畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

1、1 概述1.1 目前開展?fàn)顩r對(duì)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(duì)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(duì)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)的迅速開展，采用計(jì)算機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納?！?】【2】 長(zhǎng)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)

2、生了各種仿真算法和仿真軟件。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，那么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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化?！?】【4】Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對(duì)象的類型廣泛，可以是機(jī)械的、

3、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。直流電機(jī)具有良好的起制動(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)踐上都比擬成熟，從反響閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速的根底，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將會(huì)為研究和設(shè)

4、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(duì)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?！?】【6】1.2 本設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本次論文基于MATLAB/Simulink對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)尤其是單閉環(huán)有差、轉(zhuǎn)速電流、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。因此有兩個(gè)設(shè)計(jì)需要完成。該文對(duì)單閉環(huán)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究。直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(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)的開展，在軟件和硬件方面提供了舯好的設(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

5、用Simulink中仿真功能對(duì)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?！?】【9】2.系統(tǒng)方案選擇2.1 系統(tǒng)方案選擇晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是常用的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)V-M，目前開展已較成熟，系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性也不斷提高，應(yīng)用非常廣泛。因此，此次論文采用此系統(tǒng)。【10】V-M系統(tǒng)組成：1對(duì)象：直流電動(dòng)機(jī)M及工作機(jī)械； 2傳感器：測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，輸入n，輸出；3控制器：R、RC運(yùn)算放大器；4執(zhí)行器：晶閘管可控整流器V。2晶閘管變流器這是本系統(tǒng)最重要環(huán)節(jié)。整流器的輸入輸出特性主要取決于觸發(fā)器的輸入輸出特性。而整流

6、器的輸出電壓，除了與其主電路單相、三相，半波全波有關(guān)外，主要取決于其輸入移相角。2 VM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)1 晶閘管的單向?qū)щ娦杂捎诰чl管的單向可控導(dǎo)電性，給系統(tǒng)可逆運(yùn)行帶來不便。1 半控型整流電路及有續(xù)流管的整流電路，只允許系統(tǒng)單象限運(yùn)行。2 全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許帶位能負(fù)載的電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)，獲得二象限運(yùn)行。3 兩組全控整流電路，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。2 觸發(fā)脈沖相位控制這是晶閘管整流器最常用的方式，改變控制電壓，使觸發(fā)脈沖移相，改變導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)整流器輸出電壓。3 平波電抗器實(shí)際上是交流電源的一局部，是脈動(dòng)的，這對(duì)機(jī)械及電網(wǎng)是不利的。因此，除增加整流電路的相數(shù)，必須加平波電抗器以抑

7、制輸出電壓的脈動(dòng)。【11】4 電流的連續(xù)和斷續(xù)由于電壓的脈動(dòng)，所以，電流可能出現(xiàn)兩種情況：1連續(xù)：當(dāng)平波電抗足夠大，且電動(dòng)機(jī)負(fù)載足夠大時(shí)。2斷續(xù)：當(dāng)平波電抗較小，且負(fù)載較小時(shí)。 電流斷續(xù)，系統(tǒng)為非線性，運(yùn)行中會(huì)出問題，應(yīng)加以防范、防止。5 V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性所謂機(jī)械特性就是在電阻電壓一定的條件下，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩或電流的關(guān)系n=f(I)。由于電流的連續(xù)和斷續(xù)，故機(jī)械特性也昉兩種情況：1 連續(xù)特性：電流連續(xù)時(shí)，改變移相角，可得一系列平行的斜直線。此時(shí)，晶閘管整流器就是一個(gè)線性的可控電壓源。注意，特性連續(xù)的條件是平波電抗器足夠大負(fù)載足夠大。否那么，就是斷滭的。2斷續(xù)特性：當(dāng)負(fù)載較輕，電流較小時(shí)，電流

8、可能出現(xiàn)斷續(xù)，那么機(jī)械特性亦斷續(xù).當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性具有兩個(gè)特點(diǎn)：1系統(tǒng)理想空載轉(zhuǎn)速升高。2 特性變軟出現(xiàn)上翹的非線性現(xiàn)象，很小的電流變化可能引起很大的速度變化?！?2】【13】2 控制器控制器就是這里的調(diào)節(jié)器，常用的有四種：1比例調(diào)節(jié)器P，構(gòu)成有靜差系統(tǒng)。2比例積分調(diào)節(jié)器PI，構(gòu)成無靜差系統(tǒng)。3比例微分調(diào)節(jié)器PD，增加系統(tǒng)阻尼改善平穩(wěn)性。4比例積分微分調(diào)節(jié)器PID，全面提高系統(tǒng)品質(zhì)。2 傳感器調(diào)速系統(tǒng)中常用的檢測(cè)元件有以下幾種：1 直流電壓檢測(cè)元件 電量的檢測(cè)最容易，關(guān)鍵是要解決問題。主電路是高電壓，測(cè)量與控制電路是低電壓，上下電壓電路必須隔離。2 交流電壓檢測(cè)元件 交流隔離

9、很簡(jiǎn)單，采用變壓器。而直流必須采用調(diào)制器變成交流方波，其幅值與被測(cè)電壓相等，再用變壓器隔離后，經(jīng)解調(diào)器變成直流電壓。調(diào)制解調(diào)器采用電子開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元這是調(diào)速系統(tǒng)主要的傳感器，精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求最高，是反響系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵部件，目的是將轉(zhuǎn)速變成與之成比例的電壓信號(hào)。1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)TG實(shí)際上就是一個(gè)小型直流發(fā)電機(jī)。有永磁式和他勵(lì)式兩種，在恒定勵(lì)磁下，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。2 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和異步測(cè)速發(fā)電機(jī)兩種。 1優(yōu)點(diǎn)是能將轉(zhuǎn)速變成比例的交流信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格廉價(jià)，無電刷及電刷壓降，維護(hù)方便。2缺點(diǎn)是存在相角誤差及剩余電壓，用于直流系統(tǒng)時(shí)還需整流

10、，影響反響信號(hào)準(zhǔn)確度。2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)方案2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法由直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程：n= 式2.1 式中：n：轉(zhuǎn)速r/min; U：電動(dòng)機(jī)電樞電壓V;I：電動(dòng)機(jī)電樞回路電流A; ：電樞回路電阻;C：電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的電動(dòng)勢(shì)常系數(shù)；：勵(lì)磁磁通Wb； C：電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比 ,；有轉(zhuǎn)速方程可知，只有三項(xiàng)可變。所以，調(diào)速方法有四種。1 降壓調(diào)速。 使電樞供電壓U下降，那么電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n下降，由于電動(dòng)機(jī)繞組絕緣有限，電動(dòng)機(jī)電樞不能高于額定電壓U，所以是降壓調(diào)速。使用于額定轉(zhuǎn)速以下一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。降壓調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。2 弱磁調(diào)速使勵(lì)磁磁通超過額定值易飽和。所以，只能弱磁調(diào)速。使用

11、于額定轉(zhuǎn)速以上的小范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速場(chǎng)合。弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速?！?4】3 變阻調(diào)速。使增大串電阻R，那么n下降。由于串電阻R要消耗功率IR，機(jī)械特性變差。所以，只適合用于小功率有級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。4 調(diào)壓調(diào)磁調(diào)速既變壓又變磁，互相配合，可以獲較寬的無級(jí)調(diào)速范圍。在n以下，降壓調(diào)速；在n以上，弱磁調(diào)速。2 直流電動(dòng)機(jī)的供電方法由于三相交流電動(dòng)機(jī)MA、驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G及勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE，直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁是可變的可正可負(fù)，經(jīng)功率放大器AG。所以輸出電壓是可控的。此系統(tǒng)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低。但運(yùn)行可靠、維修方便，在目前的生產(chǎn)設(shè)備中尚在應(yīng)用。這是因?yàn)镚M系統(tǒng)機(jī)械特性是線性的，較硬，且可靠耐用。3 單

12、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)31 單閉環(huán)調(diào)速圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)組成圖4-5 直流電機(jī)等效圖如圖3-1，可見單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反響構(gòu)成的如圖，可見單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反響構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG,轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓與給定電壓比擬后，得到偏差電壓，經(jīng)放大器FD，產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?！?5】【16】3.2 直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性分析各環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)控制器的放大系數(shù)為： 式3.1觸發(fā)器與晶閘管整流器器比例系數(shù)： 式3.2 電動(dòng)機(jī)輸入輸出關(guān)系： 式3.3 轉(zhuǎn)速反響環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)： 式3.4式中：-反響電壓； -分壓比；-測(cè)

13、速發(fā)電機(jī)傳遞系數(shù)。圖3.2：系統(tǒng)的靜態(tài)框圖由圖3.2可見，調(diào)節(jié)過程，系統(tǒng)有兩個(gè)調(diào)節(jié)過程，即：一個(gè)是電動(dòng)機(jī)自身的特性決定的自衡過程；另一個(gè)是反響控制過程，循環(huán)往復(fù)，直到很小，為止，n到達(dá)新的平衡。其過程如圖圖3.3 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程3.開環(huán)特性與閉環(huán)特性比擬由靜態(tài)框圖可得開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性靜態(tài)轉(zhuǎn)速方程為： (式3.5)閉環(huán)靜特性： 式3.6式中：K-開環(huán)增益，K=； -開環(huán)、閉環(huán)理想空載轉(zhuǎn)速，；-開環(huán)、閉環(huán)靜態(tài)轉(zhuǎn)速降。1閉環(huán)特性要比開環(huán)特性硬的多。由式得： 式3.7式中： -閉環(huán)開環(huán)轉(zhuǎn)速降。可見，閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降是開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降的1/1+k2閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)靜差率小的多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)靜差率分別為

14、： 式3.8 式3.9式中：-閉環(huán)開環(huán)轉(zhuǎn)差率。但一定如此時(shí)，可見閉環(huán)系統(tǒng)靜差率是開環(huán)系統(tǒng)的1/1+k。3閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍比開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大的多。開環(huán)和閉環(huán)調(diào)速范圍分別為： 式3.10 式3.11式中：-開環(huán)閉環(huán)調(diào)速范圍。由于，所以當(dāng)靜差率一定時(shí)4保證閉環(huán)和開環(huán)轉(zhuǎn)速一致1：閉環(huán)給定電源電壓提高1+K倍，由于閉環(huán)與開環(huán)給定電源不變，所以不變。改變給定電源不行。2：閉需加前置放大器，閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)際輸入為偏差，是很小的，要獲得與開環(huán)系統(tǒng)同樣的輸出n，必須將加以放大。所以，控制器一定要有放大功能KP。5閉環(huán)靜特性與開環(huán)靜特性的關(guān)系圖 開、閉環(huán)靜特性關(guān)系圖 如圖3.4, 設(shè)系統(tǒng)原工作點(diǎn)為點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載增大,增

15、大到，那么開環(huán)系統(tǒng)工作點(diǎn)變?yōu)辄c(diǎn)，而閉環(huán)控制使增大，所以閉環(huán)工作點(diǎn)為點(diǎn)。假設(shè)工作點(diǎn)在點(diǎn)，當(dāng)增大到，那么開環(huán)系統(tǒng)工作點(diǎn)變?yōu)閎'點(diǎn)，而閉環(huán)由于負(fù)反響使增大到，即閉環(huán)工作在c點(diǎn)。由上述分析可得，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，實(shí)際上就有許多不同的與開環(huán)靜特性相應(yīng)的工作點(diǎn)組成的。反響系統(tǒng)提高了機(jī)械硬度，原因是負(fù)反響是電動(dòng)機(jī)的電樞電壓自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載的變化。所以機(jī)械特性硬度大大提高。3.22 數(shù)學(xué)模型為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品性等動(dòng)態(tài)分析，必須首先建立起系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。1額定勵(lì)磁下直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖圖3.5 直流電機(jī)等效圖當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，不考慮電刷壓降，電樞回路的電壓平衡方程為

16、式額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程為： E=n 式 額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為： 式電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為： 式3.15整理后： 式式中：:為包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，m：:為電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)局部折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪力矩，；=:為電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，；:直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，N/m;:為電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)，s;:為電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s；:為負(fù)載電流，A。在零初始條件下，對(duì)上式取拉氏變換的電壓和電流間的傳遞函數(shù)： 式電流與電動(dòng)勢(shì)的傳遞函數(shù)為： (式) 可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是理想整流電壓，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。

17、擾動(dòng)量為零時(shí)傳遞函數(shù)為：() 式 2 晶閘管整流與觸發(fā)裝置數(shù)學(xué)模型由于普通晶閘管變流器是半控型裝置，某相晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，控制極便失去作用，只有該相承受反壓或斷流時(shí)晶閘管才能被關(guān)斷。也就是說 ，某相晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，在尚未關(guān)斷之前，雖然改變了控制電壓的值，但整流電壓的瞬時(shí)波形和角并不立刻跟隨值變化。這個(gè)滯后時(shí)間稱作晶閘管整流裝置的失控時(shí)間，以表示。一般而言，； 其中f是交流電源頻率；m為一周內(nèi)整流電壓的波頭數(shù)。晶閘管觸發(fā)和整流裝置輸入輸出關(guān)系為： (式)應(yīng)用拉氏位移定理，其傳遞函數(shù)為： (式)由于很小，可將晶閘管近似為慣性環(huán)節(jié)來處理，其傳遞函數(shù)為： (式) 3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型單閉環(huán)調(diào)

18、速系統(tǒng)可以看作三階線性系統(tǒng)。當(dāng)不考慮負(fù)載時(shí)，即，系統(tǒng)開環(huán)傳函為： (式) 式中：。那么系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (式)仿真模型 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型： 圖3.6 電機(jī)仿真圖晶閘管和觸發(fā)裝置數(shù)學(xué)及仿真模型圖3.7 系統(tǒng)仿真圖數(shù)學(xué)模型： 將晶閘管和整流裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以看作三階線性系統(tǒng)。當(dāng)不考慮負(fù)載，即時(shí)，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：K=46.7 (式)所以系統(tǒng)的仿真模型如圖3.7。由上述模型，可以在Simulink里進(jìn)行仿真。圖3.8 階躍響應(yīng)圖1階躍響應(yīng)圖的繪制 如圖3.82啟動(dòng)過程仿真圖3.9 電流Id波形圖圖3.10轉(zhuǎn)速n的波形圖圖3.11 電壓U ct的波形圖 帶電流截

19、止環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)截流反響，須在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)。在轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的根底上引入電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)，即可構(gòu)成帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖：該環(huán)節(jié)有兩局部組成：其一為反響主回路電流信號(hào)大小的檢測(cè)局部：其二為比擬電壓局部。檢測(cè)主回路電流大小的信號(hào)電壓從串聯(lián)在主回路中的小電阻上取得，即正比于電流。比擬電壓由一個(gè)輔助電源經(jīng)電位器提供，調(diào)節(jié)的大小即可調(diào)節(jié)比擬電壓值，從而改變截止電流的數(shù)值。【17】 圖 3.12 帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖4-14 帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)的

20、輸入與輸出特性如圖：它說明：當(dāng)輸入與輸出相等，構(gòu)成線性環(huán)節(jié)；當(dāng)時(shí)，輸出為零。這樣的兩段式特性構(gòu)成一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，將它畫在方框中，再和系統(tǒng)的其他局部連接起來，即得帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 圖3.13 電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)的輸入與輸出特性 圖3.14電流截至止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由此結(jié)構(gòu)圖可導(dǎo)出該系統(tǒng)兩段特性的方程式：當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反響被截止： (式) 當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反響起作用： (式3-16)將上述兩式畫成靜特性如圖圖 系統(tǒng)兩段靜止性當(dāng)電流負(fù)反響被截止后，系統(tǒng)特性與轉(zhuǎn)速負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，靜特性如圖段，特性較硬；電流負(fù)反響其作用時(shí)靜特性為AB段，特性很軟。帶

21、電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性用帶PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反響外加電流截止負(fù)反響的直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)，限制啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的最大電流，對(duì)一般調(diào)速系統(tǒng)根本上符合要求。電流到達(dá)最大值后，由于電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的作用，使電流迅速下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，使啟動(dòng)加速過程變慢，啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)?！?8】最好的方法是在啟動(dòng)時(shí)保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)加速啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又讓電流立即降低，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩和負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行如圖中曲線。以下圖即為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖：圖3-16 系統(tǒng)仿真模型4.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖在電路中，ASR和ACR 實(shí)

22、行串級(jí)連接，由ASR去驅(qū)動(dòng)ACR，再由ACR控制觸發(fā)電路。圖中速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均為比例加積分調(diào)節(jié)器，其輸入和輸出均設(shè)有限幅電路。圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖可見該系統(tǒng)有兩個(gè)反響回路，構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)回路故稱雙閉環(huán)。其中一個(gè)是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反響環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個(gè)是由速度調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反響環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。由于速度環(huán)包圍電流環(huán)，因此稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，稱速度環(huán)為外環(huán)。 工作原理 電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用電流環(huán)為由ACR和電流負(fù)反響組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流,有效抑制電網(wǎng)波動(dòng)的影響。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入電壓=0 (式)由此

23、可知，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，。此式的物理含義是當(dāng)為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)器作用，整流裝置的電流將保持在。的數(shù)值上。假設(shè)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下，即圖電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用直到=，=0，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束.這種保持電流不變的特性，將使系統(tǒng)：1自動(dòng)限制最大電流。由于ASR有輸出限幅，限幅值為，這樣電流的最大值便為，當(dāng)時(shí)，電流環(huán)將使電流降下來。由上式可見，整定電流反響系數(shù)調(diào)節(jié)電位器RP3或整定ASR限幅值，即可整定數(shù)值，一般整定=2。2 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)而引起電流波動(dòng)時(shí)，通過電流調(diào)節(jié)器ACR 的調(diào)節(jié)作用，使電流很快恢復(fù)原值。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓

24、波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響幾乎看不出來在僅有轉(zhuǎn)速環(huán)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)后，要通過轉(zhuǎn)速變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，調(diào)節(jié)過程慢的多，速降也大，即：4.2.2速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用速度環(huán)是由ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反響組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。圖調(diào)度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)過程由于ASR也是PI調(diào)節(jié)器，因此穩(wěn)態(tài)時(shí)： 式 由此式可見，在穩(wěn)態(tài)時(shí)。此式的物理含義是當(dāng)為一定的情況下，由于速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在的數(shù)值上。假設(shè)其自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下，即圖。直至，調(diào)節(jié)過程才結(jié)束。由上面分析還可見，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化而變化，而電流環(huán)那么要求維持電流不變。由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外

25、環(huán)，電流環(huán)的作用只相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動(dòng)而已，不起主導(dǎo)作用。只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍然能靠ASR的積分作用，消除轉(zhuǎn)速偏差。4.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR是不會(huì)到達(dá)飽和狀態(tài)的。對(duì)靜特性來講只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和與不飽和兩種情況。1 速度調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)的特性（1） ASR的輸入偏差電壓，所以U轉(zhuǎn)速n。圖 速度調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)圖速度調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)n=f(U),將的特性成為控制特性，有時(shí)也稱調(diào)節(jié)特性，得到U與近似線性關(guān)系的特性曲線，如果在負(fù)載兩端接一個(gè)轉(zhuǎn)速表，測(cè)出轉(zhuǎn)速n，就可以繪出n=f(U)特性曲線。2 ACR的輸入偏差電壓，由于，

26、那么當(dāng)設(shè)定某一轉(zhuǎn)速時(shí)，U為某一值時(shí)負(fù)載到額定負(fù)載變化時(shí)即從時(shí)，A為一水平直線。此特性有時(shí)簡(jiǎn)稱為負(fù)載特性。2 速度調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)的特性當(dāng)ASR輸出到達(dá)飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開路狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化對(duì)系統(tǒng)不能產(chǎn)生影響。系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速變?yōu)楹汶娏髡{(diào)節(jié)，雙閉環(huán)變成一個(gè)電流無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重過載時(shí)，ACR限制增長(zhǎng)，并使轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出想堵轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)n加速下降加速上升>0,于是ASR進(jìn)入飽和段,不再起調(diào)節(jié)作用.同時(shí),當(dāng),將使4.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建立模型及其仿真某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，根本數(shù)據(jù)如下：例：直流電動(dòng)機(jī)：220V、130A、1500r

27、/min、min/r,允許過載倍數(shù)：晶閘管裝置放大系數(shù)：=40時(shí)間常數(shù)：，電流反響系數(shù)：轉(zhuǎn)速反響系數(shù)：設(shè)計(jì)要求：無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量求解如下：1 系統(tǒng)的建模根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法及相關(guān)資料可得系統(tǒng)各參數(shù)如下：ACR的比例系數(shù)：； ACR的超前時(shí)間常數(shù)；ASR的比例系數(shù)：； ASR的超前時(shí)間常數(shù)；整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，三相式電路平均失控時(shí)間=0.0017s；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3.33ms,為了根本濾平波頭，應(yīng)有=3.33ms，因此取=0.002s.轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取那么可得此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

28、模型：給定濾波環(huán)節(jié)： ASR環(huán)節(jié)： 電流給定濾波： ACR環(huán)節(jié)： 整流觸發(fā)環(huán)節(jié)： 電樞回路： 轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)： 電流反響濾波： 轉(zhuǎn)速反響濾波： 由上述各環(huán)節(jié)可得系統(tǒng)仿真模型如圖: 圖，轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)仿真圖2系統(tǒng)仿真在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是由給定電壓 決定的，ASR的輸出量由負(fù)載電流決定，而與轉(zhuǎn)速給定值無關(guān)，ACR的輸出量那么同時(shí)取決于和的大小。PI調(diào)節(jié)器其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而總是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。因此ACR、ASR調(diào)節(jié)器的輸出限幅為：130AV1系統(tǒng)的仿真 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)主要目的就是要獲得接近于理想的啟動(dòng)過程。如下圖啟動(dòng)過程可分為三個(gè)階段。第一階段為電流上升階段。啟動(dòng)時(shí)

29、，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入端突加給定電壓，由于電動(dòng)機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速反響電壓增長(zhǎng)較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在給定階躍信號(hào)作用下，迅速飽和，其輸出突跳到限幅值。在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速反響電壓不斷上升，但只要轉(zhuǎn)速為超過給定值，那么轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓總是大于0。因此輸出值將一直處于限幅值，并輸出最大電流給定電壓值電流調(diào)節(jié)器ACR。由于電流反響電壓隨著電流上升，ACR的輸入偏差電壓就衰減，開始時(shí)，電流由于ACR的積分作用而上升，當(dāng)與相等時(shí)，電流就上升到最大值，第一階段結(jié)束。第二階段是恒流等加速度啟動(dòng)階段。這是雙閉環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)的主要階段。在這段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仍處于飽和狀態(tài)。只有電流調(diào)節(jié)器起調(diào)節(jié)作用，

30、根本上保持電流為，因此獲得了啟動(dòng)時(shí)間最短的啟動(dòng)過程。電動(dòng)機(jī)在這個(gè)階段中，以恒定的加速度線性上升，直到轉(zhuǎn)速到達(dá)給定值。隨著轉(zhuǎn)速及反電勢(shì)的迅速上升，使略有下降，產(chǎn)生偏差電壓，ACR就起調(diào)節(jié)作用，使作進(jìn)一步增長(zhǎng)，又促使上升至最大值。當(dāng)轉(zhuǎn)速按線性不斷增長(zhǎng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器就不斷重復(fù)上述的恒流調(diào)節(jié)。也按線性不斷增長(zhǎng)。第三階段使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR也一起參與調(diào)節(jié)。系統(tǒng)進(jìn)入雙閉環(huán)調(diào)節(jié)階段。ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用是使電流跟隨ASR的輸出而變化?！?9】【20】 這階段開始時(shí)轉(zhuǎn)速以到達(dá)給定值。轉(zhuǎn)速反響電壓等于給定電壓，ASR的輸入偏差出現(xiàn)了速度超調(diào)，>。于是ASR的輸出迅速下降而

31、退出飽和,并參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。的下降是也下降，但當(dāng)>時(shí)，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。當(dāng)<后，在負(fù)載力矩作用下電動(dòng)機(jī)開始減速，經(jīng)過ASR、ACR的調(diào)節(jié)直至穩(wěn)定。系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定后，=，n=,ASR和ACR的輸入偏差均為零，但是由于積分作用，他們都有恒定的輸出電壓。圖 電流波形圖圖 電壓的波形圖圖 轉(zhuǎn)速波形圖5結(jié)論本文對(duì)單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究。直流電機(jī)具有良好的起制動(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)踐上都比擬成熟，從反響閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速的根底。雙閉環(huán)

32、直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(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)的開展，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(duì)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?！?1】本次論文雖然較全面的探討直流調(diào)速系統(tǒng)，但是仍有許多遺憾之處：1 此論文主要討論的系統(tǒng)均屬于不可逆調(diào)速系統(tǒng)，它僅適用于要求不改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)對(duì)停車的快速性又無要求的生產(chǎn)機(jī)械，如造紙機(jī)、車床、鏜床

33、等。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，有許多生產(chǎn)機(jī)械卻要求電動(dòng)機(jī)既能正、反轉(zhuǎn)，又能快速制動(dòng)，這類生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)，需要四象限運(yùn)行的特性。這就用到了可逆調(diào)速系統(tǒng)。因此對(duì)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的研究就成了以后工作的方向之一。2 工業(yè)生產(chǎn)開展到較高階段，如冶金軋機(jī)、電氣機(jī)車、電梯的出現(xiàn)要求傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)能快速正反轉(zhuǎn)，起動(dòng)力矩大，快速制動(dòng)，停位準(zhǔn)確，調(diào)速范圍大，精確度高，響應(yīng)快，因此在傳統(tǒng)調(diào)速中一直采用直流電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行了幾十年。但由于直流電動(dòng)機(jī)的換向器及電刷在大容量方面問題較多，而且維護(hù)量大，1970年后逐步被交流同步機(jī)及異步機(jī)變頻調(diào)速代替。與直流電動(dòng)機(jī)相比具還有以下以下優(yōu)點(diǎn)：(1)單機(jī)容量不受限制；(2)體積小，重量輕，占地

34、面積小(3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；(5)維護(hù)簡(jiǎn)單化；(6)節(jié)約能源。由此可見對(duì)交流調(diào)速進(jìn)行研究也是必要的。3 隨著高新技術(shù)的進(jìn)一步開展，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以成為調(diào)速系統(tǒng)無論是直流調(diào)速還是交流調(diào)速系統(tǒng)開展的趨勢(shì)。數(shù)字化是智能化、網(wǎng)絡(luò)化的根底。因此數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的研究成為以后工作的重中之重。 參考文獻(xiàn)1 梅曉榕,柏桂珍,張卯瑞等. 自動(dòng)控制元件及線路M. 北京：科學(xué)出版社，2005.2 晁勤 ，傅成乎. 自動(dòng)控制原理M. 重慶：重慶大學(xué)出版社,2001.3 趙文蜂. MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2002.4 魏克新 ,王云亮 ,陳志敏. MATLAB語言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.5 蔡啟仲. 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)M. 重慶 ：重慶大學(xué)出版社,2003.6 賀益康 ,潘再平. 電力電子技術(shù)M. 北京：科學(xué)出版社,2005.7 姚憔耕, 愈文根. 電氣自動(dòng)控制M.2005.8 張愛玲 ,李嵐 ,梅麗風(fēng). 電力拖動(dòng)與控制M. 北京 ：機(jī)械工業(yè)出版社.9 周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB的仿真 M. 重慶：中國(guó)電力出版社,2007.10