轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且設(shè)計(jì)較為方便，是應(yīng)用非常廣泛的一種調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，二者之間實(shí)行嵌套。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)器均采用PI型調(diào)節(jié)器。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

2、是由晶閘管整流電路、直流電動(dòng)機(jī)、PI調(diào)節(jié)器和反饋環(huán)節(jié)這幾個(gè)主要組成部分構(gòu)成，為了建立雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，本文分析了各組成部分的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，最后由這幾個(gè)部分構(gòu)成完整的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。實(shí)際的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于分析，本文從工程設(shè)計(jì)上，將系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，對(duì)校正后的系統(tǒng)，從動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗擾性能。本文詳細(xì)的闡述了其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行歸納指出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。</p><

3、p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)好調(diào)節(jié)器的參數(shù)，本文詳細(xì)的分析了調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)計(jì)過程，并通過MATLAB進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能和抗擾性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 動(dòng)態(tài)模型 調(diào)節(jié)器 動(dòng)態(tài)性能 MATLAB仿真 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

4、　A double closed loop of speed loop and current loop DC speed regulation system has the advantages of simple structure, reliable work,and its design is more convenient, is a speed regulation system used widely. After dec

5、ades of development, structure of double closed-loop has been basically finalized, the current loop for inner loop, the speed loop for outer loop, the two loops are implement nested. Double closed loop DC speed regulatin

6、g system has two controllers, them are respectively adjusting</p><p>　　Double closed loop DC speed regulating system is composed of a thyristor rectification circuit, DC motor, PI controller and two feedback

7、 links these are several major components, in order to establish the dynamic mathematical model of double closed loop system, this paper analyzes the dynamic mathematical model of these components, these parts establish

8、a complete dynamic structure diagram for double closed loop speed regulation system finally. The actual dynamic system has complex structure, an</p><p>　　Design for double closed loop speed regulation system

9、 is key to design the parameters of the controller, this paper gives a detailed process of the parameters of the controller design, gives simulation through the MATLAB, validation is that dynamic performance and disturba

10、nce rejection performance of double closed loop DC speed regulation system are very good.</p><p>　　Key words: DC double loop dynamic model regulator dynamic performance MATLAB simulation</p><p&

11、gt;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型3</p><p>　　1.1 晶閘管觸發(fā)

12、整流裝置的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型3</p><p>　　1.1.1 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)3</p><p>　　1.1.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5</p><p>　　1.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型6</p><p>　　1.2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路及其傳遞函數(shù)6</p><p>

13、;　　1.2.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖7</p><p>　　1.3 比例放大及反饋環(huán)節(jié)的的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型8</p><p>　　2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)10</p><p>　　2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成10</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析11</p><

14、p>　　2.2.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖11</p><p>　　2.2.2 靜特性分析與參數(shù)計(jì)算12</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型14</p><p>　　2.4 控制對(duì)象的工程近似處理方法15</p><p>　　2.5 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器16</p>

15、<p>　　2.5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)17</p><p>　　2.5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)20</p><p>　　3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究24</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算24</p><p>　　3.2 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證27</p><p><b>　　致謝

16、30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　經(jīng)過三十多年的發(fā)展，直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)產(chǎn)生了重大的變化。首先是實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，晶閘管整流控制裝置已經(jīng)取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)

17、了第一次大的躍進(jìn)。其次，控制電路也發(fā)生了很大變化，實(shí)現(xiàn)了高度集成、小型化、高可靠性及低成本。直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)也在大幅提高。直流調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸趨于成熟、完善。尤其是可逆脈寬調(diào)速的出現(xiàn)，使直流調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用更是如虎添翼，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中占有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　直流調(diào)速就是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作轉(zhuǎn)速的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過改變直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或

18、兩端電壓來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性,使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的速度發(fā)生變化?？梢愿淖兊膮?shù)有電樞回路總電阻和勵(lì)磁磁通量。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)性能和制動(dòng)性能都非常優(yōu)越，可以在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，這是交流電動(dòng)機(jī)不可比擬的。在軋鋼機(jī)、海洋鉆機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、金屬切削機(jī)床、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的控制系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年，交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展也很快，但是直流電機(jī)調(diào)速

19、系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比交流系統(tǒng)更加成熟。從反饋閉環(huán)控制的角度來看，直流調(diào)速系統(tǒng)是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的地位。</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和制造很容易，運(yùn)行和維護(hù)也很方便。直流電動(dòng)機(jī)由于有換相器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行和維護(hù)復(fù)雜，不過，近幾年無刷電機(jī)的出現(xiàn)，這些問題都得到了解決。交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)相比，調(diào)速性能上不如直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)性能

20、和制動(dòng)性能，可以在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速。調(diào)速性能的優(yōu)越性使得直流電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)上應(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過研究和發(fā)展，逐漸成熟，發(fā)展為雙閉環(huán)直流調(diào)速的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在基本采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)作為直流調(diào)速控制系統(tǒng)，因此對(duì)于從事電氣控制和設(shè)計(jì)的科技工作者來說，研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，既能在實(shí)際中得到運(yùn)用，也能對(duì)自己的設(shè)計(jì)帶來新的解決方法，這就是本課題研究的目的和意義。</p>&

21、lt;p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)按電流在電樞中是否可逆和不可逆，可將調(diào)速系統(tǒng)分為可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)主要在主電路上有區(qū)別，按控制性能的要求加以選擇運(yùn)用。不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)是可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，重點(diǎn)研究不可逆調(diào)速系統(tǒng)，分析其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和控制規(guī)律，也是本課題研究的目的。</p><p>　　雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)在興起于上世紀(jì)七十年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，

22、在二十一世紀(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化與智能化。我國在直流調(diào)速產(chǎn)品的研發(fā)上取得了一定的成就，但和國外的產(chǎn)品相比仍有很大差距。直流調(diào)速器的出現(xiàn)使得直流調(diào)速的應(yīng)用更加靈活，操作更加簡(jiǎn)單，調(diào)速性能更優(yōu)越。</p><p>　　雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)是可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本課題主要研究不可直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。從工業(yè)生產(chǎn)上來說，對(duì)于給定的直流電機(jī)，工作參數(shù)已經(jīng)固定，要實(shí)現(xiàn)符合生產(chǎn)要求的調(diào)速性能，關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)

23、節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。本課題也系統(tǒng)闡述轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，由于現(xiàn)在的直流調(diào)速器采用的基本是PI型調(diào)節(jié)器，因此本課題從貼近生產(chǎn)實(shí)踐角度出發(fā)，主要討論P(yáng)I型調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其控制規(guī)律。本課題還研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立，只有建立數(shù)學(xué)模型之后才能夠根據(jù)技術(shù)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，計(jì)算ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。利用MATLAB軟件對(duì)建立的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的

24、要求。</p><p><b>　　1 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器、晶閘管整流器、直流電機(jī)、反饋環(huán)節(jié)和保護(hù)電路這幾個(gè)部分組成，同過運(yùn)用自動(dòng)控制原理和各個(gè)部分所滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系，將物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到數(shù)學(xué)模型。本章主要討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入-輸出關(guān)系來建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的過程。</p><p>　

25、　1.1 晶閘管觸發(fā)整流裝置的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　本課題研究的是晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，因此只對(duì)晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，具體分析如下面詳述。</p><p>　　圖1-1繪出了晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)）的原理圖，VT為晶閘管整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來改變觸發(fā)發(fā)脈沖的相位角，進(jìn)而改變整流器的平均輸出直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)

26、速。</p><p>　　圖1-1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　在理想情況下，和之間呈線性關(guān)系：</p><p>　　式(1-1)中—控制電壓；</p><p><b>　　—平均整流電壓；

27、</b></p><p>　　—晶閘管整流器放大系數(shù)。 </p><p>　　1.1.1 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)</p><p>　　在動(dòng)態(tài)過程中可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。這點(diǎn)可以從晶閘管的特點(diǎn)看出，晶閘管一旦導(dǎo)通后其控制電壓的變化在該

28、器件關(guān)斷之前就不再起作用，必須要等到下一個(gè)自然換相點(diǎn)以后，在控制電壓所對(duì)應(yīng)的下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。</p><p>　　下面以單相橋式全控整流電路（見圖1-2）為例來討論上述滯后作用及滯后時(shí)間的大小。</p><p>　　圖1-2 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間</p><p>　　整流裝置通常是帶反

29、電動(dòng)勢(shì)負(fù)載且串接平波電抗器的，當(dāng)電感和負(fù)載都足夠大時(shí)，整流電流是連續(xù)的。假設(shè)在時(shí)刻某一對(duì)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)延遲角為。如果控制電壓在時(shí)刻發(fā)生變化，由突降到，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，的變化對(duì)它已不起作用。要等過了自然換相點(diǎn)時(shí)刻以后，才能把正在承受正電壓的另一對(duì)晶閘管導(dǎo)通，如圖1-2中時(shí)刻。從發(fā)生變化的時(shí)刻到響應(yīng)的時(shí)刻之間，便有一段失控時(shí)間。由于發(fā)生變化時(shí)刻具有不確定性，故失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值[1]。</p><p>

30、　　最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器類型有關(guān)：</p><p>　　在實(shí)際計(jì)算中一般采用平均失控時(shí)間 。如果按最嚴(yán)重情況考慮，則取。</p><p>　　對(duì)于三相橋式整流電路，，，根據(jù) ，則有：最大失控時(shí)間，平均失控時(shí)間。</p><p>　　用單位階躍函數(shù)表示滯后特性，于是晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入

31、-輸出關(guān)系為</p><p>　　利用拉普拉斯變換的位移定理，則晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為</p><p>　　將式按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得</p><p>　　考慮到很小，在工程上一般作近似處理，將高次項(xiàng)忽略，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)，則傳遞函數(shù)可表示為</p><p>　　式是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)所采用的晶閘管觸發(fā)與整流的傳遞函數(shù)，

32、這樣的近似處理，不僅使傳遞函數(shù)的形式簡(jiǎn)單，而且在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正時(shí)，近似的傳遞函數(shù)便于將系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，這樣近似處理后最終所設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足工程的要求[2]。</p><p>　　1.1.2 晶閘管觸發(fā)和整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)，畫出對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-3所示。</p><p>　　a）準(zhǔn)

33、確的時(shí)間滯后環(huán)節(jié) </p><p>　　b）近似的一階慣性環(huán)節(jié)</p><p>　　圖1-3 晶閘管觸發(fā)和整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由此可見，在電流連續(xù)的情況下可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作一階慣性環(huán)節(jié)來處理，從而能應(yīng)用線性控制理論來進(jìn)行分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便實(shí)用的調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可根據(jù)晶閘管整流器的特性來解決具體問題。

34、</p><p>　　1.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　1.2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路及其傳遞函數(shù) </p><p>　　本課題研究的電動(dòng)機(jī)對(duì)象為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的分析，就必須建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路繪于圖1-4，規(guī)定的正方向如圖1-4所示。</p>&

35、lt;p>　　圖1-4 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路 </p><p>　　假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為</p><p>　　式中—電樞回路總電阻；</p><p>　　—電樞回路總電感。 </p><p>　　其中，電樞回路總電阻包括電力電子變換器內(nèi)阻、電樞電阻和可能在主電路中接入的其他電阻；同樣，電樞回路

36、總電感包括電樞電感和可能在主電路中接入的其他電感。</p><p>　　忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為</p><p>　　額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：</p><p>　　式中—包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；</p><p>　　—電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量 ( N·

37、;m2 ) ；</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù) ( N·m/A)；</p><p>　　再定義下面兩個(gè)時(shí)間常數(shù)：</p><p>　　—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)( s )， ；</p><p>　　—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)( s )， 。</p><p><

38、b>　　整理后得</b></p><p>　　式（1-12)中為負(fù)載電流（A）， 。</p><p>　　在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉普拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)</p><p>　　電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)如式1-14。</p><p>　　1.2.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖<

39、/p><p>　　根據(jù)式和式所表示的傳遞函數(shù)，可以畫出對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-5-a)和1-5-b)所示。將兩圖合在一起，考慮到 ，即得額定勵(lì)磁下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-5-c)所示。</p><p>　　由圖1-5-c)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，是控制輸入量；另一個(gè)是負(fù)載電流，是擾動(dòng)輸入量。</p><p>　　如果不

40、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，得圖1-6。</p><p>　　由圖1-6可以看出，加在電機(jī)兩端的電壓為輸入量，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為輸出量，于是額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)表示機(jī)電慣性，時(shí)間常</p><p><b>　　數(shù)表示電磁慣性。</b></p><p>　　a）電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 &

41、lt;/p><p>　　b）電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　c）直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1-5 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖1-6 直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換</p><p>　　1.3 比例放大及反饋環(huán)節(jié)的的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><

42、;p>　　在雙閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中（見圖2-1），還有比例放大器、測(cè)速反饋環(huán)節(jié)和電流反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此，它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大倍數(shù)，即</p><p>　　放大器： </p><p><b>　　測(cè)速反饋： </b></p><p><b>　　電流反饋：

43、 </b></p><p>　　式（1-16）和式（1-17）中分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。</p><p>　　2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　第一章論述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，從輸入輸出關(guān)系上建立了各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。本章的主要內(nèi)容就的是結(jié)合各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)來建立完整的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

44、的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。從完整的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上來設(shè)計(jì)符合技術(shù)要求的調(diào)節(jié)器參數(shù)。在控制系統(tǒng)中常將系統(tǒng)校正成典型Ⅰ型和典型Ⅱ系統(tǒng)，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是按照這兩種典型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)數(shù)的，本章將論述這種方法在工程中的應(yīng)用，最后通過仿真來進(jìn)行驗(yàn)證參數(shù)是否合理。</p><p>　　2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律，既能消除穩(wěn)態(tài)誤差，也能快速響應(yīng)。

45、但是，在實(shí)際的生產(chǎn)中，要求電機(jī)能快速起動(dòng)，如果僅用一個(gè)速度調(diào)節(jié)器，在起動(dòng)時(shí)，突加給定電壓，由于慣性作用，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓為零，這樣，偏差電壓達(dá)到最大，使得電樞電壓立即達(dá)到最大值，這會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過電流，這是不允許的。所以為了限制電樞過電流，在控制系統(tǒng)中引入了電流調(diào)節(jié)器。引入電流調(diào)節(jié)器之后，電動(dòng)機(jī)就會(huì)顯示出良好的起動(dòng)性能，稱為時(shí)間最優(yōu)過度過程[4]。</p><p>　　在起動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，電

46、流始終保持（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，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。這類理想的起動(dòng)（制動(dòng)）過程如圖2-1所示，起動(dòng)過程電流呈矩形波，轉(zhuǎn)矩為恒定的最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)（制動(dòng)）過程[1]。 </p><p>　　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

47、以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。在起動(dòng)過程中，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，電流負(fù)反饋不發(fā)揮作用，它們只能分別在不同的階段里起作用。兩者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）連接，如圖2-2所示。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。從結(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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速

48、和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖2-1 時(shí)間最優(yōu)的理想過渡過程</p><p>　　圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　在圖2-2中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器均采用PI型。TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)。TA為電流互感器，UPE為電力電子變器，為轉(zhuǎn)速給定電壓，為電流給定電壓，由工作條件來給定。為轉(zhuǎn)速反饋電

49、壓，為電流反饋電壓。</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析</p><p>　　2.2.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖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ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中帶限幅的輸

50、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</p><p>　　量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入使調(diào)節(jié)器退出飽和。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)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。</p><p>　　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</p><p>　　2.2.2 靜特性分析與參數(shù)計(jì)算</p>

51、<p>　　對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài)。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</b></p><p>　　此時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。因此</p><p><b>　　由第一個(gè)關(guān)系式可得</b></p>&

52、lt;p>　　從而得到如圖2-4所示靜特性的AB段。兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，，從關(guān)</p><p>　　系式可知：。AB段的靜特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，一般都是大于額定電流的[5]。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</b></p><p>　　ASR輸出達(dá)到限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)成開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再</p&g

53、t;<p>　　產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)</p><p>　　式中，最大電流是由設(shè)計(jì)者設(shè)定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。式所描述的是圖中的BC段，是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。</p><p>　　圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 </p>

54、<p>　　對(duì)于圖2-4中所表示出的靜特性的理解：在AB段，不能理解為負(fù)載從0到的變化過程中，轉(zhuǎn)速一直都是維持在而沒有變化。而應(yīng)該理解為，負(fù)載在每一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速相同，都為，直線AB是由一個(gè)一個(gè)的靜態(tài)工作點(diǎn)所組成。例如當(dāng)負(fù)載為，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速為，當(dāng)負(fù)載為，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為。</p><p>　　在BC段，不能理解為負(fù)載為時(shí)，轉(zhuǎn)速可以在0到之間任意變化。而應(yīng)該理解為，負(fù)載為時(shí)，對(duì)應(yīng)的靜

55、態(tài)工作點(diǎn)上的轉(zhuǎn)速可以不同。直線BC是由一個(gè)一個(gè)的靜態(tài)工作點(diǎn)所組成。例如，在負(fù)載為時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為；在另外一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的工作點(diǎn)處，轉(zhuǎn)速還可以在上穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　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)到時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出，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。這就是采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。</p

56、><p>　　從圖2-4還可以看出ASR調(diào)節(jié)器退出飽和的條件。當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時(shí)，，若負(fù)載電流減小，，使轉(zhuǎn)速上升，，，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和。</p><p><b>　?。?）穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系</p><p&g

57、t;　　上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于和。PI調(diào)節(jié)器，其飽和輸出為限幅值，而非飽和輸出的穩(wěn)態(tài)值取決于輸入量的積分，它最終將使控制對(duì)象的輸出達(dá)到其給定值，使PI調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)為零，否則PI調(diào)節(jié)器繼續(xù)積分，并未到達(dá)穩(wěn)態(tài)。</p><p>　　根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：</p><p>

58、;　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) </p><p>　　電流反饋系數(shù) </p><p>　　兩個(gè)給定電壓的最大值和由設(shè)計(jì)者選定。</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p>

59、<p>　　結(jié)合原理圖1-2及前面論述的各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1-5-b)和圖1-5-c)，就能確定雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[6]，如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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(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。</p><

60、;p>　　現(xiàn)在得到了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，利用控制理論的知識(shí)來分析這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能是否符合技術(shù)要求。顯然這是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在工程上，有兩種典型系統(tǒng)，即典型Ⅰ型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)[7]，可以將復(fù)雜的系統(tǒng)校正為這兩種典型系統(tǒng)。各項(xiàng)性能指標(biāo)就可以根據(jù)典型系統(tǒng)來得到。</p><p>　　2.4 控制對(duì)象的工程近似處理方法</p><p>　　下面討論幾種實(shí)際控制對(duì)象的工

61、程近似處理方法。</p><p>　?。?） 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　　考察一個(gè)有兩個(gè)高頻段小慣性環(huán)節(jié)的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　式中 、—小時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　它的頻率特性為</b></p><p>　　近似處理后的傳遞函數(shù)為

62、 ，其中，</p><p>　　式和式近似相等的條件為</p><p>　　在工程計(jì)算中，上面的近似條件可以寫成</p><p><b>　　也可以寫成</b></p><p>　?。?） 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)

63、 時(shí)，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié) 。現(xiàn)在來分析近似處理的條件。</p><p>　　這個(gè)大慣性環(huán)節(jié)的頻率特性為</p><p>　　近似成積分環(huán)節(jié)，其幅值應(yīng)近似為</p><p>　　近似條件為。按工程慣例，得</p><p>　　2.5 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器</p><p>　　

64、用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對(duì)象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)[8]。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖2-6,它與圖2-

65、5不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延遲，使二者在時(shí)間上得到配合，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。下圖為結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖2-6所示虛線框內(nèi)是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，在按動(dòng)態(tài)

66、性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響?？梢詴呵野逊措妱?dòng)勢(shì)的作用去掉，得到忽略反電動(dòng)勢(shì)影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖2-7-a)所示。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是</p><p>　　式中—電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2-7-b)所示。&l

67、t;/p><p>　　由于和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　根據(jù)式，簡(jiǎn)化的近似條件為</p><p>　　電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖2-7-c)。</p><p>　　在設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-

68、7-c)可以看出，采用典型Ⅰ型系統(tǒng)就夠了。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(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-7-c)表明，電流調(diào)節(jié)器的控制對(duì)象是兩個(gè)時(shí)間常數(shù)大小相差較大的雙慣性型的控制對(duì)象，要校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可

69、以寫成 </p><p>　　式（2-22）中為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　a）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 </p><p>　　b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)</p><p>　　c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理</p><p>　　圖2-7 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)</p>

70、<p>　　電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　因?yàn)椋赃x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)極點(diǎn)，以便校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)。</p><p>　　因此電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)校正為</p><p>　　式（2-24)中 </p><p>　　電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示，</p><p>　　

71、圖2-8 校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　一般情況下，希望電流超調(diào)量，可選，則</p><p>　　再根據(jù) 得到</p><p>　　如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式和式當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。此外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗擾性能指標(biāo)是否滿足[9]。</p>

72、<p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p>　　根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出</p><p>

73、　　2.5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可以將電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)處理，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)，下面先討論電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　由圖2-8，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為[7]</p><p>　　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</p><p&g

74、t;<b>　　降價(jià)近似條件為</b></p><p>　　式(2-32)中為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　可以看出，根據(jù)圖2-8，電流環(huán)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為式2-33所示。</p><p>　　電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，加快

75、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[10]。</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-6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)圖便如圖2-10-a)所示。</p><p>　　a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)</p><p>　　b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理</p><p>　　c）校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)

76、</p><p>　　圖2-10 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化</p><p>　　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)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為 和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)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</p><p>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化成圖2-10-b）。</p><p>　　為

77、了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動(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)成典型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[11]。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超

78、前時(shí)間常數(shù)。 </p><p>　　這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　不考慮負(fù)載擾動(dòng)，即令時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-16-c)。</p><p>　　

79、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</p><p>　　至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。無特殊要求時(shí)，一般可選擇h=5 為好[12]。 </p><p>　　含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖示于圖2-11，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。</p><p>　　與電流調(diào)節(jié)器相似

80、，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為</p><p>　　圖2-11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究</p><p>　　仿真對(duì)廣大科技工程技術(shù)工作者來說是重要的研究和設(shè)計(jì)方法。仿真不受空間、時(shí)間和物質(zhì)條件的限制，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果，可以通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的模型確定以后，參數(shù)的選擇是否合

81、理，能否達(dá)到期望的調(diào)節(jié)性能，都可以在仿真中得到解決[13]。</p><p><b>　　3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算</b></p><p>　　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，數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)： ， ；</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速：

82、 ；</p><p>　　電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)： ；</p><p>　　允許過載倍數(shù)： ；</p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)： ；</p><p>　　電樞回路總電阻：

83、 ；</p><p>　　時(shí)間常數(shù)： ， ；</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ；</p><p>　　電流反饋系數(shù)： ；<

84、/p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p><b>　　靜態(tài)指標(biāo)：無靜差</b></p><p>　　動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 ；</p><p>　　空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程具體如下：

85、采用先內(nèi)環(huán)，再外環(huán)的原則。</p><p><b>　　首先設(shè)計(jì)電流環(huán)：</b></p><p>　?。?） 確定時(shí)間常數(shù)</p><p>　?、僬餮b置滯后時(shí)間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時(shí)間。</p><p>　　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3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有=3.33ms，因此

86、取=2ms=0.002s。</p><p>　?、垭娏鳝h(huán)小時(shí)間常數(shù)之和：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，。</p><p>　　（2） 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，并保證電流穩(wěn)態(tài)無靜差，電流調(diào)節(jié)器選為PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 </p>

87、<p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： 。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求 時(shí)，取 ，因此</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　?。?） 電流環(huán)截止頻率： </p><p>　?、傩ｒ?yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p

88、><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　②校驗(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</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　?、坌ｒ?yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　滿足近似條件</b&

89、gt;</p><p>　?。?） 調(diào)節(jié)器電阻和電容計(jì)算</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-9所示，按所用放大器取 ，各電阻和電容值計(jì)算如下：</p><p><b>　　取40</b></p><p>　　取0.75 </p><p><b>

90、　　取0.2</b></p><p>　　電流環(huán)設(shè)計(jì)好之后，再來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)：</p><p><b>　　確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　?、匐娏鳝h(huán)等效時(shí)間常數(shù) 。已取 ，則</p><p>　　②轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。取 。</p><p&

91、gt;　　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，則</p><p><b>　　、</b></p><p>　?。?） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　（3） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 </p><p>　　按跟隨性能和抗擾性能都較好

92、的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　由式，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益</p><p>　　由式，ASR的比例系數(shù)為</p><p>　?。?） 檢驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件</p>

93、<p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　?、谵D(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　?。?） 調(diào)節(jié)器電阻和電容計(jì)算</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-11，取 ，則</p&

94、gt;<p><b>　　取</b></p><p><b>　　取0.2</b></p><p><b>　　取1</b></p><p>　　3.2 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證</p><p>　　系統(tǒng)的仿真圖見圖3-1，仿真圖的參數(shù)根據(jù)上面所設(shè)定好的值?？蛰d起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和

95、電流波形圖見圖3-2，在空載條件下，轉(zhuǎn)速上升階段，電流為恒定的最大值，隨后，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)，電樞電流立即降下來，穩(wěn)定時(shí)，電流幾乎為零，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值[14]。滿載起動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流波形圖見圖3-3，起動(dòng)時(shí)間比空載起動(dòng)時(shí)間稍長(zhǎng)，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，電流為額定電流[15]。階躍擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形見圖3-4，先使電機(jī)空載起動(dòng)，我穩(wěn)定運(yùn)行后，在1.5s時(shí)突加額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速略有下降，電流立即上升，在1.6s時(shí)轉(zhuǎn)速和電流都趨于穩(wěn)定。從仿真結(jié)果看，系

96、統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力和超調(diào)量符合要求，所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器合理。</p><p>　　圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　圖3-2 空載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速、電流波形圖</p><p>　　圖3-3 滿載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速、電流波形圖</p><p>　　圖3-4 階躍擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速、電流波形圖</p><p><

97、;b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過兩個(gè)月的努力,我的畢業(yè)論文最終交出了完美的答卷,在這兩個(gè)月的時(shí)間里,我收獲了很多。</p><p>　　論文的選題要有前沿性，要能夠跟上科學(xué)的發(fā)展，選題很關(guān)鍵。我從自己的研究興趣上考慮，選則了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究作為畢業(yè)論文的課題。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際的生產(chǎn)和生活中應(yīng)用的非常廣泛，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，理論和實(shí)踐知識(shí)

98、都很成熟。現(xiàn)在高性能的直流調(diào)節(jié)器在市場(chǎng)上很多，其基本原理就是雙閉環(huán)的原理，所采用的調(diào)節(jié)器現(xiàn)在已經(jīng)基本為PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　為了做好這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，除了在圖書館找資料外，還在網(wǎng)上找資料，網(wǎng)上找到的資料更加有全面。當(dāng)然，最多的是老師給的幫助，帶我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師是xx老師，xx老師給我提供了外文文獻(xiàn)，提供很多參考文獻(xiàn)，在格式的修改上給了我很大的幫助，感謝老師辛勤的指導(dǎo)。還有周圍的同學(xué)，他們給了我很大的幫

99、助，在軟件的應(yīng)用上給了精心的指導(dǎo)，感謝同學(xué)們的幫助。</p><p>　　這次畢業(yè)論文，通過自己的努力加上老師和同學(xué)的幫助，出色的完成了。盡管在題目上不夠新穎，但是論文的內(nèi)容接近實(shí)際，接近生產(chǎn)，對(duì)我自己以后從事調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是很有幫助的。只要認(rèn)真地做事，就能夠把事情做好。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1

100、] 陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.34-37.</p><p>　　[2] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,992.23-28. </p><p>　　[3] 阮毅，陳維鈞.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.44-49.</p><p>　　[4] 李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].

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