轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真

1、楊恒坤：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真畢業(yè)設計說明書轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 學生姓名： 班級學號： 240092119 院、系、部： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 2013年06月 南 京 摘要 本文介紹了基于工程設計對直流調(diào)速系統(tǒng)的設計，根據(jù)直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，設計了基于PI控制的轉(zhuǎn)速控制環(huán)和電流控制環(huán)。詳細分析了系統(tǒng)的起動過程及參數(shù)設計，運用Simulink對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行數(shù)學建模和系統(tǒng)仿真。根據(jù)仿真結(jié)果分析該調(diào)速系統(tǒng)是否滿足我們的設計要求。關鍵詞：雙閉環(huán)； PI控制；Simulink；仿真 AbstractIn this paper

2、, based on the DC drive system engineering design, according to the double-loop DC speed control system works, designed based on PID control loop speed control and current control loop. Detailed analysis of the system start-up procedure and parameter design, using Simulink, double-loop DC motor spee

3、d control system for mathematical modeling and system simulation. According to the simulation analysis of the speed control system to meet our design requirements. Keywords: double loop; PI control; Simulink; simulation 目錄摘要IAbstractII前言11、單閉環(huán)系統(tǒng)的分析31.1比例積分控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真31.2波形分析及單閉環(huán)的系統(tǒng)分析42、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直

4、流調(diào)速系統(tǒng)工作原理72.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理72.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成72.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型82.4啟動過程分析93、設計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器123.1調(diào)節(jié)器的工程設計方法123.1.1 調(diào)節(jié)器工程設計方法遵循的原則123.1.2 工程設計方法的基本思路123.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的設計、參數(shù)計算133.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設計：133.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計164、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真194.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖204.2電流環(huán)的仿真204.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真214.4仿真波形分析225、結(jié)論23致謝24參考

5、文獻25附錄一26附錄二31I前言 在工業(yè)生產(chǎn)中,需要高性能速度控制的電力拖動場合,直流調(diào)速系統(tǒng),特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是20世紀60年代在國外出現(xiàn)的一種新型調(diào)速系統(tǒng)。70年代以來, 在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領域得到日益廣泛的應用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。它通過轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，并構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)。從而有效的改善電機性能。 本設計主要通過工程設計法對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器相關參數(shù)進行計算以達到對轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)支流調(diào)速系統(tǒng)的整體實現(xiàn)。 該系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器

6、和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負反饋閉環(huán)。此外，直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。隨著交流調(diào)

7、速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如要求快速起制動、突加負載動態(tài)速降時，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能

8、很理想的控制電流的動態(tài)波形。實際工作中，在電機最大電流受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關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，電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不要電流負反饋發(fā)揮主作用，因此需采用雙閉

9、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。其次并基于雙閉環(huán)的電氣原理圖的SIMULINK的仿真，分析了直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性能。采用工程設計方法對雙閉環(huán)系統(tǒng)進行合理的設計，并選擇了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器以及對它進行參數(shù)的計算，分析，得出了系統(tǒng)的的穩(wěn)態(tài)以及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并由此建立起了基于跟隨性和抗干擾性的SIMULINK的仿真模型。最后分析了仿真波形，并進行了合理的調(diào)試，規(guī)劃結(jié)構(gòu)，反復試湊以解決系統(tǒng)的穩(wěn)、準、快和抗干擾等各方面的矛盾，達到建立更簡便實用的工程設計方法的可能。1、 單閉環(huán)系統(tǒng)的分析1.1比例積分控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設計選題：直

10、流電動機：額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速，電動機電動勢系數(shù)。假定晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大系數(shù)。滯后時間常數(shù)。電樞回路總電阻，電樞回路電磁時間常數(shù)=0.00167s，電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)=0.075s。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.01Vmin/r。對應額定轉(zhuǎn)速時的額定電壓=10V。比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真框圖如圖圖1.1.1 比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真框圖比例積分控制無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如下圖1.1.2 比例積分控制無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖用上圖參數(shù)可以仿真出來的波形是轉(zhuǎn)速電流圖1.1.3 仿真波形1.2波形分析及單閉環(huán)的系統(tǒng)分析事

11、實上，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以實現(xiàn)對輸出型號的調(diào)整，在采用PI調(diào)節(jié)器以后構(gòu)成的無靜差調(diào)速系統(tǒng)，利用上述模型改變比例系數(shù)積分系數(shù)可以輕而易舉的得到震蕩，有靜差，無靜差，超調(diào)量大或啟動快等不同轉(zhuǎn)速曲線這里不一一展示。例如，轉(zhuǎn)速響應無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間較長，系統(tǒng)的響應的超調(diào)較大，但響應快速性較好。修改控制參數(shù)后的仿真結(jié)果如圖1.2.1所示。圖1.2.1 修改控制參數(shù)后的仿真結(jié)果 上述系統(tǒng)主要是帶PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有幾個作用：1)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U*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。2)對負載變化起抗擾作用

12、。3)其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。然而轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)還存在一個問題，在啟、制動過程中和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，必須限制電樞電流。在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時，由于慣性作用，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓為0，相當于偏差電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是。這是由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓，立即達到它的最高值對電動機來說，相當于全壓啟動，會造成電動機過電流，當然是不允許的。當電動機被堵轉(zhuǎn)時，也會遇到過電流問題。如挖土機由于機械故障，或運行時遇到堅硬的石塊，電動機會被堵轉(zhuǎn)。根據(jù)系統(tǒng)靜特性，電流將遠遠超過允許值。如果依靠電流繼電器，或熔斷器來保護，過電流就會跳閘，也會給正常工作

13、帶來不便，為了解決轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動或堵轉(zhuǎn)時電流過大問題系統(tǒng)中必須要有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。那么我們就引入電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的作用(1)作為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)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。(2)對電網(wǎng)電壓的變化起及時抗擾的作用。(3)在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，其快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。這里特別說明一下帶有電流截止負反饋的調(diào)速系統(tǒng)：在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來

14、控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1.2.3-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)圖1.2.3 (a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程2、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動

15、機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應的可以調(diào)速）。ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達到穩(wěn)定。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)

16、節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖 _+_ ASR ACR UPEMTGGI+ _ 圖2.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速

17、系統(tǒng)的原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)動機TA電流互感器 UPE電力電子變換器 測速給定電壓轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓 2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖中和分別表示轉(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，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)

18、速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4啟動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應波形過程如九所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成、三個階段。圖2.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（n=0），轉(zhuǎn)速負反饋電，這時，很大，使ASR的輸出突增，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當增加到（負載電流）時，電動機開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)

19、節(jié)器ASR的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對應的最大值（在這過程中的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即 式中，電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不應該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不

20、應該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，與也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟

21、隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為 ACR的輸出電壓為 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線形控制：隨著A

22、SR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應采用其他控制方法來抑制超調(diào)。（3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的

23、成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應用。3、設計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.1調(diào)節(jié)器的工程設計方法現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電動機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路組成的。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)可以近似為一個低階系統(tǒng)，而用運算放大器或微機數(shù)字控制可以精確地實現(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的系統(tǒng)作比較深入的研究，把他們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當做預期的特性，弄清楚他們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標

24、的關系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設計時，只要把實際系統(tǒng)的校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以用現(xiàn)成的公式和圖表進行參數(shù)計算，設計過程就要簡便得多，這就是工程設計方法。3.1.1 調(diào)節(jié)器工程設計方法遵循的原則調(diào)節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂;2.計算公式簡明、好記；3.不僅給出參數(shù)計算的公式，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，同樣給出簡明的計算公式;5.適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。3.1.2 工程設計方法的基本思路 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求。

25、作為工程設計方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設計過程分為兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標這樣做，就把穩(wěn)、準、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算以下就可以了。這樣就使設計犯法規(guī)范化，大大減少了設計工作量。3.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的設計、參數(shù)計算設計選題：有一轉(zhuǎn)速

26、、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路采用三相橋式整流電路。已知電動機參數(shù)為：PN=500KW，UN=750V，IN=760A，=375r/min，電動勢系數(shù)Ce=1.82V·min/r，電樞回路總電阻R=0.14 ，允許電流過載倍數(shù) =1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)KS=75，電磁時間常數(shù)Tl=0.031s，機電時間常數(shù)Tm=0.112，電流反饋濾波時間常數(shù)=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)=0.02s。設調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓，調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40k。設計指標：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 ，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 。電流調(diào)節(jié)器已按典型型系統(tǒng)設計，并取參數(shù)KT=0.5。3.2.1

27、 電流調(diào)節(jié)器的設計：（1）確定時間常數(shù)：1）整流裝置滯后時間常數(shù)TS。查表可得，三相橋式電路的平均失控時間TS=0.0017s。2）電流濾波時間常數(shù)=0.002s。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti。按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=TS+=0.0037s。（2） 選擇電流調(diào)節(jié)器 根據(jù)設計要求i5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流控制環(huán)節(jié)對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)。檢查電源電壓抗干擾性能：，由下表典型的I型系統(tǒng)動態(tài)抗干擾性能，各項指標都可以接受的。表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)關系 27.8%16.6%9.3%6.5% 2.83.43.84.0

28、 14.721.728.730.4(3) 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5時，按下表 表2 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T可知，應取，因此于是，的比例系數(shù)為。其中。（4） 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1） 校驗晶閘管蒸餾裝置傳遞函數(shù)的近似條件

29、 滿足近似條件2） 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3） 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件（5） 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.2.1圖3.2.1 PI型電路調(diào)節(jié)器的組成按說運用的放大器取,各電阻和電容計算如下： 取35k 取 取按照上述參數(shù)，電流環(huán)動態(tài)跟隨性能指標為(見表2)。 滿足設計要求故ACR的傳遞函數(shù)為3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計（1） 確定時間常數(shù)1） 電流環(huán)等效時間常數(shù)。有上面電流調(diào)節(jié)器的設計，已取，則2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，取。3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。4) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

30、的結(jié)構(gòu)按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為。（2） 計算轉(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的超前時間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為于是，根據(jù)公式可求得ASR的比例系數(shù)（3） 檢驗近似條件由，轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)截止頻率為1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足簡化條件2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件（4） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖：圖3.2.2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的組成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.2.2所示，,則 取450k 取 ?。?） 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當h=5時，由表3查得，不能滿足設計要求。實際上，由于表3-4按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和

31、，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量，計算如下：設理想空載起動時，z=0，由已有數(shù)據(jù)有：,R=0.14,。當h=5時，由查表得，帶入公式可得能滿足設計要求。故ASR傳遞函數(shù)為表3 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)關系h34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.854、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的

32、簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。

33、Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的

34、多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR

35、R b ACR-UPE圖4.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.2電流環(huán)的仿真按照以上調(diào)節(jié)器的參數(shù)設計電流環(huán)的仿真如圖十三所示，其中晶閘管整流裝置輸出電流可逆圖4.2.1 電流環(huán)的仿真模型仿真波形圖4.2.2 電流環(huán)的仿真結(jié)果4.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖4.3.1 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型仿真波形圖4.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速啟動波形4.4仿真波形分析由圖4.3.2所示，得電流與轉(zhuǎn)速的超調(diào)量分別為 未滿足設計要求 滿足設計要求 波形還算理想，比較接近與實際的情況。5、 結(jié)論首先，本設計的電動機及其他基本參數(shù)均來自于電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)教材的課后習題。雖然這次畢業(yè)設計沒達到理想的設計要

36、求，但對我理解工程設計方法去解決問題有很大的幫助其次，通過這次設計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時，進一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；第四，運用MATLAB仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行的仿真，與此同時，進一步熟悉了MATLAB的相關功能，掌握了其使用方法。本次畢業(yè)設計綜合運用了自動控制原理、電力電子技術、電力拖動與控制技術等

37、的知識，為了更好的完成設計，我又重新復習了一遍原來所學的知識，加深了對知識的理解，提高了對知識的應用能力，同時使我認識到了各個課程之間是緊密聯(lián)系的。最后，縱觀整個設計，經(jīng)典部分是已學過的知識，通過畢業(yè)設計深入理解了工程設計方法，擴展了知識面，各門課程綜合應用，收益頗多，使我對直流調(diào)速系統(tǒng)的控制有了更深的認識。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。致謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及小組同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。在論文寫作過程中，得到了林琳老師的親切關懷和耐

38、心的指導。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到任務的最終完成，林老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜，林老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷。在此謹向林老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，有很多可敬的師長、同學、朋友給了我無窮的幫助與指導，在這里我也要感謝同組的程瑞祥同學在設計過程中給予我的幫助。最后，我還要感謝四年來辛辛苦苦教導我們的老師們，四年來一直是你們在傳授我們知識、教導我們?yōu)槿?，謝謝你們對我的栽培！我感謝可以有這樣一個空間，讓我對所有給予我關

39、心、幫助的人說聲“謝謝”！今后，我會繼續(xù)努力。謝謝!參考文獻1. 劉軍 孟祥忠，電力拖動運動控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社；2. 李德華 李擎，電力拖動自動控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社； 3. 郭丙君 ， 電力拖動控制系統(tǒng) 華東理工大學出版社；4. 陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社；5. 王劃一 楊西峽，自動控制原理 國防工業(yè)出版社；6. 牛維揚 李祖明， 電機學 中國電力出版社；7. 王兆安, 黃俊，電力電子技術第4版 機械工業(yè)出版社；8. 陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第3版 機械工業(yè)出版社；9. 朱仁初 萬伯任，.電力拖動控制系統(tǒng)設計手冊 機械工業(yè)出版社；10.段文澤 童明倜

40、，電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設計. 重慶大學出版社；11.朱仁初.電力拖動控制系統(tǒng)設計手冊 機械工業(yè)出版社；12.天津電氣傳動研究所電氣傳動自動化技術手冊 機械工業(yè)出版社；13.劉祖潤 畢業(yè)設計指導 機械工業(yè)出版社；14.黃俊電力電子變流技術 機械工業(yè)出版社；15.張明達.電力拖動自動控制系統(tǒng) 冶金工業(yè)出版社；16.馮信康.電力傳動控制系統(tǒng)原理與應用 水利電力出版社；17.周德澤.電氣傳動控制系統(tǒng)的設計 機械工業(yè)出版社；18.吳新開電工電子實踐教程 人民郵電出版社；19.電氣自動化雜志20電氣傳動自動化雜志20. 電力電子技術雜志附錄一5、 SimPowerSystems: IGBTThe IG

41、BT block implements a semiconductor device controllable by the gate signal. The IGBT is simulated as a series combination of a resistor Ron, inductor Lon, and a DC voltage source Vf in series with a switch controlled by a logical signal (g > 0 or g = 0).The IGBT turns on when the collector-emitte

42、r voltage is positive and greater than Vf and a positive signal is applied at the gate input (g > 0). It turns off when the collector-emitter voltage is positive and a 0 signal is applied at the gate input (g = 0). The IGBT device is in the off state when the collector-emitter voltage is negative

43、. Note that many commercial IGBTs do not have the reverse blocking capability. Therefore, they are usually used with an antiparallel diode. The IGBT block contains a series Rs-Cs snubber circuit, which is connected in parallel with the IGBT device (between terminals C and E).The turn-off characteris

44、tic of the IGBT model is approximated by two segments. When the gate signal falls to 0, the collector current decreases from Imax to 0.1 Imax during the fall time (Tf), and then from 0.1 Imax to 0 during the tail time (Tt).In our example, = 0.5 so that the theoretical value of VR is 200 V, assuming

45、no voltage drop across the diode and the IGBT. Run the simulation and observe the inductor current (IL), the IGBT collector current (IC), the diode current (ID), the IGBT device collector-emitter voltage (VCE), and the load voltage (VR). The load voltage (197 V) is slightly lower than the theoretica

46、l value (200 V) mainly because of the forward voltage (Vf) of the diode (0.8 V) and of the IGBT (Vf = 1V) .References1 Mohan, N., T.M. Undeland, and W.P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995.附錄二5、 SimPowerSystems: IGBT文庫實現(xiàn)的絕緣柵雙

47、極晶體管（IGBT）電力電子描述IGBT塊實現(xiàn)的半導體裝置由門信號控制的。該IGBT是模擬作為一個電阻Ron的串聯(lián)組合，電感器的Lon和Vf的串聯(lián)的直流電壓源，通過一個邏輯信號控制的開關(g > 0 or g = 0)。IGBT導通時的集電極 - 發(fā)射極的電壓為正時和大于Vf的一個積極的信號被施加在柵極輸入（g> 0）。它關閉時，集電極 - 發(fā)射極電壓是正的和0信號被施加在柵極輸入（g = 0時）。IGBT裝置是在關斷狀態(tài)時，集電極 - 發(fā)射極的電壓為負。需要注意的是許多商業(yè)的IGBT不具有反向阻斷能力。因此，它們通常使用的反并聯(lián)二極管。 IGBT塊包含了一系列盧比銫緩沖電路，其中并聯(lián)連接的IGBT元件（端子C和E之間）。關斷特性的IGBT模型近似由兩個分部。當柵極信號下降到0時，集電極電流的下降時間（）的過程中從最大電流：Imax減小至0.1最大電流：，然后從0.1最大電流：為0期間的尾巴時間（的）。實現(xiàn)了一系列RC緩沖循環(huán)狀態(tài)的IGBT模型內(nèi)部電阻（Ron）和電感（LON）并聯(lián)的IGBT器件在關斷狀態(tài)的的IGBT模型具有無窮大的阻抗。內(nèi)部電感不能被設置為零輸入和輸出輸入端口（g）是一個合乎邏輯的Simulink信號施加到柵極。輸出端口返回的IGBT的電流和電壓的測量向量（Ic時的Vce