)直流調速系統(tǒng)調節(jié)器設計中文摘要：直流電動機因其良好的調速性能在電力拖動中得到廣泛應用，因此在今后相當長的一段時期內(nèi)直流調速和交流調速并存，未來直流調速系統(tǒng)還將獲得更大的

3、發(fā)展并發(fā)揮重要的作用。本文在分析三環(huán)直流調速系統(tǒng)原理基礎上，再根據(jù)系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標采用工程設計方法設計調節(jié)器參數(shù)，運用Matlabe 的Simulink工具箱構現(xiàn)了張力轉速電流三環(huán)直流調速系統(tǒng)的建模與仿真；重點介紹了張力環(huán)、轉速環(huán)和電流環(huán)等參數(shù)的設置及建模，給出了直流調速系統(tǒng)的仿真模型和結果，驗證了仿真模型和參數(shù)設置是否正確。關鍵詞：直流電動機,三環(huán)調速系統(tǒng),參數(shù)設置,MATLAB,系統(tǒng)仿真Abstract： DC motor speed control because of its good performance in electric drive has beenwidely us

4、ed, so in the future for a long period of time, AC variable speed DC drive and coexistence, the future DC speed control system will achieve greater development and play an important role.This paper analyzes the tricyclic principles of the loop DC speed control system based on the system dynamic and

5、static performance indicators engineering design methods using the control parameters, and the use of Matlabe Simulink Toolbox, system-oriented electrical schematic diagram of the simulation method to achieve a speed of current tricyclic DC speed control system modeling and simulation; focuses on th

6、e current rate of change tension loop, speed loop and current loop parameters such settings, gives the DC SR system simulation models and results the simulation results validate the simulation model and parameter settings are correct.Key Words：DC motor; Tricyclic speed control system; parameter sett

7、ings; MATLAB; system simulation第 - 1 - 頁 (共 33 頁) 一、設計背景能夠長久地控制料帶在設備上傳送時張力的能力叫做張力控制。當進行軋鋼、印染、化纖、造紙和紡織的生產(chǎn)時，由于它們的加工物都是帶狀既不堆疊又不拉斷，卷繞緊密、整齊，并且全部都卷繞成了圓筒形，除了保證其加工質量，還要使加工物在不斷的傳送，卷繞過程中，建立適宜的張力并保持其恒定。通常我們需要能很好的完成這些要求的張力控制系統(tǒng)。它就是在雙閉環(huán)系統(tǒng)基礎上加上張力外環(huán)成為三環(huán)控制系統(tǒng)。1、直流調速系統(tǒng)的研究背景和意義直流電動機在需要很好性能，且能夠控制的電力拖動領域中基本上都能得到應用。那是由于他有

8、不錯的起、制動性能，而且容易在廣泛的范圍內(nèi)平滑調速。由于各種系統(tǒng)往往都通過控制轉速來實現(xiàn)的，因而調速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。在許多生產(chǎn)機械中常要求電動機既能正反轉又能快速制動，需要四象限運行的特性，此時必須采用可逆調速系統(tǒng)。因此研究直流電機的速度控制有著非常重要的意義。計算機技術的發(fā)展正在影響著人類生活的各個方面，計算機的應用隨著軟件和硬件技術日益發(fā)展，出現(xiàn)了前所未有的繁榮。用計算機控制電力拖動控制系統(tǒng)是計算機應用的一個重要內(nèi)容。從上世紀以來，計算機得到了不斷的發(fā)展，技術也得到了很大提升。這個過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計算機控制等過程。每一次的技術升級都使控制系統(tǒng)的性能有

9、較大地提高和改進。技術的升級也隨著新的控制芯片的出現(xiàn)有了很大的希望。2、三環(huán)系統(tǒng)及其在紡織生產(chǎn)中的應用在實際的生產(chǎn)中，為了滿足其工藝需求我們常常需要在雙閉環(huán)系統(tǒng)的基礎上把直流調速系統(tǒng)設計成三環(huán)調速系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)主要用于冶金、機床等快速響應要求較高的場合。由于加工對象非常特別，所以要保證它的穩(wěn)定性對快速性卻沒有特別需求。所以，大部分機臺要求起制動的過程中要保持平穩(wěn)，當它們進行工業(yè)生產(chǎn)時。三環(huán)系統(tǒng)的工作特點：第一，三環(huán)系統(tǒng)的整個機臺是一個聯(lián)合機，機臺運行前織物呈松弛狀態(tài)，只有當機臺起動，織物拉緊后，建立起了張力，張力檢測環(huán)節(jié)才會有輸出反饋信號。當兩個傳動點之間的距離很大時，張力的建立有一個較大的

10、滯后，那是由于織物的彈性作用造成的。所以在系統(tǒng)起動后的一段時間內(nèi)，張力調節(jié)器處在開環(huán)狀態(tài)，容易造成張力沖擊或系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以在聯(lián)合機起動時，常常都是先加入轉速給定，使各單元進入同步運行而不是先加入張力環(huán)。只有在保證織物拉緊，并建立了一定的張力后，才會加入張力閉環(huán)。因此這里要單獨設立一個轉速給定。轉速控制環(huán)使系統(tǒng)有較寬的調速范圍，并起到抗負載擾動、穩(wěn)定轉速的作用。第二，電流環(huán)的作用就是保證系統(tǒng)在最大恒定電流下加速，還能加快起動過程，并且限制最大起動電流，它在雙閉環(huán)系統(tǒng)中的也是這樣。另外可減少電網(wǎng)電壓波動對張力的影響。第三，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)依次調整，而張力三環(huán)調速系統(tǒng)也與其類似。對張力

11、環(huán)，通常先靜態(tài)調整，人為對張力傳感器加壓到要求值，逐漸加大反饋量，不僅可以判別張力反饋極性，保證為負反饋，而且能夠整定反饋量，使之與張力給定相匹配，使最大張力時的反饋量與最大給定張力相等。進行動態(tài)調整要在取最大張力反饋值之后，而此時張力反饋環(huán)節(jié)仍然應該不飽和。二、控制器設計方法概述工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。控制器是根據(jù)控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調節(jié)，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構的動作，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。1、控制器及控制系統(tǒng)(1) PID調節(jié)器按偏差的微

12、分、積分和比例進行控制的調節(jié)器就是比例積分微分調節(jié)器簡稱為PID調節(jié)器。結構簡單是它的特點，其參數(shù)方便調整，豐富的經(jīng)驗在長期應用中得到了積累。它在連續(xù)系統(tǒng)中應用非常廣泛，其技術也十分成熟。在進行工業(yè)生產(chǎn)時，很難對控制對象的建立精確數(shù)學模型，而參數(shù)又常常變化，并且運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進行模型辨識，效果一般也不是很樂觀。因而人們常采用成本較低的PID調節(jié)器，再根據(jù)經(jīng)驗進行在線整定。PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它是將設定值同實際輸出值進行比較，這樣能構成控制偏差圖3.1 PID控制原理框圖在應用中，根據(jù)對象控制要求及特性，能夠靈活的變化結構，構成控制規(guī)律是它們中一部分環(huán)節(jié)。1比例

13、調節(jié)器比例調節(jié)器是非常簡單的調節(jié)器，它的其控制規(guī)律是 (2-1) 式（2-1）中，比例系數(shù)；控制量的基準，也就是的控制作用。圖2.2 比例調節(jié)器的階躍響應曲線由上圖可知，對于偏差，比例調節(jié)器是即時反應的。當偏差產(chǎn)生時，調節(jié)器立刻產(chǎn)生控制的作用讓被控量朝減小偏差的方向變化，而控制作用的強弱就要取決于比例系數(shù)。根據(jù)誤差進行調節(jié)，使系統(tǒng)沿著減小誤差的方向運動。誤差大則控制作用也大。比例調節(jié)器一般不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但當過大時，會使動態(tài)質量變壞，引起被控量振蕩甚至導致閉環(huán)不穩(wěn)定。2比例積分調節(jié)器比例積分調節(jié)器就是在比例調節(jié)的基礎上加上積分調節(jié)。這樣就能夠消除在比例調節(jié)中殘存的靜

14、差。其控制規(guī)律為 積分時間 (2-2)圖2.3 PI調節(jié)器的階躍響應曲線從圖2.3可以看出PI調節(jié)器對于偏差的階躍響應除按比例變化的成分外，還帶有累積的成分。只有偏差不為零，它將通過累積作用影響控制量，并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達到穩(wěn)定。因此，積分環(huán)節(jié)的加入將有助于消除系統(tǒng)靜差。積分作用輸出變化的快慢與輸入偏差的大小成正比，而與積分時間成反比。愈短，積分速度愈快，積分作用就愈強。顯然，如果積分時間大，則積分作用弱；反之，積分作用強。增大將減慢消除靜差的過程，但可以減小超調，提高穩(wěn)定性。由于積分輸出是隨時間積累而逐漸增大的，故調節(jié)動作緩慢，這樣會造成調節(jié)不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)

15、定裕度下降。增加即減少積分作用，有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少超調，但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除也隨之變慢。3比例積分微分調節(jié)器積分調節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但花出的代價是降低了響應速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但對偏差量做出即時反應（即比例調節(jié)作用），而且對偏差量的變化做出反應，或者說按偏差變化的趨向進行控制，使偏差消滅于萌芽狀態(tài)之中。為了達到這一目的，可以在上述PI調節(jié)器的基礎上再加入微分調節(jié)以得到PID調節(jié)器的如下控制規(guī)律 (2-3)式（2-3）中，微分時間。理想的PID調節(jié)器對偏差階躍變化的響應如圖2.4所示。圖2.4 理想PID調節(jié)器的階躍響應曲線由于加入的微

16、分環(huán)節(jié)可見，它對偏差的任何變化都產(chǎn)生一個控制作用，以調整系統(tǒng)輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，越大，反饋校正量則越大。故微分作用的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動作速度，減小調整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分環(huán)節(jié)的加入，可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差變化的趨向進行控制。它引進一個早期的修正作用，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分時間常數(shù)的增加即微分作用的增加，將有助于加速系統(tǒng)的動態(tài)響應，使系統(tǒng)超調減少，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但微分作用有可能放大系統(tǒng)的噪聲，減低系統(tǒng)的抗干擾能力。理想的微分器是不能物理實現(xiàn)的，必須要采用適當?shù)姆绞浇啤?2) 現(xiàn)代控制理論模糊控制（fu

17、zzy control），也稱模糊邏輯控制（fuzzy logic control），是一種以模糊集合，模糊邏輯和模糊運算為基礎的計算機先進控制技術。隨著數(shù)字技術的飛速發(fā)展，過程工業(yè)越來越多地使用計算機控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等作為過程自動化的硬件平臺。模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實際應用背景。2、控制器的設計方法分類(1）模擬化設計方法第一步：用連續(xù)系統(tǒng)理論確定；第二步：用合適的離散化方法由求出；第三步：檢查系統(tǒng)性能是否滿足設計要求；第四步：將變?yōu)椴罘址匠袒驙顟B(tài)空間方程，并編寫計算機程序。需要時可運用混合仿真的方法檢

18、查系統(tǒng)的設計與程序編制是否正確。(2）離散化設計方法首先用適當?shù)碾x散化方法將連續(xù)部分（如圖所示的保持器和被控對象）離散化，使整個系統(tǒng)完全變成離散系統(tǒng)，然后用離散控制系統(tǒng)的設計方法來設計數(shù)字控制器，最后用計算機實現(xiàn)控制功能。(3）兩種方法的比較 模擬化設計方法可引用成熟的經(jīng)典設計理論和方法。但在“離散”處理時，系統(tǒng)的動態(tài)特性會因采樣周期的增加而改變，甚至導致閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。三、調節(jié)器的設計大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。

19、設計調節(jié)器的時候，都應該先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標確定校正后系統(tǒng)的預期特性，經(jīng)過反復試湊，才能確定調節(jié)器的特性，從而選定其結構并計算參數(shù)。圖3.1 張力三環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖1、設計任務某卷取系統(tǒng)采用電流、轉速、張力三環(huán)控制，整流裝置為三相橋式電路，其它基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機：220V，130A，1500r/min，=0.13Vmin/r，允許過載倍數(shù) =1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：=45；電樞回路總電阻：=0.5；時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)=0.03s，機電時間常數(shù)=0.18s，張力環(huán)慣性時間常數(shù)=0.01s，增益=0.003；電流反饋系數(shù)：=0.05V/A；轉

20、速反饋系數(shù)：=0.006Vmin/r；張力反饋系數(shù)：=0.1V/N；Toi=0.002s Ton=0.01s Tot=0.002s設計要求：電流、轉速跟隨性能良好，張力無靜差且具有較強的抗干擾能力。2、工程設計方法的基本思路 工程設計方法最開始就是要讓問題簡化，突出主要矛盾。下面為簡化思路：第一：為了讓系統(tǒng)典型化并能夠滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度，選擇合適的調節(jié)器結構。第二：為了能夠滿足動態(tài)性能指標的要求，設計合適的調節(jié)器參數(shù)。再細分一下可分為以下幾個步驟：第一步，系統(tǒng)結構圖的簡化；第二步，調節(jié)器結構的選擇；第三步，調節(jié)器的參數(shù)計算；第四步，調節(jié)器的實現(xiàn)。電流環(huán)是本三環(huán)直流調速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，而保持電樞電流

21、在動態(tài)過程中不超過允許值是它的重要作用，當突加控制作用時超調量越小越好。由于要求電流跟隨性能良好，根據(jù)自動控制理論，由于電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，所以常常按典型型系統(tǒng)來設計電流環(huán)。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的則電流調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器。按照普通直流調速系統(tǒng)的要求來說，沒有張力環(huán)的轉速電流雙環(huán)系統(tǒng)其轉速環(huán)基本都設計成典型型系統(tǒng)。由于在本三環(huán)調速系統(tǒng)中，張力環(huán)在轉速環(huán)之外，而又為了保證本直流調速系統(tǒng)的性能，轉速環(huán)應設計成典型型系統(tǒng)。而轉速調節(jié)器可以設計成比例調節(jié)器。張力三環(huán)控制系統(tǒng)的最外環(huán)是張力環(huán)，為了使張力無靜差且具有較強的抗干擾能力，張力環(huán)應該校正為典型型系統(tǒng)。3、典型系統(tǒng)一般來說，許多

22、控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可用式（3-1）表示 (3-1)上式中，分母中的項表示該系統(tǒng)在原點處有 r 重極點，也可以稱，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。根據(jù) r=0，1，2，等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、型、系統(tǒng)。 自動控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選用I型和II型系統(tǒng)。（1）典型型系統(tǒng)作為典型I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 (3-2)式（3-2）中，系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；系統(tǒng)的開環(huán)增益。a) b)圖3.2 典型I型系統(tǒng)a) 閉環(huán)系統(tǒng)結構圖 b）開環(huán)對數(shù)頻率特性典型的I型系統(tǒng)有著簡單的結構，其對數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB

23、/dec 的斜率穿越 0dB 線，系統(tǒng)要穩(wěn)定，就要選擇合適的參數(shù)保證足夠的中頻帶寬度，并且還要有足夠的穩(wěn)定裕量。顯然，要做到這一點，應該在選擇參數(shù)時保證或 于是，相角裕度。（2）典型型系統(tǒng)傳遞函數(shù): (3-3)它的閉環(huán)系統(tǒng)結構圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖3-2所示，典型的II型系統(tǒng)也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分貝線。a)b)圖3.3 典型型系統(tǒng)a) 閉環(huán)系統(tǒng)結構圖 b) 開環(huán)對數(shù)頻率特性在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)可以把相頻特性抬到 180線以上，而分母中項對應的相頻特性是180，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。要實現(xiàn)圖4-2b的特性，顯然應保證 或 而相角穩(wěn)定裕度為： (3-4)比大

24、得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。（3）控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間、超調量和調節(jié)時間。上升時間表示動態(tài)響應的快速性；超調量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調量越小穩(wěn)定性越好；調節(jié)時間衡量輸出量整個調節(jié)過程的快慢?？箶_性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標有動態(tài)降落和恢復時間。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。1典型型系統(tǒng)抗擾性能指標和參數(shù)的關系由圖3.3a可知 (3-5)a）b）圖3.3 擾動作用下典型I型系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖a）擾動

25、F作用下的典型I型系統(tǒng) b）等效結構框圖分析上圖可知抗擾性能的優(yōu)劣與跟隨性能的優(yōu)劣有關，因為虛框內(nèi)環(huán)節(jié)的輸出變化過程就是系統(tǒng)的跟隨過程。擾動作用點前的傳遞函數(shù)對抗擾性能也有很大的影響，因為在虛框前面還有的作用。因此，抗擾性能指標也不定，隨著擾動點的變化而變化。2典型型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)的關系 圖3.4為常用的調速系統(tǒng)，分析了它之后其他情況就可以仿造這處理。圖3.4 典型型系統(tǒng)在一種擾動下的動態(tài)結構框圖經(jīng)過計算得： (3-6)由式(3-6)可以計算出對應于不同 h值的動態(tài)抗擾過程曲線DC(t)，從而求出各項動態(tài)抗擾性能指標。為了讓設計，合理則取輸出量基準值為 (3-7) 4、按工程設計方法設

26、計三環(huán)系統(tǒng)的調節(jié)器（1）電流調節(jié)器的設計電流調節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化，對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。1. 電流環(huán)結構框圖的化簡系統(tǒng)設計的一般原則：從內(nèi)環(huán)開始設計，再一環(huán)一環(huán)向外。所以先設計電流調節(jié)器，把整個電流環(huán)當成轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。同樣的，把轉速環(huán)當成是張力調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，就可以設計張力調節(jié)器了。簡化內(nèi)容：1) 忽略反電動勢的動態(tài)影響，如圖3-5a所示；2) 等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖3-5b所示；3) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理，如圖3-5c所示。 a）b）c）圖3

27、.5 電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡時間常數(shù)： (3-8)簡化的近似條件為 (3-9)2. 電流調節(jié)器的選擇 典型系統(tǒng)的選擇：由于要求電流跟隨性能良好，根據(jù)自動控制理論，由于電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，所以常常按典型型系統(tǒng)來設計電流環(huán)。在動態(tài)跟隨性能上，電樞電流在突加控制作用時不能有太大的超調，以保持電樞電流恒定。對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，抗擾動的恢復時間也較短。按照設計要求，電流環(huán)按照典型系統(tǒng)設計，電流環(huán)控制對象是雙慣性型的則電流調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器其傳遞函數(shù)為 (3-10)式（3-10）中，電流調節(jié)器的比例系數(shù)；電流調節(jié)器的超前時間常數(shù) 其中 (3-11) (3-12)

28、3電流調節(jié)器的參數(shù)計算1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)：電流環(huán)小時間常數(shù)。由設計要求可知。故按小時間常數(shù)近似處理：2）選擇電流調節(jié)器結構由于要求轉速跟隨性能良好，電流環(huán)按照典型系統(tǒng)設計，電流環(huán)控制對象是雙慣性型的則電流調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器。傳遞函數(shù)：檢查抗擾性能：。查對典型I型系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能，其各項指標都符合要求。3）計算電流調節(jié)器參數(shù)按照設計要求，可求電流調節(jié)器超前時間常數(shù)即 電流環(huán)的開環(huán)增益：因設計要求 5% ，取=0.5，則電流調節(jié)器的比例系數(shù)由于 則 4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：校驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：滿足近似條件。校驗忽略反電動勢對對電流環(huán)影響的條件：滿足近似

29、條件。 校驗小時間常數(shù)近似處理條件： 滿足近似條件。終上所述，電流環(huán)能夠達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%5%（見表3-1），可以達到設計要求。（2）轉速調節(jié)器的設計轉速環(huán)是由轉速調節(jié)器ASR和轉速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩(wěn)定，最終消除轉速偏差。a）b） c）圖3.7 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化1. 轉速環(huán)結構圖的化簡電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)：電流環(huán)經(jīng)化簡后將其作為轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)。它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (3-13) 近似條件： (3-14) 傳遞函數(shù)化簡: (3-15) (3-16) (3-17)2. 轉速調節(jié)器的選擇按照普通直流調速系統(tǒng)的要求來說，

30、沒有張力環(huán)的普通雙閉環(huán)調速系統(tǒng),其轉速環(huán)基本都設計成典型型系統(tǒng)。由于在本三環(huán)調速系統(tǒng)中，張力環(huán)在轉速環(huán)之外，而又為了保證本直流調速系統(tǒng)的性能，轉速環(huán)應設計成典型型系統(tǒng)。此時，ASR采用比例調節(jié)器即可，其傳遞函數(shù)為 (3-18)轉速調節(jié)器比例系數(shù) 轉速調節(jié)器超前時間常數(shù) 調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) (3-19)令轉速環(huán)開環(huán)增益為 (3-20)則 (3-21)3轉速調節(jié)器的參數(shù)計算 根據(jù)設計要求使轉速超調量。參數(shù)計算：1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/：取，則轉速濾波時間常數(shù)：。轉速環(huán)小時間常數(shù)：2）轉速調節(jié)器的選擇按照設計要求，比例調節(jié)器。檢查抗擾性能：。查對典型I型系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能，其各項指

31、標都符合要求。3） 計算轉速調節(jié)器參數(shù)按照設計要求，可取轉速調節(jié)器超前時間常數(shù)：轉速環(huán)開環(huán)增益：因設計要求 5% ，取=0.5，則轉速調節(jié)器的比例系數(shù)。校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 令轉速環(huán)開環(huán)增益為 則有 4檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為： 1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：滿足簡化條件。2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：滿足近似條件。5. 計算調節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖4-9，取，則=13.74=549.6，取550；，??；，取。終上所述，轉速環(huán)能夠達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%5%（見表3-1），可以達到設計要求。（3）張力調節(jié)器的設計1. 張力環(huán)結構框圖的化簡a）b） c）圖3.8張力環(huán)的

32、動態(tài)結構圖及其簡化2. 張力調節(jié)器的選擇該系統(tǒng)得最外面的一環(huán)為張力環(huán)，而且轉速環(huán)已經(jīng)設計為典型型系統(tǒng)。為了使其有動態(tài)抗擾動性能、跟隨性能同靜態(tài)性能都比較合適，則張力環(huán)校正為典型型系統(tǒng)較為合適。則 (3-22) (3-23)其中 (3-24)由此可見，張力調節(jié)器也應該采用傳遞函數(shù)為 (3-25)式中，張力調節(jié)器的比例系數(shù)；張力調節(jié)器的超前時間常數(shù)。3. 張力調節(jié)器參數(shù)的選擇：1）確定時間常數(shù)轉速環(huán)等效時間常數(shù)1/：取，則張力濾波時間常數(shù)：取。張力環(huán)小時間常數(shù)：2）選擇張力調節(jié)器結構按照設計要求，選擇傳遞函數(shù)為的調節(jié)器。3） 計算張力調節(jié)器參數(shù)為了滿足設計要求取h=5，則張力調節(jié)器超前時間常數(shù)是可

33、以求得張力環(huán)開環(huán)增益又因為 則張力調節(jié)器比例系數(shù)為 4) 檢驗近似條件張力環(huán)截止頻率為： 1) 轉速環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：滿足簡化條件。2）張力環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：上述參數(shù)相差不大，所以滿足近似條件。終上所述，張力環(huán)能夠達到的動態(tài)跟隨性能指標為=37.6%（見表3-2），可以達到設計要求。表3-1 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.3T3.6T表3-2 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標h

34、345678910str / Ts / 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%3.3514.201四、三環(huán)控制系統(tǒng)的仿真為了得到滿意的結果，在仿真過程中,首先根據(jù)典型型或型系統(tǒng)的方法計算調節(jié)器的參數(shù),然后利用MATLAB里SIMULINK工具進行仿真,還要靈活修改參數(shù)。由于設計要求是要讓電流、轉速跟隨性能良好，張力無靜差且具有較強的抗干擾能力。所以我們需要校驗電流環(huán)和轉速環(huán)的跟隨性能并使張力無靜差且具有較強的抗干擾能力。1

35、、SIMULINK的仿真步驟第一步，在MATLAB的命令窗口運行SIMULINK命令，或單擊工具欄中的圖標，就可以打開SIMULINK模塊庫瀏覽器(Simulink Library Browser) 窗口第二步，單擊工具欄上的圖標或選擇菜單“File”“New”“Model”，新建一個名為“untitled”的空白模型窗口。 第三步，在上圖的右側子模塊窗口中，單擊“Source”子模塊庫前的“+”(或雙擊Source)，或者直接在左側模塊和工具箱欄單擊SIMULINK下的Source子模塊庫，便可看到各種輸入源模塊。第四步，用鼠標單擊所需要的輸入信號源模塊“Sine Wave”(正弦信號)，將

36、其拖放到的空白模型窗口“untitled”，則“Sine Wave”模塊就被添加到untitled窗口；也可以用鼠標選中“Sine Wave”模塊，單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中選擇“add to untitled”命令，就可以將“Sine Wave”模塊添加到untitled窗口。第五步，用同樣的方法打開接收模塊庫“Sinks”，選擇其中的“Scope”模塊(示波器)拖放到“untitled”窗口中。第六步，在“untitled”窗口中，用鼠標指向“Sine Wave”右側的輸出端，當光標變?yōu)槭址麜r，按住鼠標拖向“Scope”模塊的輸入端，松開鼠標按鍵，就完成了兩個模塊間的信號線連接，一個簡單

37、模型已經(jīng)建成。第七步，開始仿真，單擊“untitled”模型窗口中“開始仿真”圖標，或者選擇菜單“Simulink”“Start”，則仿真開始。雙擊“Scope”模塊出現(xiàn)示波器顯示屏，可以看到黃色的正弦波形。 第八步,保存模型，單擊工具欄的圖標，將該模型保存為“Ex0701.mdl”文件。2、電流環(huán)的MATLAB仿真按照下圖所示空載時的電流單環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖進行MATLAB仿真圖4.1電流單環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 圖4.2 電流環(huán)仿真結果圖上圖為電流環(huán)空載啟動時的響應曲線，該響應曲線略有超調，系統(tǒng)曲線迅速上升至峰值，峰值時間非常短，隨后電流立即下降至恒定值，這樣的響應是非常理想的。這正好

38、驗證了按照典型型系統(tǒng)設計電流環(huán)其超調量會很小的事實?？梢钥闯龇抡娼Y果比較滿意。一般來說，按照給出的參數(shù)設計出來的調節(jié)器的仿真結果都不是非常完美。為了得到一個滿意的結果，我們可以觀察仿真結果，了解各個調節(jié)器在參數(shù)不同的情況下對系統(tǒng)的影響，這樣能夠找出更加合適的符合工程要求的參數(shù)。電流環(huán)與轉速環(huán)都是按照典型型系統(tǒng)設計的。在設計調節(jié)器時按照典型型系統(tǒng)設計的調節(jié)器都是取的。所以我們可以改變設計時的超調量取不同KT值，再計算得到各個調節(jié)器的參數(shù)，并觀察調節(jié)器在參數(shù)不同的情況下對系統(tǒng)的影響，最后確定滿意的值。圖4.3 超調較大時電流環(huán)的仿真結果圖4.4 無超調時電流環(huán)的仿真結果圖4.4為取時，的仿真結果。

39、從多組仿真結果可以看出還是按照進行設計的調節(jié)器的跟隨性能最佳，所以選擇這組參數(shù)作為電流調節(jié)器的最終參數(shù)。3、轉速環(huán)的MATLAB仿真仿真的結果可以通過示波器模塊輸出，當給定信號的參數(shù)發(fā)生變化時，示波器的輸出將發(fā)生變化。本仿真是模擬給定階躍變化時轉速和電流的啟動動態(tài)過程，輸出是速度和電流。按照下圖所示空載時的轉速雙環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖進行MATLAB仿真圖4.5 轉速雙環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖4.6 轉速環(huán)空載起動過程的階躍響應曲線圖4.7 轉速環(huán)負載40的起動過程的階躍響應曲線電動機起動時轉速給定為最大轉速，對負載電流為空載（）和帶負載電流（）為起動時的動態(tài)過程進行仿真，轉速、電流的仿真曲線

40、如圖4.6和圖4.7所示。從仿真結果可以看到速度與電流之間的關系基本上符合理想的波形。電動機起動時電流維持在最大值，電機轉速以最大速度上升至最高轉速，然后轉速超調，轉速調節(jié)器退飽和，電流下降至負載電流。由此可見，仿真結果與理論分析完全吻合。圖4.8 轉速環(huán)抗負載擾動仿真結果在仿真過程中， 把負載模塊改為step 模塊， 參數(shù)設置為：step 0.8 s，Initial Value 0，F(xiàn)inial Value 40。這表明在開始階段，負載為0，當時間為0.8 s 時，負載變?yōu)?0，得到仿真結果如圖4.8所示。圖4.9 無超調時轉速環(huán)的仿真結果圖4.10 超調較大時轉速環(huán)的仿真結果圖4.10為取

41、時，的仿真結果。從多組仿真結果可以看出還是按照設計的調節(jié)器的跟隨性能最佳，所以選擇這組參數(shù)作為轉速調節(jié)器的最終參數(shù)。4、張力環(huán)的MATLAB仿真按照下圖所示空載時的張力三環(huán)控制系統(tǒng)Simulink動態(tài)結構圖進行MATLAB仿真圖4.11 張力三環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖4.12 張力環(huán)空載起動過程的階躍響應曲線圖4.13 當時張力環(huán)空載起動過程的階躍響應曲線圖4.13為取時，的仿真結果。從多組仿真結果可以看出還是按照原來設計的調節(jié)器的響應曲線最符合設計要求，此時張力環(huán)單位階躍響應曲線超調為37.6%，選擇這組參數(shù)作為轉速調節(jié)器的最終參數(shù)。上圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示幅值。而從仿真結果中也能夠

42、看出速度與電流及張力之間的波形關系，大體上能夠符合理想的波形且張力無靜差。圖4.14 張力環(huán)負載40起動過程的階躍響應曲線圖4.15 張力環(huán)抗負載擾動仿真結果 在仿真過程中， 把負載模塊改為step 模塊， 參數(shù)設置為：step 0.6s，Initial Value 0，F(xiàn)inial Value 40。這表明在開始階段，負載為0，當時間為0.6s 時，負載變?yōu)?0，得到仿真結果如圖4.15所示。張力環(huán)抗負載擾動的振蕩幾乎察覺不出來，抗擾動過程非常短暫，系統(tǒng)張力三環(huán)已經(jīng)感覺到擾動，但經(jīng)過很短暫的時間擾動響應的過程就已經(jīng)結束。這就說明了張力環(huán)具有很強的抗干擾能力?？?結從上面的仿真結果圖能夠得出：直流電機啟動階段，電機電樞電流在電流調節(jié)器作用下接近最大值，使得電機以最優(yōu)時間準則開始上升。電流環(huán)單位階躍響應曲線略有超調4.3%，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間非常短，電流立即下降至恒定值響應即結束；轉速環(huán)單位階躍響應曲線超調為4.3%，波形很快上升，峰值時間也相當短，轉速很快就下降而恒定響應立即結束；張力環(huán)單位階躍響應曲線超調為37.6%，系統(tǒng)曲線迅速上升，響應很快就結束了。這樣的響應是非常理想的，滿足讓電流環(huán)和轉速環(huán)的跟隨性能并使張力無靜差且具有較強抗干擾能力的設計要求。但是此次設計沒有應用到生產(chǎn)實際中去，對生產(chǎn)實