控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真課程設(shè)計(jì)報(bào)告?zhèn)浞蓦p閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)仿真和實(shí)踐

1、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄摘要2一、 概 述2二、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 32.1 設(shè)計(jì)任務(wù)32.2 設(shè)計(jì)要求3三、 理論設(shè)計(jì) 43.1 方案論證 43.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 43.2.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)53.2.1.2 確定時(shí)間常數(shù)63.2.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)63.2.1.4 校驗(yàn)近似條件63.2.1.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容63.2.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 73.2.2.1 確定時(shí)間常數(shù)83.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)93.2.2.3 檢驗(yàn)近似條件93.2.2.4 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容93.2.2.5 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量93.2.3 電流變化率環(huán)設(shè)

2、計(jì) 10四、 系統(tǒng)建模及仿真實(shí)驗(yàn) 114.1 matlab 仿真軟件介紹 114.2 仿真建模及實(shí)驗(yàn) 114.2.1 單閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)124.2.2 雙閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)144.2.3 帶電流變化率反饋的三閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)164.2.4 仿真波形分析17五、 實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理195.1 系統(tǒng)組成及工作原理 195.2 設(shè)備及儀器 195.3 實(shí)驗(yàn)過程 205.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容205.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟20六、 總結(jié)與體會(huì) 21參考文獻(xiàn) 22. 摘 要從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個(gè)典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移

3、相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護(hù)電路等給定信號(hào)為010v直流信號(hào)，可對(duì)主電路輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。采用雙pi調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型i型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，用simulink做了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行校正，得出正確的仿真波形圖。本文還對(duì)實(shí)際中可能出現(xiàn)的各種干擾信號(hào)進(jìn)行了仿真，另外本文還介紹了實(shí)物驗(yàn)證的一些情況。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 干擾 一、 概 述 我們都知道，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來說

4、，閉環(huán)調(diào)速比開環(huán)調(diào)速具有更好的調(diào)速性能。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)又要比單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能和抗擾性能?；镜碾p環(huán)就是轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，相應(yīng)的要運(yùn)用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在v-m調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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。二者之間實(shí)行嵌套聯(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。從閉環(huán)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)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用pi調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件

5、下的最快起動(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)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。但是電流會(huì)有一定的超調(diào)，用matlab/simulink工具分析設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)。 二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，要求利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路。直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：l 額定功率1.1kw，額定電壓220v，額定電流6.7a，l 額定轉(zhuǎn)速 1500r/m，

6、=0.135vmin/r， l 允許過載倍數(shù)=1.5。l 晶閘管裝置放大系數(shù)：=57.4l 電樞電阻：ra=2.56l 電樞回路總電阻：r=4.5l 時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.1162s， 電磁時(shí)間常數(shù)=0.03sl 電流反饋系數(shù)：=0.05v/al 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v min/rl 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：=0.00225s，=0.00225sl 總飛輪力矩：gd=2.5n.ml h=62.2設(shè)計(jì)要求調(diào)速范圍d=10，靜差率s 5；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 i 5%,電流脈動(dòng)系數(shù)si 10；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 n 10。系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護(hù)。 觸發(fā)脈沖有

7、故障封鎖能力。 對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。三、理論設(shè)計(jì)3.1方案論證按照設(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)展設(shè)計(jì)原則（本課題設(shè)計(jì)先設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速外環(huán)）。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)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。然后在此基礎(chǔ)上加入電流變化率內(nèi)環(huán),這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，達(dá)到本課程設(shè)計(jì)的要求?，F(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經(jīng)過合理的簡(jiǎn)化處理，整個(gè)系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運(yùn)算放大器或數(shù)字式微處理器可以

8、精確地實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對(duì)這些典型系統(tǒng)作比較深人的研究，把它們的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性當(dāng)做預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指括的關(guān)系，寫成簡(jiǎn)單的公式或制成簡(jiǎn)明的圖表，則在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過程就要簡(jiǎn)便得多。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。3.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖3.1:圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 u*na uc-idlnud0un+-b +-uiwasr(s)wacr(s)ks tss+11/rtl

9、s+1rtmsu*iid1/ce+e3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一般來說包含：時(shí)間常數(shù)的確定、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算、近似條件的檢驗(yàn)和實(shí)際電路中電阻和電容的計(jì)算。本設(shè)計(jì)中考慮到電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了使它不影響到調(diào)節(jié)器的輸入，我們按要求在反饋通道中加了低通濾波器。為了平衡該調(diào)節(jié)器的延遲作用，我們又在電流調(diào)節(jié)器的前面加了一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，為的是將延遲抵消。3.2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)參閱參考文獻(xiàn)1的76、77頁，為了解決反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用的相互交叉，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，我們將系統(tǒng)的作用過程做一定的簡(jiǎn)化處理。首先我們可以得到，

10、對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)，因此，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即有。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，我們可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖3.2(a)所示。其條件是。 如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)變等效成單位負(fù)反饋，如圖3.2(b)所示。最后，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)為則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖3.2(c)。簡(jiǎn)化的近似條件為。acr(a) 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響acr(b) 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) acr(c) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 圖

11、3.2 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)3.2.1.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，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(duì)象是雙慣性型的，因此可用pi電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： = （3-1）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： （3-2）符合典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，并且各項(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的。3.2.1.3確定時(shí)間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。按書表1-2，三相電路的平均失控時(shí)間：=0.0017s （3-3）(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)。g :=0.00225s （3-4）(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，取為：g:=+=0.00395s (3-5）

12、 3.2.1.4計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=0.16s （3-6）電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應(yīng)取=0.5，因此：g:= 126.582 （3-7）于是，acr的比例系統(tǒng)為： 需要改 gg: =0.299 gg:r電樞回路總電阻已知 4.5gg:ks 放大系數(shù)已知 57.4gg:被他電流反饋系統(tǒng):=給定最大電壓/電樞回路最大電流=10/1.5*6.7=0.995 （3-8）3.2.1.5校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率： gg:=126.582 （3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： 196.1 （3-10）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的近似條件為： （3-11）

13、電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：需要改 （3-12）其中toi=0.00225=170.4s3.2.1.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運(yùn)算放大器取得。各電容和電阻值為：更改 acr比例系數(shù) ki=0.299 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)ti=0.16s濾波時(shí)間常數(shù)toi=0.00225s、 （3-13） ri=40k gg:計(jì)算得：=134 k （3-14） gg: =4uf （3-15） gg: =67uf （3-16）按照上面計(jì)算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5%,滿足課題所給要求。3.2.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)類似電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程，其詳細(xì)過程參閱文

14、獻(xiàn)1的第80頁到83頁，以下僅給出轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)及傳遞函數(shù)。 如圖3.3(a)，即為未經(jīng)化簡(jiǎn)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。和電流環(huán)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 =+則轉(zhuǎn)速換結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化成圖3.3(b)所示。校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3(c)所示。asr(a) 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)asr (b) 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理(c) 校正后成為典型型系統(tǒng) 圖 3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化3.2.2.1 確定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取=0.

15、5，則：gg: 0.0067改為 0.00395s （3-15）等于 0.0079(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，取：=0.005s （3-16） (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，?。篻g： （3-17）等于 0.0129 3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-18） 3.2.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為：gg: （3-19）0.0184為0.0129等于 0.0645 并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： gg: 0.0184改為 0.0129等于 500

16、.77（3-20）則可得asr的比例系數(shù)為： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：10/1500=0.0067 ce=0.135 gg:ce b=0.995tm=0.1162r 4.5t 0.0129等于 23.410 （3-21）3.2.2.4 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為： （3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為： （3-23）gg:t是0.00395等于 179.01轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： 32-24）gg:t是0.00225等于237.193.2.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運(yùn)算放大器取=40。各電容和電阻值為： （3-25） （3-26）gg:kn=23.410等于 rn=936.4k

17、cn=0.9823.2.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=4時(shí)，由書可以查得：=77.5%，這并不能滿足課題所給要求。實(shí)際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，asr已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按asr退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。如下： （3-27）gg：查表得 cmax/cb=81.2%過載倍數(shù)r=1.5z=0空載啟動(dòng)tm=0.1162tn=0.0129n*=1500nn=6.7*4.5/1500等于4.0289%滿足課題所給要求。四、系統(tǒng)建模及仿真實(shí)驗(yàn)4.1matlab 仿真軟件介紹。在matlab進(jìn)入市場(chǎng)前，國(guó)際上的許多軟件包都是直接以fortranc語言等編程

18、語言開發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄，接口簡(jiǎn)陋，程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(biāo)準(zhǔn)的基庫(kù)，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。matlab的出現(xiàn)，為各國(guó)科學(xué)家開發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。在matlab問世不久的80年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在matlab上重建。 mathworks公司1993年推出了matlab 4。0版，1995年推出4。2c版（for win3。x）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。matlab 5。x較matlab 4。x無論是界面還是內(nèi)容都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，其幫助信息采用超文本格式和pdf格式，在netscape 3。0或ie 4。0及以上

19、版本，acrobat reader中可以方便地瀏覽。時(shí)至今日，經(jīng)過mathworks公司的不斷完善，matlab已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大大大型軟件。在國(guó)外，matlab已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，matlab已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動(dòng)控制理論，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理，時(shí)間序列分析，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，matlab被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題。在國(guó)內(nèi)，特別是工程界，matlab一定會(huì)盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個(gè)學(xué)科，都能在matlab里找到合適的功能。

20、 4.2仿真建模及實(shí)驗(yàn)matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrixlaboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。 matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似,故用matlab來解算問題要比用c,fortran等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多. 當(dāng)前流行的matlab 5.3/simulink 3.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(toolbox).工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包.功能工具包用來擴(kuò)充matlab的符號(hào)計(jì)算,可視化建模仿真,文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能.學(xué)

21、科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包,控制工具包,信號(hào)處理工具包,通信工具包等都屬于此類. 開放性使matlab廣受用戶歡迎.除內(nèi)部函數(shù)外,所有matlab主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶通過對(duì)源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包. 4.2.1雙閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)為了實(shí)現(xiàn)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，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，如圖4.1所示。asr-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr-電流調(diào)節(jié)器 tg-測(cè)速發(fā)電機(jī) ta-電流互感器 upe-電力電子變換器圖4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.4中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的

22、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。從閉環(huán)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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4.2所示： 圖4.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 u*na uc-idlnud0un+-b +-uiwasr(s)wacr(s)ks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e用matlab的sumlink模塊搭建轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如 圖4.3所示。圖4.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型波形如圖4.4所

23、示： 圖4.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流波形經(jīng)過雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形對(duì)比可知：限幅值越大上升時(shí)間越小，限幅值越小上升時(shí)間越大；同時(shí)值越大，超調(diào)越??；值越小，超調(diào)越大。在符合設(shè)計(jì)要求的情況下，經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表4.2和圖4.13所示：由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用pi調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于p調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，pi調(diào)節(jié)器它的輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。4.2.2雙閉環(huán)在擾動(dòng)作用下的仿真實(shí)驗(yàn)（1）電網(wǎng)電壓干擾作用下的雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)用一個(gè)占空

24、比為50%，幅值為10的矩形波信號(hào)加在電力電子變換器輸出端，使干擾信號(hào)為有用信號(hào)復(fù)制的5%-10%之間，觀察控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓干擾的抵抗作用。仿真模型圖如圖4.5所示。圖4.5帶電源電壓干擾的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 波形圖如圖4.6所示：由圖形可見，轉(zhuǎn)速和電流波形都有一定的畸變，而且，電流波形變形比較明顯，而轉(zhuǎn)速波形基本沒有變化，這是由于電流內(nèi)環(huán)對(duì)電壓的及時(shí)調(diào)節(jié)作用，減小了的電網(wǎng)電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，電壓、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)電壓干擾不能完全抑制。圖4.6帶電源電壓干擾的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形（2）反饋系數(shù)變化干擾作用下的雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn) 由于反饋環(huán)節(jié)的測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速精度的影響，轉(zhuǎn)

25、速反饋系數(shù)可能會(huì)因測(cè)速發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定而出現(xiàn)干擾，本仿真系統(tǒng)用一個(gè)隨機(jī)信號(hào)疊加在反饋環(huán)節(jié)上，用以模擬測(cè)速發(fā)電機(jī)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。圖4.7轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)干擾作用下的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型仿真波形如圖4.6所示，圖4.5轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)干擾作用下的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形由波形可見，電流出現(xiàn)的干擾很大，電機(jī)無法承受電流如此巨大的波動(dòng)，在實(shí)際電路中可能會(huì)造成電機(jī)燒毀，這說明轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)不能抑制轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)干擾。4.2.4仿真波形分析從圖4.12的波形中，我們分析可知其起動(dòng)過程可分三個(gè)階段來分析：第階段：電流上升階段。突加給定電壓un*后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制，使ua，ud，ud0都上升。

26、由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快。在這一階段中,asr由不飽和很快達(dá)到飽和,而acr不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，這是起動(dòng)過程中的重要階段。在這個(gè)階段，asr一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓ui*立即下降，主電流id也因而下降

27、。但在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá)到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開始在負(fù)載下減速，電流id也出現(xiàn)一段小于id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，asr和acr都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1). 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。 （2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2). 電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流

28、緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。五、實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)5.1 系統(tǒng)組成及工作原理三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器控制，由于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要參量是轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，而電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，可以及時(shí)抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。實(shí)際系統(tǒng)的組成如圖5.1所示 圖5.1 實(shí)物連接圖主電路采用三

29、相橋式全控整流電路供電。系統(tǒng)工作時(shí)，首先給電動(dòng)機(jī)加上額定勵(lì)磁，改變轉(zhuǎn)速給定電壓可方便地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器asr、電流調(diào)節(jié)器acr均設(shè)有限幅電路，asr的輸出作為acr的給定，利用asr的輸出限幅起限制啟動(dòng)電流的作用；acr的輸出作為觸發(fā)器gt的移相控制電壓，利用acr的輸出限幅ucm起限制電力電子變換器的最大輸出電壓的作用。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，asr立即達(dá)到飽和輸出*，使電動(dòng)機(jī)以限定的最大電流加速啟動(dòng)，直到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速并出現(xiàn)超調(diào)，使asr退出飽和，最后穩(wěn)定運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速上。5.2 設(shè)備及儀器djk01 電源控制屏（含“三相電源輸出”、“勵(lì)磁電源”等模塊）djk02三相變流橋路

30、（含“觸發(fā)電路”、“正橋功放”、“三相全控整流”模塊）djk04 電機(jī)調(diào)速控制（含“給定”、“電流調(diào)節(jié)器”、“速度變換”等模塊）djk08 可調(diào)電容dd03-2 電機(jī)導(dǎo)軌、測(cè)速發(fā)電機(jī)及轉(zhuǎn)速表（或dd03-3電機(jī)導(dǎo)軌、光碼盤測(cè)速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表） dj14 直流他勵(lì)電機(jī) 銘牌參數(shù)：額定功率0.185kw，額定電壓220v，額定電流1.2a，額定轉(zhuǎn)速 1600r/m，ce=0.113vmin/r， dk04 滑線變阻器（串聯(lián)形式0.65a/2k；并聯(lián)形式1.3a/500）慢掃描示波器萬用表5.3 實(shí)驗(yàn)過程5.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1理論設(shè)計(jì)：根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能，了解帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)v-

31、m調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，解決積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題；采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(含主電路和控制電路,選擇的元器件，系統(tǒng)的電氣原理圖)。 2仿真實(shí)踐：根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用matlab/simulink建立各個(gè)組成部分相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行校正，得出正確的仿真實(shí)驗(yàn)波形和合適控制器參數(shù)，為搭建實(shí)際系統(tǒng)提供參考。3動(dòng)手實(shí)踐：根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，完成單元電路安裝、系統(tǒng)組裝、單元及系統(tǒng)調(diào)試（可利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的某些掛件），得出實(shí)物實(shí)驗(yàn)波形和系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能5.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟1單元部件參數(shù)整和調(diào)試（1）觸發(fā)器整定。（2）調(diào)節(jié)器調(diào)零

32、。（3）調(diào)節(jié)器輸出限幅整定。2電流環(huán)調(diào)試（1）電流反饋極性的測(cè)定及過電流保護(hù)環(huán)節(jié)整定。（2）系統(tǒng)限流性能的檢查和電流反饋系數(shù)的測(cè)定。（3）電流環(huán)動(dòng)態(tài)特性的研究。 3. 轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)試（1）轉(zhuǎn)速反饋極性及轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的測(cè)定。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)特性的研究。4.系統(tǒng)靜特性的測(cè)定（1）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓及發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻,使,改變發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻,即可測(cè)出系統(tǒng)靜特性曲線。（2）降低給定電壓,分別測(cè)出n=1000r/min,n=500r/min時(shí)靜特性曲線。5.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)閉環(huán)控制系統(tǒng)n=f(ug)的測(cè)定調(diào)節(jié)ug及r，使id=ied、n= l500rpm，逐漸降低ug，記錄ug和n于表中，即可測(cè)出閉環(huán)控制n = f(ug)。表2 系統(tǒng)閉環(huán)控制特性n=f(u