雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)仿真目錄第一章 概述1.1 仿真意義對于那些在實(shí)際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)或?qū)嶒?yàn)費(fèi)用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究是不能將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實(shí)際中去的。因此就必須對其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這種方法十分費(fèi)時(shí)而且費(fèi)用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)對控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。 但是長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所

2、接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLBA中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。直流電機(jī)具有

3、良好的起制動(dòng)性能，易于在較廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多高性能可控電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如軋鋼機(jī)、龍門刨床、高層電梯、高精度機(jī)床等。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上與實(shí)踐上都比較成熟，從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速的基礎(chǔ)，但是雙閉環(huán)調(diào)速，雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在研究和設(shè)計(jì)的過程中，許多參數(shù)的選擇需要反復(fù)調(diào)試，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將會(huì)為研究和設(shè)計(jì)工作提供有力的支持，在計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)時(shí)，可以方便地對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，得到合理的參數(shù)組合，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供條件。1.2 本設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本課題主要是對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Simulink環(huán)境中對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，

4、具體內(nèi)容有：對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)；在SimuLink環(huán)境中對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性和抗擾性分析。直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中有大量的參數(shù)需要計(jì)算和調(diào)整。運(yùn)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法工作量大，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在軟件和硬件方面提供了良好的設(shè)計(jì)平臺(tái)。此次論文運(yùn)用MATLAB軟件建立了調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。利用Simulink中仿真功能對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真的結(jié)果證明了該方法的可行性、合理性。利用仿真技術(shù)可以很大程度地減少雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試強(qiáng)度。第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介

5、紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)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(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊

6、，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2-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)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(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，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)過程波形如圖2-1b所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。IdLntId

7、OIdmIdLntIdOIdmIdcrnna)b)圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程 b)理想快速起動(dòng)過程實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，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最大值的恒流過程，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程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)

8、反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2-2所示，即把轉(zhuǎn)速調(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(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I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(yùn)行時(shí)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(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩

9、方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)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(dòng)態(tài)性能。i 內(nèi)環(huán)nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPEL-MTG+圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變換器n外環(huán)2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。

10、當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) b電流反饋系數(shù)實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都為零，即由得：從而得到圖2-4靜特性的CA段。ASR不飽和,得：，CA段靜特性從理想空載狀態(tài)一直延續(xù)到，而一般都大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平特性。2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此

11、時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)有：從而得到圖2-4靜特性的AB段。雙閉環(huán)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)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。n0IdIdmIdNOnABC圖2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電

12、壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程如圖2-5所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。第I階段（0t1）是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，使、都上升，但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流之前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，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)器很快就壓制了不再迅速增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第II

13、階段（t1t2）是恒流升速階段。恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（圖2-5）。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長，才能保持Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中ACR不應(yīng)飽和。nOOttIdm IdLId IIIII

14、It4 t3 t2 t1 圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第III階段（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，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)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，輸出電壓和主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速將在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)上升。直到=時(shí)，轉(zhuǎn)矩=，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才能到達(dá)峰值。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng),電流出現(xiàn)一段小于的過程,直到穩(wěn)定。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的三個(gè)特點(diǎn)：(1) 飽和非線性控制當(dāng)A

15、SR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。(2) 轉(zhuǎn)速超調(diào)由于PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，即在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。所以采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。(3) 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制在恒流升速階段，系統(tǒng)電流為允許最大值，并保持恒定，使系統(tǒng)最快起動(dòng)，即在電流受限制條件下使系統(tǒng)最短時(shí)間內(nèi)起動(dòng)。2.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)性能可分為動(dòng)態(tài)跟隨性能和動(dòng)態(tài)抗擾性能兩種。其中

16、動(dòng)態(tài)抗擾性能對于調(diào)速系統(tǒng)更為重要，它主要表現(xiàn)為抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。（一） 動(dòng)態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。在設(shè)計(jì)ACR時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)具有良好的跟隨性能。（二） 動(dòng)態(tài)抗擾性能1抗負(fù)載擾動(dòng)由圖2-6a可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在突加（突減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（速升）。為了減少動(dòng)態(tài)速降（速升），所以要求ASR具有較好的抗擾性能。U*n-IdL-Un+- ASRa nUd0Id-E a)U*nnUd0U

17、n+- ASR ACRb U*iUi-E±Ud-IdLIdb)圖2-6 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用a) 單閉環(huán)系統(tǒng) b) 雙閉環(huán)系統(tǒng)±Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在可控電源電壓上的反映a 2抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它們的動(dòng)態(tài)抗擾效果就不同。如圖2-6b所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。從動(dòng)態(tài)性能上看，負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量n的前面，可以通過測速發(fā)電機(jī)檢測出來，使負(fù)載擾動(dòng)通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得到及時(shí)調(diào)節(jié)。而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)作用在離被調(diào)量n更遠(yuǎn)的位置，轉(zhuǎn)速調(diào)

18、節(jié)器ASR不能及時(shí)對它進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是因?yàn)樗饔迷诒浑娏髫?fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，使電壓波動(dòng)可以直接通過電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能高。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化比起單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)兩類。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。（一）跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號(hào)變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以

19、輸出量的初始值為零、給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)，如圖2-7所示。圖2-7 典型的階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達(dá)到的時(shí)間越短越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)下列各項(xiàng)：1上升時(shí)間圖2-7繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的是輸出量C的穩(wěn)態(tài)值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到所經(jīng)過的時(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。2.超調(diào)量與峰值時(shí)間在階躍響應(yīng)過程中，超過以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時(shí)間時(shí)達(dá)到輸出量最大值，然后回落。超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即

20、超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。3.調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到才穩(wěn)定，但實(shí)際上由于存在各種非線性因素，過渡過程到一定時(shí)間就終止了。為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時(shí)間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下±5%(或取±2%)的范圍為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。顯然，調(diào)節(jié)時(shí)間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。（二）抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量F以后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程

21、，如圖2-8所示。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。1動(dòng)態(tài)降落系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，所引起的輸出量最大降落值稱作動(dòng)態(tài)降落。一般用占輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示（或用某基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)來表示）。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，（）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落，即靜差。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)速降。2恢復(fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的±5%（或取±2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，見圖2-4b。其中稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況

22、選定。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值作為基準(zhǔn)值。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較小，則按進(jìn)入±5%范圍來定義的恢復(fù)時(shí)間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個(gè)比新穩(wěn)態(tài)值更小的作為基準(zhǔn)。圖2-8 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的頻域分析在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（Bode Diagram）如圖2-9所示，即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，

23、頻段的分割界限是大致的，從上圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面：0L/dBwcw/s -1-20dB/dec高頻段低頻段中頻段圖2-9 典型的控制系統(tǒng)伯德圖(1)中頻段以的斜率穿越線，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。(2)截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好。(3)低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。(4)高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可

24、以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。在伯德圖中，穩(wěn)定裕度是衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度（即相對穩(wěn)定性）的重要指標(biāo)，穩(wěn)定裕度包括以分貝表示的增益裕度和相角裕度，一般要求：6、 =保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)在各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。穩(wěn)定裕度也能間接地反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過程振蕩、超調(diào)小。第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖

25、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(dòng)機(jī)的動(dòng)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)U*iId+E圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.1直流電動(dòng)機(jī)建模晶閘管直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（V-M系統(tǒng)），如圖3-1所示。圖中他勵(lì)直流電機(jī)數(shù)據(jù)有：=10kW,=220V,=53.5,=1500r/min,電樞電阻=0.31，回路總電阻=0.4,回路總電感=5.12，運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣=7，允許的過載倍數(shù)，晶閘管的放大系數(shù)為。他勵(lì)直流電機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路如圖3-2，其中電樞回路的總電

26、阻R包括電力電子器件內(nèi)阻、電樞電阻以及主電路中接入的其他電阻；電感包括電感和主電路中接入的電感，規(guī)定的正方向 如圖3-1所示 假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為： （3-1）如果忽略粘性磨檫及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上動(dòng)力學(xué)方程為： （3-2）-MUd0+-E LneidTLM圖3-2 他勵(lì)直流電機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為： （3-3） （3-4）式中 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）；電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量（）；電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；=0.1356；額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù),=1.295。再定義下列時(shí)間常數(shù)：電樞回路時(shí)間常數(shù)， =0.0128

27、s；電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常=0.042s。代入式（31）和式（32），并考慮式（33）和式（34），整理后得 （3-5） （3-6）式中，為負(fù)載電流(A), 。在零初始條件下，取等式兩邊的拉式變換，得到電壓與電流的傳遞函數(shù)： (3-7)電流和電動(dòng)勢的傳遞函數(shù)： （3-8）式（3-7）和式（3-8）的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分別畫在圖3-3 a、b中。把兩圖和在一起，并考慮到，即得額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1c所示。由圖3-1可看出，直流電機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是加在電樞上理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。 -E(s)Ud0+Id (s)a)Id (s)Id

28、L(s)+-E (s)b)Ud0IdL (s) E(s)Id (s)Un+-c)圖33額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a) 電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 b) 電流電動(dòng)勢間的結(jié)構(gòu)框圖c) 直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)時(shí)，可把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)看待。動(dòng)態(tài)過程中晶閘管觸發(fā)和整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管失控時(shí)間引起的。各種整流電路失控時(shí)間可參考表3-1。相對整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，是不大的，在一般情況下，可取平均值 ，并認(rèn)為是常數(shù)。表3-1 各種整流電路的失控時(shí)間（）整流電路形式最大失控時(shí)間平均失控時(shí)單相半波20

29、10單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67若用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系為利用拉氏變換的位移定理，則晶閘管裝置傳遞函數(shù)為 （3-9）由于式（3-9）包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)。為了簡化現(xiàn)將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則式（3-9）變成考慮到很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)。 （3-10）其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖示于圖3-4。Uc(s)Ud0(s)a)b） 圖3-4 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 a)準(zhǔn)確的 b)近似的Uc(s)Ud0(s)3.3按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器本節(jié)將運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法

30、來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示，框圖中給出了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號(hào)中常含有交流分量，為了使它不影響調(diào)節(jié)器的輸入，增加了低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號(hào)為準(zhǔn)。然而在濾平交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這一作用，在給定信號(hào)通道上

31、加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延遲，是二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而得?IdL(s)Ud0+Un+-+-UiACRU*iUcId+ASRU*nn圖3-5 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向波紋，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。3.3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(一）電流結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖3-2電流環(huán)中，反電動(dòng)勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給實(shí)際工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速成正比

32、，它代表對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于電機(jī)時(shí)間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流瞬間變化過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變，即。這樣按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢變化的動(dòng)態(tài)影像，也就是說，可以暫且把反電動(dòng)勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-6a所示可以證明忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)作用的近似條件是 （3-11）式中的電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截至頻率。Ud0(s)+-Ui (s)ACRU*i(s)Uc (s)Id (s)a)+-ACRUc (s)Id (s)b)+-ACRUc (s)Id (s)c)圖

33、3-6 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)框圖及其化簡a) 忽略反電動(dòng)勢的動(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)近似處理如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖（3-6b）所示，從這里可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值的方便之處。最后，由于和一般比小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似的看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為= (3-12)則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終化簡成圖3-6c，簡化的近似條件為 (3-13)（二）電流環(huán)的結(jié)構(gòu)選擇首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成那一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求看，希望電流無靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖3-6c可以看出，采用典I

34、型系統(tǒng)就夠了。再從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。因此，電流環(huán)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典I型系統(tǒng)。圖3-6c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要矯正成典I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成= (3-14) 式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇 (3-15) 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3-7a所示的典型形式，其中= 圖3-7b繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)頻域特性。（三）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)

35、算由式（3-14）可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和,其中已選定，見式（3-15）待定的只有比例系數(shù)，可根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。在一般情況下，希望電流的超調(diào)量由表3-2，可選，則 = （3-16）再利用式（3-16）和（3-15）得到= a)Id (s)+-b)圖3-7 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 b)開環(huán)對數(shù)幅頻特性-40dB/decL/dB-20dB/decw /s-10wci表3-2 典型I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02503905006910阻尼比100807070605超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.6T4.7T3.3

36、T2.4T峰值時(shí)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增加參數(shù)：電流反饋系數(shù)；設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，要求超調(diào)量5%。1確定時(shí)間常數(shù)1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，參考表(3-1)三相橋式整流電路的平均失控時(shí)間=0.0017。2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取=2=0.002。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+=0.0037s。2根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電

37、流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式（3-14）。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I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計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流環(huán)調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為=0.324檢驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率：。1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足近似條件；2) 忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：s< 滿足近似條件。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足近似條件。3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（一）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出他的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖（3-7a）可知= (3-1

38、7)忽略高次項(xiàng)，可降階近似為 (3-18)近似條件 (3-19)式中轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為=這樣原來雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的的等效環(huán)節(jié)代替圖（3-1）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)框圖如圖（3-8a）所示和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)

39、合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中= (3-20)則轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖（3-8b）。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見圖3-8b）?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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II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。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)較大，那是線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低，因此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-21)式中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的

40、開環(huán)傳遞函數(shù)為=令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為 (3-22）則 (3-23)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)框圖如圖3-8c所示。Un (s)IdL (s)U*n(s)n (s)+-ASRId (s)-U*n(s)+-a)n (s)+-ASRId (s)U*n(s)+-IdL (s) b)n (s)+-c)圖3-8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化a)用等效環(huán)代替電流環(huán) b)等效成為單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理c)校正后成為典型II型系統(tǒng)（三）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有 （2-24） （3-25）因此 （3-26）無特殊要求時(shí)，一般以選擇中頻寬=5

41、為好。除已給數(shù)據(jù)外增加加數(shù)據(jù)如下：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。1確定時(shí)間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，由電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)已取，則2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，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。2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如式：。3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(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，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：，ASR的比例系數(shù)為：4檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：滿足近似條件?？偨Y(jié)：本章節(jié)對雙閉環(huán)的調(diào)速

42、系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，按照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，得出雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)。為下一章節(jié)Simulink下建立仿真模型奠定基礎(chǔ)。 第四章 Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)建模、仿真結(jié)果及分析晶閘管直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。在第三章中已整定相應(yīng)參數(shù)，如圖4-1所示。圖中直流電機(jī)數(shù)據(jù)有：=10kW，=220V，=53.5A，=1500r/min，電樞電阻=0.31，路總電阻R=0.4，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)=0.0128s，三相橋平均失控時(shí)間=0.00167s；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)=30；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.042s，系統(tǒng)測速反饋

43、系數(shù)=0.0067Vmin/r，系統(tǒng)電流反饋系數(shù)=0.072V/A，電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.002s；轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s。忽略系統(tǒng)的非線性，分別對系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)的仿真。圖4-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖說明幾個(gè)問題1) 線性系統(tǒng)的疊加原理根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，結(jié)構(gòu)圖上雖然同時(shí)繪制有多個(gè)信號(hào)作用，但在討論其中一個(gè)信號(hào)的作用時(shí)，其它所有信號(hào)可以認(rèn)為不存在，并且在結(jié)構(gòu)圖上必須將其去除，只留下討論的一個(gè)。這樣的仿真圖形才是最明確清楚的。2) 設(shè)置限幅裝置為保證電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中的運(yùn)算放大器工作在線性特性段以及保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)元件，部件與裝

44、置不致?lián)p壞，在電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出端都設(shè)置有限幅裝置(限幅模塊上下限幅+5與-5)。4.1電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真電流內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的若干考慮：采用工程慣用方法，已將可控硅及觸發(fā)裝置近似為一階慣性環(huán)節(jié)。添加低通濾波措施，濾波時(shí)間常數(shù)已經(jīng)確立為=2ms=0.002s。因?yàn)榉答仦V波同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來延遲，為了平衡這一延遲作用，在給定信號(hào)通道也添加一個(gè)與反饋濾波相同的時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，以使給定信號(hào)和反饋信號(hào)同樣的延遲。其傳遞函數(shù)為：。電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：(s)=,=0.32，=0.0128=。4.1.1電流內(nèi)環(huán)的SIMULINK動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4-2中給出了電流環(huán)的實(shí)際參數(shù)，也畫出了

45、仿真時(shí)給定信號(hào)與兩個(gè)典型擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)的位置。擾動(dòng)1指代諸如電動(dòng)機(jī)里的各種參數(shù)變化引起的擾動(dòng)；擾動(dòng)信號(hào)2指代諸如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)變化引起的擾動(dòng)以及晶閘管整流與移向觸發(fā)裝置參數(shù)變化所引起的擾動(dòng)等。圖中未考慮反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)作用，因?yàn)榉措妱?dòng)勢信號(hào)不在環(huán)內(nèi)。另外，圖中在電流調(diào)節(jié)器輸出端已經(jīng)設(shè)置了限幅裝置。圖4-2 帶參數(shù)電流環(huán)的SIMULINK動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.1.2電流環(huán)階躍響應(yīng)的MATLAB計(jì)算及仿真電流環(huán)的校正主要是對晶閘管整流與移相觸發(fā)裝置的放大倍數(shù)進(jìn)行校正，校正前=20，構(gòu)成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx010a.mdl；校正后=30，構(gòu)成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型mx010.mdl。其他參數(shù)不變，校正前、后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

46、模型只是的值不一樣，所以在此只給出校正后的mx010.mdl文件的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的模型，如圖4-3所示。圖4-3帶參數(shù)電流環(huán)的SIMULINK模型mx010.mdl 根據(jù)要求，用Linmod（）與step（）函數(shù)命令編寫的MATLAB程序L157.m% MATLAB PROGRAM L157.ma1,b1,c1,d1=linmod('mx010');s1=ss(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);hold ona2,b2,c2,d2=linmod('mx010a');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2

47、)y,t=step(s1);mp,tf=max(y);cs=length(t);yss=y(cs);sgm=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf)運(yùn)行該程序可得模型mx010.mdl與mx010a.mdl的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-4的(a)與(b)所示,并對于圖4-4的(a)圖求出性能指標(biāo)：超調(diào)量：=4.4403%,峰值時(shí)間：=0.0209s。圖4-4 (b)是=20時(shí)的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，階躍響應(yīng)曲線單調(diào)上升，完全無超調(diào)，并且在0.04s內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束。這樣的電流環(huán)階躍響應(yīng)很理想,但是電機(jī)的加速起動(dòng)不夠快。圖4-4(a)是=30時(shí)的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)，響應(yīng)曲線略有超調(diào)4.4403%，符合

48、I型系統(tǒng)超調(diào)量小的特點(diǎn)，系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時(shí)間（0.0209s）非常短，電流立即下降至恒定并在0.04s內(nèi)響應(yīng)即結(jié)束，這樣的階躍響應(yīng)是很理想的。 a) b)圖4-4 電流環(huán)階躍響應(yīng)Simulink曲線a)=30 b)=20結(jié)論：這正好驗(yàn)證了典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)其超調(diào)量會(huì)很小的事實(shí)。對于電流環(huán)，比較此二者，電流稍微超調(diào)的可取，因?yàn)檫@有利于電機(jī)的加速起動(dòng)，電機(jī)又不受什么影響。4.1.3電流環(huán)抗擾動(dòng)響應(yīng)過程的MATLAB計(jì)算機(jī)仿真 對絕大數(shù)機(jī)器設(shè)備，控制系統(tǒng)抗擾動(dòng)性能指標(biāo)是至關(guān)重要的，它比起系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)更為人們所關(guān)注。對于電流環(huán)，正如圖4-2中所給的兩個(gè)作用點(diǎn)之?dāng)_動(dòng)信號(hào)，分別代替了工程實(shí)際

49、的一些擾動(dòng)因素。繪制單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線并計(jì)算其性能指標(biāo)在圖4-2中兩個(gè)擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)分別施加單位階躍信號(hào)，繪制其擾動(dòng)響應(yīng)曲線，并求其最大動(dòng)態(tài)降落與最大動(dòng)態(tài)降落的時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間。為進(jìn)行仿真，在擾動(dòng)信號(hào)點(diǎn)2與1施加擾動(dòng)信號(hào)是分別構(gòu)成MATLAB里的結(jié)構(gòu)圖模型mx010b.mdl與mx010c.mdl。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖模型中的數(shù)據(jù)和圖4-2相同，只是擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)不同。單位階躍擾動(dòng)信號(hào)的極性為負(fù)。在程序文件方式下執(zhí)行以下調(diào)用函數(shù)dist()的MATLAB程序L157a.m：% MATLAB PROGRAM L157a.ma1,b1,c1,d1=linmod('mx010b');s1=s

50、s(a1,b1,c1,d1);figure(1);step(s1);hold ona2,b2,c2,d2=linmod('mx010c');s2=ss(a2,b2,c2,d2);figure(2);step(s2)y1,t1=step(s1);detac,tp,tv=dist(1,y1,t1);detac0,tp0,tv0=dist(2,y1,t1);t=0:0.01:0.2;y2,t2=step(s2,t);detac1,tp1,tv1=dist(1,y2,t2);detac2,tp2,tv2=dist(2,y1,t1);程序執(zhí)行后，可得圖4-5所示電流環(huán)在擾動(dòng)作用點(diǎn)1施加單

51、位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線，并有性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：=-0.9061；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.0092s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.0459s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.0580sa) b)圖4-5 電流環(huán)單位階躍信號(hào)擾動(dòng)響應(yīng)曲線a)擾動(dòng)作用點(diǎn)為1 b)擾動(dòng)作用點(diǎn)為2將程序中的模型mx010b.mdl改為mx010c.mdl，執(zhí)行后得圖4-5(b)所示電流環(huán)在擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)2施加單位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖，并有性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)降落：=-26.3855；最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間：=0.0106s；基準(zhǔn)值5%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.0900s；基準(zhǔn)值2%范圍的恢復(fù)時(shí)間：=0.1000s。結(jié)論：由兩個(gè)擾動(dòng)響應(yīng)曲