雙閉環(huán)調(diào)速課程設(shè)計(jì)實(shí)踐報(bào)告

運(yùn)動(dòng)控制實(shí)習(xí)報(bào)告班級(jí)：自動(dòng)化0331班姓名：XXX學(xué)號(hào)：082222222電機(jī)參數(shù)為：調(diào)速系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下:晶閘管三相橋式全控整流電路供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),直流電動(dòng)機(jī):220V,136A,1460r/min,電樞電阻Ra=0.2Ω,允許過載倍數(shù)λ=1.5;電樞回路總電阻:R=0.5Ω,電樞回路總電感:L=15mH,電動(dòng)機(jī)軸上的總飛輪力矩:GD2=22.5N·m2,晶閘管裝置:放大系數(shù)Ks=40,電流反饋系數(shù):β=0.05V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):α=0.007Vmin/r,濾波時(shí)間常數(shù):Toi=0.002s,Ton=0.01s設(shè)計(jì)要求:(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo):轉(zhuǎn)速無靜差;(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量σi≤5%,空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%一、電機(jī)參數(shù)的初步計(jì)算和電機(jī)模型原理1）電機(jī)模型基本參數(shù)的計(jì)算：；；；所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值為；。2）電機(jī)模型原理:為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)物理規(guī)律和數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定長系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程。求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。組成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。下圖為本文直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的等效電路：圖1.1直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的等效電路假定主電路的電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)方程為：（3.1）忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)上的動(dòng)力學(xué)方程為：（3.2）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—包括電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；—電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量；—額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，；—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，；—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，。綜合整理得：（3.5）（3.6）式中—負(fù)載電流，。在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流的傳遞函數(shù)為：（3.7）則有電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖：圖1.2電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)為：（3.8）則有電流電動(dòng)勢間的結(jié)構(gòu)框圖：圖1.3電流電動(dòng)勢間的結(jié)構(gòu)框圖合并得到：圖1.4直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，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。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，分別得到IdL0和IdL=0時(shí)的變換圖，如圖3.5所示圖1.5直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換和簡化經(jīng)過變化和簡化可以得到直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：圖1.6直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖反饋控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：（3.9）其中，設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：二、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的八種仿真1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1．1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以按照理想的要求來控制電流，縮短啟動(dòng)制動(dòng)的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，在啟動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，希望保持電流為允許最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加速度加(減)速運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，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，二者實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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)器。1．2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：1.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)晶閘管三相橋全控整流的滯后時(shí)間常數(shù)，取。（2）電流環(huán)的反饋系數(shù)：，轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋系數(shù):.（3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算： 根據(jù)題目要求：，電流超調(diào)量很小，對(duì)抗擾指標(biāo)沒有具體要求，因此將電流環(huán)設(shè)計(jì)成典I型。用PI型電流調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)成典型系統(tǒng)時(shí)其傳遞函數(shù)為： ，電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去大的時(shí)間常數(shù)，因?yàn)槿?，得：其中，由于，由課本表3-1，取，其中，，所以有：，則：檢驗(yàn)電流環(huán)的近似條件:1）校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似條件：,可見，滿足小時(shí)間常數(shù)近似條件。2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢對(duì)電流環(huán)的影響的近似條件：，滿足條件。3）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。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為滿足設(shè)計(jì)要求。1.2.2、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)：（1）.確定時(shí)間常數(shù)：已知，由電流環(huán)設(shè)計(jì)可知，得轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：由于設(shè)計(jì)要求無靜差，又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：令，則。取5，得到相應(yīng)的參數(shù)如下:.（3）.校驗(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： 滿足條件 2）小時(shí)間常數(shù)近似條件： 滿足近似條件 1.2.3.要求指標(biāo)的再檢驗(yàn)：（1）轉(zhuǎn)速的超調(diào)：h=5,此時(shí)，滿足題目要求。（2）調(diào)節(jié)時(shí)間的檢驗(yàn)：當(dāng)h取5時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間為： 1.3Simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析1.3.1Matlab和Simulink簡介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。SIMULINK是MATLAB里的工具箱之一，主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析；SIMULINK提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方便，便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是：1)高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能,能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來;2)具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化;3)友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言,使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握;4)功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等),為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具.1.3.2電流環(huán)的MATLAB計(jì)算及仿真1）電流環(huán)的計(jì)算在電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中已寫出，不在重復(fù)。2）電流環(huán)的仿真：其中參數(shù)為：比例為1.022，積分為34.067圖1、電流環(huán)模型圖2、電流環(huán)的仿真波形圖3）波形分析：設(shè)計(jì)時(shí)考慮了反電動(dòng)勢的影響，可以得到更加真實(shí)的方針結(jié)果。由圖中可以看到，在電動(dòng)機(jī)的橫流升速階段，電流值低于，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢的影響，它是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，所以系統(tǒng)做不到無靜差，而是略低于。1.3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的MATLAB仿真圖3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型（有負(fù)載）圖4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形（有負(fù)載）圖5、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型（無負(fù)載）圖6、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形（無負(fù)載）1．3.4轉(zhuǎn)速環(huán)波形分析在1秒的時(shí)候加入幅值80階躍負(fù)載，可以看到電流逐漸增大，后逐漸到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)，而轉(zhuǎn)速開始降低，后又增加到原來的穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到原始穩(wěn)態(tài)值。由于采用的是誤差調(diào)節(jié)，因此穩(wěn)態(tài)無差?？蛰d時(shí)，穩(wěn)態(tài)電流為零；負(fù)載為80A時(shí)，穩(wěn)態(tài)電流等于負(fù)載電流。從電流的波形可以看出，電流達(dá)到了期望的快速啟動(dòng)的形狀。而轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間不大，在要求指標(biāo)范圍內(nèi)，性能較好?？关?fù)載擾動(dòng)能力也較好。二．開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真2.1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置電壓來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，叫開環(huán)調(diào)速系。由于VM系統(tǒng)的輸出電壓與觸發(fā)電壓成正比，轉(zhuǎn)速與輸出電壓成正比，因此可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如果對(duì)靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速。2.2開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖7、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型（無負(fù)載）圖8、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形（無負(fù)載）圖9、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型（有負(fù)載）圖10、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形（有負(fù)載）2.3開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的波形分析轉(zhuǎn)速大小與給定的電壓成正比，當(dāng)給定為10.22v時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000多轉(zhuǎn)，比電機(jī)額定的轉(zhuǎn)速高很多，與雙閉環(huán)相比，給定電壓要小的多，就能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。負(fù)載為80A時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速跟著下降，而且負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速降的越多，不能保持轉(zhuǎn)速為恒定值，即不能對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，只是粗略的調(diào)速，此類調(diào)速試用于風(fēng)機(jī)類等對(duì)轉(zhuǎn)速要求不高的生產(chǎn)過程。對(duì)電機(jī)的電流也沒有控制的作用。并且，電機(jī)的靜差率比較大。三．單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真3.1單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬的多的穩(wěn)態(tài)特性，從而保證一定靜差率的前提下，能夠提高調(diào)速范圍，但是須增加檢測和電壓放大器。其原理為:在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電樞電壓也增大，轉(zhuǎn)速只能老老實(shí)實(shí)的降下來；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了，通過比較和放大，提高晶閘管裝置的輸出電壓，使系統(tǒng)穩(wěn)定在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速又有所回升。閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨負(fù)載的變化相應(yīng)的改變整流電壓。單閉環(huán)有靜差就是控制器采用比例控制，比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。隨著比例系數(shù)Kp的增加，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的幅值增大，超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，同時(shí)會(huì)減少穩(wěn)態(tài)誤差，但是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。3.2單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖11、單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（有負(fù)載）圖12、單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（無負(fù)載）當(dāng)放大倍數(shù)為3時(shí)的波形：圖13、單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（有負(fù)載）圖14、單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（無負(fù)載）改變放大倍數(shù)為0.8時(shí)波形圖：圖15、單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（有負(fù)載）3.3單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形分析由波形圖可以看出，無論是空載還是帶有負(fù)載，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速都只與給定有關(guān)，仿真時(shí)給定為額定轉(zhuǎn)速1460轉(zhuǎn)，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速都接近于額定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的直接控制。但是，由于為有差調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速有一定的誤差，并且，放大倍數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間也越長，即穩(wěn)態(tài)性能提高的同時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差。放大倍數(shù)從3改變到0.8的波形圖的對(duì)比，很容易得到以上結(jié)論。因此，實(shí)際中，在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的前提下，可以減小放大倍數(shù)，提高動(dòng)態(tài)性能。四．單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真4.1單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理單閉環(huán)無靜差就是調(diào)節(jié)器中加有積分項(xiàng)，在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不但與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡單來說就是把偏差積累起來，一起算總賬。隨著積分時(shí)間常數(shù)Ti的增加，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量降低，系統(tǒng)響應(yīng)速度稍有變慢。積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。在頻域分析中，積分控制可以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。故可相應(yīng)增加開環(huán)增益，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。但純積分環(huán)節(jié)會(huì)帶來相角滯后，減少了系統(tǒng)相角裕度，通常不單獨(dú)使用。4.2單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上改變相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，得到單閉環(huán)無差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的仿真模型，采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)誤差控制。并且調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，觀察輸出波形，得到最佳的狀態(tài)。圖16、單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（有負(fù)載）圖17、單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（有負(fù)載）圖18、單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（無負(fù)載）圖19、單閉環(huán)無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（無負(fù)載）4.3單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形分析與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)相比，可以看出無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨調(diào)節(jié)器參數(shù)的改變而改變，始終跟隨給定。調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量要比有差調(diào)速稍微大些。滿足了對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的要求指標(biāo)。五．單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真5.1單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，不僅對(duì)電機(jī)不利，對(duì)過載能力低的晶閘管來說，更是不允許的。另外，生產(chǎn)中的電動(dòng)機(jī)會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況，由于電機(jī)的閉環(huán)特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，如果只依靠過流保護(hù)繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，會(huì)給正常工作帶來不便。為了實(shí)現(xiàn)截流反饋，在轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋中引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路的小阻值電阻，正比于電流。截止電流，當(dāng)時(shí)電流環(huán)起作用，當(dāng)時(shí)電流環(huán)不起作用。堵轉(zhuǎn)電流：。一般取截止電流堵轉(zhuǎn)電流本題中額定電流為136，取截止電流，堵轉(zhuǎn)電流，采樣電阻，由上述公式得，在仿真圖中階越輸入為16.98，仿真比較電壓。負(fù)載下圖為負(fù)載為200A，給定為10.22V時(shí)的波形圖。5.2單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖20、單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（無負(fù)載）圖21、單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（無負(fù)載）圖22、單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（有負(fù)載）圖23單閉環(huán)加電流截止之前和之后調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（有負(fù)載）5．3單閉環(huán)電流截止轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形分析由上圖可得，加電流截至負(fù)反饋以后，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，電流的超調(diào)量減小，并且調(diào)節(jié)時(shí)間減小，動(dòng)態(tài)性能明顯提高，由實(shí)際系統(tǒng)可知，加入電流截至負(fù)反饋以后，能夠防止電樞電流過大，起到了有效的保護(hù)電機(jī)的作用。同時(shí)，加入電流截至負(fù)反饋對(duì)與負(fù)載擾動(dòng)的抵抗也增強(qiáng)。六、單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真6.1單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的缺點(diǎn)：必須要有轉(zhuǎn)速檢測裝置，在模擬控制中就是使用測速發(fā)電機(jī)，安裝測速發(fā)電機(jī)時(shí)，必須使它的軸和主電動(dòng)機(jī)的軸嚴(yán)格同心，使它們能平穩(wěn)地同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，比較麻煩，維修較麻煩；此外，測速反饋信號(hào)中含有各種交流文波，給調(diào)試和運(yùn)行帶來麻煩。如果忽略電樞壓降，則直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端的電壓成正比，所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。在電壓負(fù)反饋中，作為反饋檢測元件的是一個(gè)起分壓作用的電位器，比測速發(fā)電機(jī)要簡單的多。電壓反饋信號(hào)，稱作電壓反饋系數(shù)。電壓負(fù)反饋把被反饋環(huán)包圍的整流裝置的內(nèi)阻等引起的穩(wěn)態(tài)速降減小到，由電樞電阻引起的速降仍和開環(huán)系統(tǒng)一樣。電壓負(fù)反饋實(shí)際上是一個(gè)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)。電壓反饋對(duì)于擾動(dòng)引起的速降無能為力。同樣對(duì)于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁引起的擾動(dòng)，電壓反饋也無法克服。因此，電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要大一些，穩(wěn)態(tài)性能要差一些。在實(shí)際的系統(tǒng)中，為盡可能減小靜態(tài)速降，電壓反饋的兩根引出線應(yīng)盡可能靠近電動(dòng)機(jī)的電樞兩端。6.2單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖24、單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（無負(fù)載）圖25、單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形圖（無負(fù)載）圖26、單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的模型（有負(fù)載）圖27、單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形（有負(fù)載）6.3單閉環(huán)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形分析由圖可見，電壓負(fù)反饋同樣可以起到對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速跟隨給定。當(dāng)使用有差調(diào)節(jié)時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以一定的精度跟隨給定轉(zhuǎn)速；當(dāng)使用誤差調(diào)節(jié)時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相等。帶負(fù)載時(shí)，與上述相同。需要指出的是，反饋電壓直接取自接在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，看似簡單，卻把主電路的高電壓和控制回路的低電壓串在一起了，從安全的角度來看是不合適的。對(duì)于小容量調(diào)速還可以將就，對(duì)于高容量、大電壓的系統(tǒng)，要在反饋回路中加入電壓隔離變換器。七、單閉環(huán)電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真7.1電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)固然可以省去一臺(tái)測速電機(jī)，但是由于它不能彌補(bǔ)電樞電壓降所造成的轉(zhuǎn)速降落，調(diào)速系統(tǒng)性能不如轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)。電流正反饋就是在電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上增加的措施，使系統(tǒng)性能能夠接近轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)的性能。具體是在主電路中串入取樣電阻，由取電流正反饋信號(hào)。串接時(shí)須使極性與轉(zhuǎn)速給定型號(hào)極性一致，而與電壓反饋信號(hào)極性相反。當(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)速降怎加時(shí)，電流正反饋信號(hào)也怎加，通過運(yùn)算放大器使晶閘管整流裝置控制電壓隨之增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速的降落。7.2電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖28電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)模型（無負(fù)載）圖29電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形（無負(fù)載）圖30電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)模型（有負(fù)載）圖31電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)波形（有負(fù)載）7.3電壓負(fù)反饋和帶電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形分析從上圖可以看出波形與電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的波形大致相同，但是電流正反饋和電壓負(fù)反饋是性質(zhì)完全不同的兩種控制作用。電壓負(fù)反饋是被調(diào)量的負(fù)反饋，具有反饋控制規(guī)律，在采用比例放大器時(shí)總是有靜差的。放大系數(shù)越大，靜差越小，但總是有。電流正反饋在調(diào)速系統(tǒng)中的作用卻不是這樣的，電流正反饋不屬于反饋控制，而是補(bǔ)償控制，是按負(fù)載擾動(dòng)的補(bǔ)償控制。其優(yōu)點(diǎn)在于提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。八、pwm直流調(diào)速系統(tǒng)仿真8.1pwm直流調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理采樣理論中的一個(gè)重要理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖家在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。這個(gè)原理成為面積原理，它是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。若將半個(gè)周期的正弦波分成N等份，就可以把正弦波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等為，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平的，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。若將上述脈沖換成同等數(shù)量的等幅值而不等寬的矩形脈沖代替，是矩形脈沖和相應(yīng)的正弦脈沖的面積相等，這就是PWM形。可以看出，其幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化，PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；（4）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；（5）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面主要闡述可逆PWM變換器的工作原理。8.2橋式可逆PWM變換器可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等多種類型，現(xiàn)在選用常用的H型變換器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計(jì)選用雙極式H型PWM型變換器。圖2.2繪出了雙極式H型PWM變換器的電路原理圖。圖32橋式ＰＷＭ變換器原理圖和同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓和為正；和同時(shí)導(dǎo)通，其驅(qū)動(dòng)電壓==-。其波形如下圖所示。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，和為正；晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)，和截止。加在AB兩端，=，電樞電流沿回路1流通。時(shí)，和為負(fù)，晶體管和截止；而和為正，但是，和并不能立即導(dǎo)通因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下，沿回路2經(jīng)和續(xù)流，這時(shí)，=-，在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間。由于電壓的正負(fù)變化使電流波形存在兩種情況，具體如上圖所示。相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這是平均負(fù)載電流大，在連續(xù)階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在第一象限的電動(dòng)狀態(tài)。相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是和c-e極兩端失去反壓，在負(fù)的電源電壓（－）和電樞反電動(dòng)勢的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。與此相仿，在期間，當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖33正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的輸出波形雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為：（2.14）以定義為PWM的占空比，則有（2.15）ρ的變化范圍為。當(dāng)ρ為正值時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；ρ為負(fù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；ρ＝0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。在ρ＝0時(shí)雖然電機(jī)不動(dòng)，電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流都不是零，而是交變的。這個(gè)交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機(jī)的損耗。8.3PWM變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型圖2.5繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動(dòng)電壓都由PWM控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T。圖34PWM變換器環(huán)節(jié)框圖根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器的輸出電壓要到下一個(gè)周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，它的延時(shí)最大不超過一個(gè)開關(guān)周期T。則，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（2.20）當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T=0.1ms，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此（2.21）Kp——脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)。8.4pwm直流調(diào)速系統(tǒng)仿真電氣原理圖（此為期中作業(yè)的一部分）圖35pwm直流調(diào)速系統(tǒng)仿真電氣原理圖8.5SG3524的功能及引腳(a)

SG3524引腳說明(b)

SG3524內(nèi)部框圖圖35SG3524的功能及引腳SG3524工作過程是這樣的：直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓。＋5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。振蕩器腳