雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證(

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)目錄1課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求分析12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)22.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹22.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成32.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性42.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型52.4.1起動(dòng)過(guò)程分析52.4.2動(dòng)態(tài)抗擾性能分析62.4.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器作用63雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)83.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)83.1.1電流調(diào)節(jié)器的工作原理及作用83.1.2電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化83.1.3確定時(shí)間常數(shù)103.1.4選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)103.1.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)113.1.6檢驗(yàn)近似條件113.1.7計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容

2、113.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)123.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理及作用123.2.2電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)133.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化143.2.4確定時(shí)間常數(shù)153.2.5選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)153.2.6計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)163.2.7檢驗(yàn)近似條件163.2.8計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容173.3超調(diào)量的計(jì)算174雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真194.1調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在滿磁通時(shí)系統(tǒng)仿真波形圖194.2 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)突然減半仿真框圖21235總結(jié)與體會(huì)246參考文獻(xiàn)25本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表26雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與matlab仿真驗(yàn)證2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹

3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，是在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的.轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用PI調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速，采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。這對(duì)一般的要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿足基本要求，但電流環(huán)只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 2-1-（1）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，起動(dòng)（調(diào)整時(shí)間）的時(shí)間就比較長(zhǎng)。在實(shí)際工作中為了盡快縮短過(guò)渡時(shí)間，希望能夠充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大

4、允許值上，并且始終允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖 2-1-（2）所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(1)(2) (1)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (2)時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)程圖3-1 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為

5、最大值的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是應(yīng)該在啟動(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。 2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了達(dá)到2.1節(jié)分析后的目的，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。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，二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖2-2所示。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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)

6、器。圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖中、轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；、電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測(cè)速發(fā)電機(jī)；TA電流互感器；UPE電力電子變換器本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，該電路能為電動(dòng)機(jī)負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，改變控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，由于使用了閉環(huán)控制，并且內(nèi)外環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器AC

7、R的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入與輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有飽和和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時(shí)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和

8、輸出，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，起到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)作用。圖2-3 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)2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中引出相應(yīng)的電樞電流，而表示轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，表示電流反饋系數(shù)。2.4.1起動(dòng)過(guò)程分析 圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形從電流與轉(zhuǎn)速變化過(guò)程所反映出的特點(diǎn)可以將起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段：電流上升階段：突加給定電壓后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、均上升，但

9、是在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于幾點(diǎn)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓（）的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升直到，電流調(diào)節(jié)很快就壓制了的增長(zhǎng)。該階段結(jié)束，此階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。恒流升速階段：此階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速換相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)速系統(tǒng)，基本上保持電流很定，因而系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)（見(jiàn)圖2-5）。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速

10、，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差為負(fù)，使它開(kāi)始推出飽和狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下調(diào)速，直到穩(wěn)態(tài)。此階段中，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使很快地跟隨其給定值。起動(dòng)過(guò)程歸納的特點(diǎn)有：（1）飽和非線性控制 （2）轉(zhuǎn)速超調(diào)（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制2.4.2動(dòng)態(tài)抗擾性能分析一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)性能就是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。抗負(fù)載擾動(dòng)：負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)后，因而只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)作用。抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)：在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。2.4.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器

11、作用 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(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很快的跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可以減小轉(zhuǎn)速誤差，若采用PI調(diào)節(jié)器，則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。（2）電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(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。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(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。當(dāng)電機(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。263雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 3

12、.1.1電流調(diào)節(jié)器的工作原理及作用電流調(diào)節(jié)器有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)*，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)，當(dāng)突加一個(gè)很大的給定速度輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中始終保持在最大轉(zhuǎn)距和最大加速度，使起、制動(dòng)過(guò)程時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變（如降低）時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化（降低），引起主回路電流變化（減?。捎诳焖傩院?，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化（增大），則也變化（變?。詈笫拐髌鬏敵鲭妷河只謴?fù)（增加）至原來(lái)的數(shù)值，這就抑制了主回路電流的變化。也就是說(shuō)，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之

13、前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器電流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)的把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和電流電動(dòng)機(jī)不致因電流過(guò)大而損壞。綜上所述，電流調(diào)節(jié)器ACR的主要作用如下：(1) 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗干擾作用 ；(2) 啟動(dòng)時(shí)保證獲得容許的最大電流 Idm ；(3) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化 ；(4) 當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速的過(guò)流安全保護(hù)，如故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。3.1.2電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖

14、的簡(jiǎn)化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來(lái)說(shuō)，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢(shì)產(chǎn)生的影響很小，令，則圖3-1通過(guò)結(jié)構(gòu)圖變換，簡(jiǎn)化為圖3-2圖3-2 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)一 查表得三相橋式全控平均失控時(shí)間，電流濾波時(shí)間常數(shù) ，電磁時(shí)間常數(shù)，和都比小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖3-3. 圖3-3 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)二3.1.3確定時(shí)間常數(shù)1)查表可得，三相橋式電路的平均失控時(shí)間。2)三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是，為了基

15、本濾平波頭，應(yīng)有 ，因此取。3)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3.1.4選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(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： （3-1） 電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： （3-2） 因?yàn)?，所以選擇，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去控制對(duì)象中大的時(shí)間常數(shù)點(diǎn)，以便矯正成典型I型系統(tǒng)，因此 （3-3） 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，查看對(duì)應(yīng)表格的典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.1.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(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：要求，查表可取。但由此算出的數(shù)據(jù)無(wú)法滿足轉(zhuǎn)速要求，

16、所以取。ACR的比例系數(shù) 3.1.6檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率 1)校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件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： 滿足近似條件3)檢驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足近似條件3.1.7計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4所示，所用運(yùn)放?。?取 取 取 圖3-4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中，為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是觸發(fā)裝置的控制電壓。3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理及作用在主電機(jī)上安裝一電流測(cè)速發(fā)電機(jī)，發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓與給定電壓相比較，其偏差送

17、到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓。例如提高，則有較大加到ASR輸入端，ASR自動(dòng)調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移（減?。?，整流電壓提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過(guò)速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。比如，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移（變?。?，提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來(lái)數(shù)值時(shí)，又等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來(lái)自負(fù)載而是來(lái)自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上述過(guò)程

18、進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上述相反過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后仍能維持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似不變。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的主要作用如下： (1) 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓 變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差 ；(2) 對(duì)負(fù)載變化起抗干擾的作用 ；(3) 輸出限幅值決定電樞主回路的最大容許電流值 。 3.2.2電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此必須求出它的等效傳遞函數(shù)。圖3-5給出了校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖及開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （a) (b) 圖3-5 校正成典型 型

19、系統(tǒng)的電流環(huán) a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 （3-4）采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項(xiàng)，可降階近似為 （3-5）由直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （3-6） 因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應(yīng)相應(yīng)地改成 （3-7 ） 原來(lái)電流環(huán)的控制對(duì)象可以近似看成是個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)是和，采用閉環(huán)控制后，整個(gè)電流環(huán)等效近似為只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流閉環(huán)后，改造了控制對(duì)象，加快了電流跟隨作用。3.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化圖3-6 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分

20、環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-8） 圖3-7校正為典型型系統(tǒng)3.2.4確定時(shí)間常數(shù)1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為，設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)已取 所以 2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。取。3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。3.2.5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)為： （3-9） 則校正后的典型型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： （3-10） 令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為 （3-11）則 （3-12） 不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖3-

21、7 3.2.6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，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為 ASR的比例系數(shù)為 3.2.7檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 滿足簡(jiǎn)化條件2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿足簡(jiǎn)化條件3.2.8計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則 取 取 取含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-8所示 圖3-8 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3超調(diào)量的計(jì)算如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器沒(méi)有飽和限幅的約束，調(diào)速系統(tǒng)可以在很大范圍內(nèi)線性工作，則雙閉環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量。實(shí)際上，突加給定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，

22、輸出恒定的限幅電壓，使電動(dòng)機(jī)在恒流條件下起動(dòng)，起動(dòng)電流，而轉(zhuǎn)速則按線性規(guī)律增長(zhǎng)。雖然這時(shí)起動(dòng)過(guò)程要比調(diào)節(jié)器沒(méi)有限幅時(shí)慢得多，但是為了保證起動(dòng)電流不超過(guò)允許值，這是必須的。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)時(shí)z=0，作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是，查表可以得出當(dāng)h=5時(shí)，則可以求出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量為 滿足設(shè)計(jì)要求。4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真利用matlab軟件的simulink模塊搭建的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖4-1所示圖4-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型4.1調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在滿磁通時(shí)系統(tǒng)仿真波形圖設(shè)置與乘法器相連的階躍信號(hào)一直保持為0，如下圖4-2所示，那么相當(dāng)于調(diào)速系統(tǒng)在滿磁通下正常運(yùn)

23、行。此時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的波形如下圖4-3、4所示。圖4-2 正常運(yùn)行時(shí)時(shí)階躍信號(hào)的設(shè)置圖4-3 正常情況下啟動(dòng)電流、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖圖4-4 正常情況下ASR、ACR、直流電壓Ud波形圖4.2 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)突然減半仿真框圖 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，我們需要仿真驗(yàn)證該直流調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)突然減半仿真框圖，仿真得出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)電流，直流電壓Ud，ASR、ACR輸出電壓的波形。由課本基礎(chǔ)知識(shí)知道，當(dāng)磁通減半時(shí)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)也隨之減半。因此，在matlab仿真結(jié)構(gòu)框圖中的相應(yīng)的比例放大器增大兩倍。我采用的方法是，利用一個(gè)乘法器和一個(gè)階躍信號(hào)，與直流調(diào)速系統(tǒng)正常時(shí)的比例放大器通過(guò)加合使得比例

24、放大器在調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行到某一時(shí)刻加倍，也就是此時(shí)磁場(chǎng)突然減半的效果。我設(shè)置的時(shí)間為4s后磁場(chǎng)減半，如下圖4-5所示。此時(shí)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的波形如圖4-6、4-7所示。圖4-5 正常運(yùn)行突然磁場(chǎng)減半相應(yīng)階躍信號(hào)設(shè)置 圖4-6 正常運(yùn)行突然磁場(chǎng)減半啟動(dòng)電流、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖 圖4-6 正常運(yùn)行突然磁場(chǎng)減半直流電壓Ud、ASR、ACR輸出電壓波形圖 由仿真結(jié)果波形圖進(jìn)行比較，我們可以看出，當(dāng)直流調(diào)速系統(tǒng)帶變負(fù)載運(yùn)行時(shí)，突然磁場(chǎng)減半，啟動(dòng)電流迅速減少后立即維持在穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)速會(huì)有一個(gè)上升的階段，之后立即恢復(fù)原來(lái)的速度。變負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)，電路調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器都輸出限幅值，但是磁場(chǎng)減半后，二者均退出飽和，起到各自的作用。5總結(jié)與體會(huì) 通過(guò)本次雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器及matlab仿真驗(yàn)