直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真

第7章直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真內容提要：本章主要通過轉速負反饋(單閉環(huán))直流調速系統(tǒng)和轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)以及兩個系統(tǒng)的MATLAB仿真，來介紹分析與設計仿真自動控制系統(tǒng)的一般方法(其中包括系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)框圖的建立、結構特點的分析、系統(tǒng)的自動調節(jié)過程、系統(tǒng)可能達到的技術性能和性能指標的計算)。晶閘管直流調速系統(tǒng)具有調速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，且已比較成熟，所以在機械、冶金、紡織、印刷、造紙等許多部門仍有不少的應用。下面主要通過典型的直流調速系統(tǒng)來介紹分析的方法。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!7.1轉速負反饋晶閘管直流調速系統(tǒng)

7.1.1系統(tǒng)的組成圖7-1-1具有轉速負反饋和電流截止負反饋環(huán)節(jié)的直流調速系統(tǒng)原理圖。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!由圖可見，該系統(tǒng)的控制對象是直流電動機M，被調量是電動機的轉速n，晶閘管觸發(fā)電路和整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，由運算放大器構成的比例調節(jié)器為電壓放大和電壓(綜合)比較環(huán)節(jié)，電位器RP1為給定元件，測速發(fā)電機TG與電位器RP2為轉速檢測元件，此外還有由取樣電阻RC、二極管VD和電位器RP3構成的電流截止負反饋環(huán)節(jié)。調速系統(tǒng)的組成框圖可參見圖7-1-2。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!當輸出電流較大、電流為連續(xù)時，其輸出特性近似為直線（如曲線b段所示）。而且線段比較平坦；這意味著整流裝置的電壓降較小，裝置的等效內阻也較小。圖7-1-4晶閘管整流裝置調節(jié)特性當輸出電流較小、電流為斷續(xù)時，其輸出特性變?yōu)楹芏傅那€（如曲線a段所示）。此線段較陡意味著電壓降落較大；等效內阻顯著增加。⑤由于晶閘管整流裝置的上述特性，使得晶閘管整流裝置供電的直流電動機的機械特性為上圖b所示。其中b段為電流連續(xù)時的特性，其特性較硬。a段為電流斷續(xù)時的特性，其特性很軟。這樣從總體上看，機械特性很軟，一般滿足不了對調速系統(tǒng)的要求，因此需要增設反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機械特性。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!若再考慮到控制電壓改變后，晶閘管要等到下一個周期開始后，導通角才會改變，因而會出現(xiàn)的延遲(三相橋式，單相全波)。這樣晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)為：若控制電壓＝10V時，對應輸出的平均電壓＝440V(采用440V直流電動機)，則K＝440V/10V＝44。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!4.轉速檢測環(huán)節(jié)(SpeedMeasurementElement)

轉速的檢測方式很多，有測速發(fā)電機、電磁感應傳感器、光電傳感器等。讀出量又分模擬量和數(shù)字量。此系統(tǒng)中，轉速反饋量需要的是模擬量，一般采用測速發(fā)電機。

測速發(fā)電機分直流和交流兩種。直流測速機又分永磁式（如CY型）和他激式（如ZCF型）。永磁式不需勵磁電源，使用方便，但要注意避免在劇烈震動和高溫的場合使用。使用久了，永久磁鐵會退磁，影響精度。他勵式，體積較小，為了保證其精度，應使其磁場盡可能工作在飽和狀態(tài)或采用穩(wěn)流電源勵磁。若調速系統(tǒng)采用直流測速發(fā)電機，其測速機分壓電位器的阻值不宜選得過大，過大則測速機電樞電流過小，碳刷接觸電阻影響增大，影響測速精度。但阻值也不宜選得過小，過小則電流過大，電樞反應和壓降均增加，也影響精度。所以一般按測速發(fā)電機以在最高電壓時，輸出電流為測速機額定電流的10%～20%來確定阻值。有的測速機上標有額定負載電阻的阻值。交流測速發(fā)電機結構與兩相步進電動機相近，其勵磁繞組通以50Hz（有的為400Hz）交流電，它的另一繞組輸出電壓也是交流電，所以還必須經(jīng)過解調或整流濾波，以轉換直流信號。一般來說，測速發(fā)電機的精度，不及磁電傳感器或光電傳感器的精度高，但磁電傳感和光電傳感輸出的功率很小，需要增加放大環(huán)節(jié)。另一方面，它們的輸出多為脈沖量，它對計算機控制較合適。若對模擬控制，則還需增加數(shù)模轉換（DAC）和濾波環(huán)節(jié)，這又會增加時間上的滯后，影響系統(tǒng)的快速性。測速反饋信號與轉速成正比，稱為轉速反饋系數(shù)。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!當時，（亦即），則二極管VD截止，電流截止負反饋不起作用。當時，（亦即），則二極管VD導通，[此處略去二極管的死區(qū)電壓]，電流截止負反饋環(huán)節(jié)起作用，它將使整流輸出電壓下降，使整流電流下降到允許最大電流。的數(shù)值稱為截止電流，以表示。調節(jié)電位器RP3即可整定，亦即整定的數(shù)值。一般取〔為額定電流〕。由于電流截止負反饋環(huán)節(jié)在正常工作狀況下不起作用，所以系統(tǒng)框圖上可以省去。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!7.1.3系統(tǒng)的自動調節(jié)過程1.轉速負反饋的自動調節(jié)過程當電動機的轉速n由于某種原因（例如機械負載

增加）而下降時，系統(tǒng)將同時存在著兩個調節(jié)過程：一個是電動機內部產(chǎn)生的以適應外界負載轉矩變化的自動調節(jié)過程，另一個則是由于轉速負反饋環(huán)節(jié)作用而使控制電路產(chǎn)生相應變化的自動調節(jié)過程。這兩個調節(jié)過程如圖7-1-6所示。；

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!2.電流截止負反饋環(huán)節(jié)的作用當電樞電流小于截止電流值時，電流負反饋不起作用。圖7-1-7調速系統(tǒng)的“挖土機”機械特性當電樞電流大于截止電流值時，電流負反饋信號電壓將加到放大器的輸入端，此時偏差電壓。當電流繼續(xù)增加時，使降低，降低，降低；從而限制電流過大的增加。這時，由于的下降，再加上的增大，由式可知，轉速將急驟下降，從而使機械特性出現(xiàn)很陡的下垂。如圖7-1-7的b段所示。在a段主要是負反饋起作用，特性較硬；在b段主要是電流截止負反饋起作用，使特性下垂（很軟）。這樣的特性有時稱為“挖土機特性”圖7-1-7調速系統(tǒng)的“挖土機”機械特性直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!7.1.4系統(tǒng)的性能分析1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

對直流電動機的框圖簡化后的傳遞函數(shù)，在第2章的例子中已經(jīng)給出：

代入圖7-1-5中，由圖可見，它是一個二階系統(tǒng)，已知二階系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。但若考慮到晶閘管有延遲，晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)便為[見式7-1]，晶閘管延遲的系統(tǒng)框圖如圖7-1-9a所示。由圖7-1-9可見，它實際上是一個三階系統(tǒng)。若增益過大，它可能成為不穩(wěn)定系統(tǒng)。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!a）圖7-1-9直流調速系統(tǒng)框圖的變換（變換成穩(wěn)態(tài)框圖）直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!調節(jié)器的傳遞函數(shù)，其中含有積分環(huán)節(jié)，加之PI調節(jié)器又位于擾動量作用點之前，因此該系統(tǒng)變?yōu)棰裥拖到y(tǒng)，對階躍信號為無靜差，即轉速降，靜差率。這里的，是一種理論上的數(shù)值，它是假設PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)增益為無窮大為前提的。事實上，由運放器構成的PI調節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時其增益即為運放器開環(huán)增益（穩(wěn)態(tài)時，反饋電容C相當開路）（）。若以此數(shù)值代入式（7-1-2），則。但設置PI調節(jié)器后，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,甚至造成不穩(wěn)定，這可通過增加PI調節(jié)器微分時間常數(shù)T和降低增益K來解決（亦即適當增大運放器反饋回路的電容C和減小反饋回路的電阻R來解決）。3.系統(tǒng)的動態(tài)性能分析

改善系統(tǒng)動態(tài)性能是在系統(tǒng)穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)誤差小于規(guī)定值的前提下進行的，這通常也是通過增加PI調節(jié)器的微分時間常數(shù)T和調整增益K來進行的。上面通過單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，介紹了分析自動控制系統(tǒng)的一般步驟與方法，下面將通過實例分析介紹讀解實際線路的一般步驟與方法。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!7.3.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖如圖7-3-1所示。系統(tǒng)的組成框圖如圖7-3-2所示。圖7-3-1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖由圖可見，該系統(tǒng)有兩個反饋回路，構成兩個閉環(huán)回路，（故稱雙閉環(huán)）。其中一個是由電流調節(jié)器ACR和電流檢測-反饋環(huán)節(jié)構成的電流環(huán)，另一個是由速度調節(jié)器ASR和轉速檢測-反饋環(huán)節(jié)構成的速度環(huán)。由于速度環(huán)包圍電流環(huán)，因此稱電流環(huán)為內環(huán)（又稱副環(huán)），稱速度環(huán)為外環(huán)（又稱主環(huán)）。在電路中，ASR和ACR實行串級聯(lián)接，即由ASR去“驅動”ACR，再由ACR去“控制”觸發(fā)電路。圖中速度調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR均為比例加積分（PI）調節(jié)，其輸入和輸出均設有限幅電路。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!此外，ASR和ACR均有輸入和輸出限幅電路。輸入限幅主要是為保護運放器。ASR的輸出限幅值為，它主要限制最大電流（分析見下面）。ACR的輸出限幅值為，它主要限制晶閘管整流裝置的最大輸出電壓。圖7-3-2轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)組成框圖直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!7.3.3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理和自動調節(jié)過程在討論工作原理時，為簡化起見，運放器的輸入端將“看作”正相端輸入。

圖7-3-3轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)框圖直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!①自動限制最大電流。由于ACR有輸出限幅，限幅值為，這樣電流的最大值便為，當時，電流環(huán)將使電流降下來。由上式可見，整定電流反饋系數(shù)（調節(jié)點位器）或整定ASR的限幅，即可整定的數(shù)值。一般整定（額定電流）。②能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響。當電網(wǎng)電壓波動而引起電流波動時，通過電流調節(jié)器ACR的調節(jié)作用，使電流很快回復原值。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動對轉速的影響幾乎看不出來（在僅有轉速環(huán)的單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動后，要通過轉速的變化，并進而由轉速環(huán)來進行調節(jié)，這樣調節(jié)過程慢得多，速降也大）。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!7.3.4系統(tǒng)性能分析1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析

(1)自動調速系統(tǒng)要實現(xiàn)無靜差，就必須在擾動量（如負載轉矩變化或電網(wǎng)電壓波動）作用點前，設置積分環(huán)節(jié)。由圖7-3-3可見，在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，雖然在負載擾動量TL作用點前的電流調節(jié)器為PI調節(jié)器，其中含有積分環(huán)節(jié)，但它被電流負反饋回環(huán)所包圍后，電流環(huán)的等效的閉環(huán)傳遞函數(shù)中，便不再含有積分環(huán)節(jié)了，所以速度調節(jié)器還必須采用PI調節(jié)器，以使系統(tǒng)對階躍給定信號實現(xiàn)無靜差。(2)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的機械特性

由于ASR為PI調節(jié)器，系統(tǒng)為無靜差，穩(wěn)態(tài)誤差很小，一般講來，大多能滿足生產(chǎn)上的要求。其機械特性近似為一水平直線，如圖7-3-7a段所示。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!2系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析(1)電流環(huán)分析直流電動機的等效傳遞函數(shù)為一個二階系統(tǒng)（見7.1.4分析），如今串接一個電流（PI）調節(jié)器，這樣電流環(huán)便是一個三階系統(tǒng)，若計及晶閘管延遲或調節(jié)器輸入處的R、C濾波環(huán)節(jié)(它相當一個小慣性環(huán)節(jié))，那便成了四階系統(tǒng)。這時，倘若電動機的機電時間常數(shù)較大，再加上電流調節(jié)器參數(shù)整定不當，則有可能形成振蕩(這在系統(tǒng)調試時，是常遇到的)，這時可采取措施有：

①增加電流調節(jié)器的微分時間常數(shù)Ti(RiCi)，主要是適當增大電容Ci，因微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。②降低電流調節(jié)器的增益Ki(Ri/R0)主要是減小Ri[通常，減小增益，有利系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當然會使快速性差些。

③在電流調節(jié)器反饋回路(Ri、Ci)兩端再并聯(lián)一個1～2ΜΩ的電阻(R2)。此時電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為（這里直接給定，請參考有關資料）

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!3．系統(tǒng)的動態(tài)性能分析由于轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是一個四階系統(tǒng)，因此，它的動態(tài)性能（主要是最大超調量）往往達不到預期要求，針對這種情況，可以采取的措施有：(1)調節(jié)速度調節(jié)器參數(shù)可適當降低Kn(即使Rn↓)，以使最大超調量()減小，但調整時間ts將會有所增加。（2）增設轉速微分負反饋環(huán)節(jié)(DerivativeNegativeFeedback)微分負反饋環(huán)節(jié)就是反饋量通過電容器C再反饋到控制端；這種反饋的特點是只在動態(tài)時起作用（穩(wěn)態(tài)時不起作用）。這時因為通過電容器C的電流穩(wěn)態(tài)時，（電容相當于斷路），這時微分負反饋環(huán)節(jié)將使減小，使轉速的最大超調量減小。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!7.4用MATLAB仿真單閉環(huán)調速系統(tǒng)

前面我們已經(jīng)用MATLAB對解決了控制原理中的各種問題。在此，將對簡單閉環(huán)控制的調速系統(tǒng)，再應用作者編寫的程序，進行PI校正設計，并驗算設計后系統(tǒng)的時域與頻域性能指標是否滿足要求。請看以下示例。例7-4-1已知晶閘管—直流電機單閉環(huán)調速系統(tǒng)(V—M系統(tǒng))的Simulink動態(tài)結構如圖7-4-1所示(Simulink是MATLAB的有關控制系統(tǒng)一個工具箱，可參考有關文獻)。在圖7-4-1圖7-4-1晶閘管—直流電機單閉環(huán)調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖中，電機參數(shù)：,，,,電機電樞電阻,V-M系統(tǒng)主電路總電阻,電樞主回路總電感L=40mH,拖動系統(tǒng)運動部分飛輪矩,整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù),三相橋平均失控時間(1)要求系統(tǒng)調速范圍D=15,靜差率S=5%,求閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K;(2)若時，,求拖動系統(tǒng)測速反饋系數(shù)；(3)計算比例調節(jié)器的放大系數(shù)；(4)試問系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行?其臨界開環(huán)放大系數(shù)為多少?(5)試繪制出比例調節(jié)器與系統(tǒng)的單位給定階躍響應曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。(6)以相角穩(wěn)定裕度γ=45°為校正主要指標對系統(tǒng)進行滯后校正；(7)以剪切頻率為校正主要指標對系統(tǒng)進行滯后校正：(8)用根軌跡校正器對系統(tǒng)進行滯后校正。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!

③開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降symsInomRCedeltanop;Inom=12.5;R=2.9;Ce=0.1383;deltanop=Inom*R/Ce程序運行結果deltanop=262.1114即開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降④根據(jù)自動控制理論有symsdeltanopdeltanc1K;>>deltanop=262.1114;>>deltanc1=5.2632;>>K=deltanop/deltanc1-1程序運行結果K=48.8008直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!(3)計算比例調節(jié)器的放大系數(shù)。根據(jù)自動控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K、測速反饋系數(shù)、電機電動勢轉速比與放大系數(shù)之間滿足關系式：symsKKpKsCealpha;K=48.8008;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;Kp=(K*Ce)/(Ks*alpha)程序運行結果Kp=23.5984即Kp=23.5984(4)計算參數(shù)與①電樞回路電磁時間常數(shù)。symsLRTa;L=40e-3;R=2.9;Ta=L/R程序運行結果Ta=0.0138即電樞回路電磁時間常數(shù)Ta=0.0138s②系統(tǒng)運動部分飛輪矩相應的機電時間常數(shù)symsGDpfRCeCmTm;GDpf=1.5;R=2.9;Ce=0.1383;Cm=Ce*30/pi;Tm=GDpf*R/(375*Ce*Cm)程序運行結果Tm=0.0635即飛輪矩相應的機電時間常數(shù)直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!(7)求系統(tǒng)閉環(huán)特征根以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。[a,b,c,d]=linmod('l743');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sysl=zpk(s1);P=sys.den{1};roots(P)程序運行結果ans=1.0e+002*-6.79440.0409+2.2377i0.0409-2.2377i即系統(tǒng)閉環(huán)特征根有兩個根的實部為正，說明系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。(8)繪制出比例調節(jié)器與系統(tǒng)的單位給定階躍響應曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。①比例調節(jié)器時，求閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。根據(jù)，有直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!(9)分別以相角穩(wěn)定裕度與剪切頻率為校正主要指標對系統(tǒng)進行滯后校正。模型p743.mdl即圖7-4-3的開環(huán)模型為p743A.mdl,以下程序要用到它。①調用自編函數(shù)lagc()設計PI校正器。（見附錄自編函數(shù)）直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!

②驗算設計的校正器的校正效果。(A)對以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的校正器為[a,b,c,d]=linmod('l743A')s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);gama=48;[Gc]=lagc(1,s2,[gama])sys=s2*Gc;margin(sys);從圖7-4-6可以看出，校正后系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度達到預期目的。(B)對以剪切頻率為校正主要指標的滯后校正器為[a,b,c,d]=linmod('l743A')s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);wc=35;[Gc]=lagc(2,s2,[wc])sys=s2*Gc;margin(sys);程序方式下運行程序，繪制出系統(tǒng)的Bode圖如圖7-4-7所示。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!例7-5-1帶轉速微分負反饋的晶閘管一直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))的系統(tǒng)結構如圖7-5-1所示。圖7-5-1中，電機參數(shù)：,,電機電樞電阻,整流裝置內阻,平波電抗器電阻,V-M系統(tǒng)主電路總電阻,電樞主回路總電感L=200mH,拖動系統(tǒng)運動部分飛輪矩,整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù),三相橋平均失控時間,(1)要求系統(tǒng)調速范圍D=20,靜差率s=10%,堵轉(最大)電流，臨界截止電流,ACR、ASR均采用PI調節(jié)器，ASR限幅輸出，ACR限幅輸出最大給定。(1)試計算系統(tǒng)的參數(shù)：電機電動勢轉速比Ce、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降、觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks、電流反饋系數(shù)β、電樞電磁時間常數(shù)Ta、系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm、系統(tǒng)測速反饋系數(shù)а；(2)選擇幾個濾波時間常數(shù)、、與中頻寬h;(3)計算電流調節(jié)器傳遞數(shù);(4)計算轉速調節(jié)器傳遞函數(shù)；(5)對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行單位階躍給定響應仿真與單位階躍負載擾動響應仿真；（6）對轉速微分負反饋環(huán)節(jié)進行計算；（7）對帶轉速分負反饋雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行單位階躍響應仿真與單位階躍負載擾動響應仿真；（8）對（5）與（7）兩項仿真做簡單的比較；（9）計算退飽和時間與退飽和轉速。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!解:(1)拖動調速系統(tǒng)幾個參數(shù)的計算與選擇。①額定磁通下的電機電動勢轉速比。

symsUnomInomnnomRaCe;Unom=220;Inom=17.5;Ra=1.25;nnom=1500;Ce=(Unom-Inom*Ra)/nnom程序運行結果Ce=0.1321即額定磁通下的電機電動勢轉速比Ce=0.1321V.min/r。②滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速率速降symsnnomsDdeltannom;nnom=1500;s=0.1;D=20;deltannom=nnom*s/(D*(1-s))程序運行結果deltannom=8.3333即滿足要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!

⑥電機拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)symsGDpfRCeCmTm;GDpf=3.53;R=2.85;Ce=0.1321;Cm=30*Ce/pi;Tm=GDpf*R/(375*Ce*Cm)程序運行結果Tm=0.1610即電機拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm=O.1610s。⑦滿足系統(tǒng)要求的轉速反饋系數(shù)symsalphaUnnnom;Un=10;nnom=1500;alpha=Un/nnom程序運行結果alpha=0.0067即滿足系統(tǒng)要求的轉速反饋系數(shù)。⑧選取電流環(huán)濾波時間常數(shù);選取轉速環(huán)濾波時間常數(shù)；選取轉速微分濾波時間常數(shù)；選擇中頻寬h=5。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!(3)轉速調節(jié)器參數(shù)的計算。根據(jù)自動控制系統(tǒng)設計理論，合并轉速環(huán)小時間常數(shù)；選取轉速調節(jié)器積分時間常數(shù)；轉速環(huán)開環(huán)增益轉速調節(jié)器比例系數(shù)直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!帶參數(shù)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖如圖7-5-3所示。用以下MATLAB程序繪制雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。[a,b,c,d]=linmod('l753');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);程序運行后，繪制的單位階躍響應曲線如圖7-5-4所示。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)負載擾動仿真動態(tài)結構圖如圖7-5-5所示。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!用以下MATLAB程序繪制雙環(huán)調速系統(tǒng)的單位階躍負載擾動響應仿真曲線。程序運行后，繪制的單位階躍負載擾動響應曲線如圖7-5-6所示.[a,b,c,d]=linmod('l755');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);t1=[0:0.001:0.3];step(sys,t1);圖7-5-6雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的單位階躍負載擾動響應曲線由圖可知，即最大動態(tài)降落：

最大動態(tài)降落時間：;恢復時間：(對應5％的誤差帶)。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!(6)轉速微分負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)的計算

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁![a,b,c,d]=linmod('l758');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);程序運行后，繪制的單位階躍響應曲線如圖7-5-9所示。比較圖7-5-4與圖7-5-9可見，普通雙環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應的超調％>30％；而帶轉速微分負反饋的雙環(huán)系統(tǒng)，其單位階躍響應基本無超調，轉速微分負反饋作用顯示無疑。

圖7-5-9轉速微分負反饋雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的單位階躍響應曲線直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!最大動態(tài)降落時間：恢復時間：(對應5％的誤差帶)。

圖7-5-11雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的單位階躍負載擾動響應曲線程序運行后，繪制的單位階躍負載擾動響應曲線如圖7-5-11所示。由圖可知，即最大動態(tài)降落：比較圖7-5-6與圖7-5-11及其計算的數(shù)據(jù)，對于單位階躍負載擾動，帶轉速微分負反饋的雙環(huán)系統(tǒng)比普通雙環(huán)系統(tǒng)，其最大動態(tài)降落要小得多，但最大動態(tài)降落時間與恢復時間要長一些。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!小結1.自動控制系統(tǒng)通常指閉環(huán)控制系統(tǒng)(或反饋控制系統(tǒng))，它最主要的特征是具有反饋環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)的作用是檢測并減小輸出量(被調量)的偏差。

反饋控制系統(tǒng)是以給定量作為基準量，然后把反映被調量的反饋量與給定量進行比較，以其偏差信號經(jīng)過放大去進行控制的。偏差信號的變化直接反映了被調量的變化。

在有靜差系統(tǒng)中，就是靠偏差信號的變化進行自動調節(jié)補償?shù)?。所以在穩(wěn)態(tài)時，其偏差電壓不能為零。而在無靜差系統(tǒng)中，由于含有積分環(huán)節(jié)，則主要靠偏差電壓對時間的積累去進行自動調節(jié)補償?shù)?，并依靠積分環(huán)節(jié)，最后消除靜差；所以在穩(wěn)態(tài)時，其偏差電壓為零。

常用的反饋和順饋的方式通常有：

①某物理量的負反饋。它的作用是使該物理量(如轉n、電流i、電壓U、溫度T、水位H等)保持恒定。

②某物理量的微分負反饋。它的特點是在穩(wěn)態(tài)時不起作用，只在動態(tài)時起作用。它的作用是限制該物理量對時間的變化率(如，，，，等)。

③某物理量的截止負反饋。它的特點是在某限定值以下不起作用，而當超過某限定值時才起作用。它的作用是“上限保護”(如過大電流、過高溫度、過高水位等的保護)。

④某物理量的擾動順饋補償(如電流正反饋)或給定量順饋補償，但補償量不宜過大，過大易引起振蕩。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!4.調速系統(tǒng)的主要矛盾是負載擾動對轉速的影響，因此最直接的辦法是采用轉速負反饋環(huán)節(jié)。有時為了改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，需要限制轉速的變化率(亦即限制加速度)，還增設轉速微分負反饋。而在要求不太高的場合，為了省去安裝測速發(fā)電機的麻煩，可采用能反映負載變化的電流正反饋和電壓負反饋環(huán)節(jié)來代替轉速負反饋。

5.速度和電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由速度調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR串接后分成兩級去進行控制的，即由ASR去“驅動”ACR，再由ACR去“控制”觸發(fā)器。電流環(huán)為內環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)。ASR和ACR在調節(jié)過程中起著各自不同的作用：

1)電流調節(jié)器ACR的作用是穩(wěn)定電流，使電流保持在的數(shù)值上。從而：

①依靠ACR的調節(jié)作用，可限制最大電流，。

②當電網(wǎng)波動時，ACR維持電流不變的特性，使電網(wǎng)電壓的波動，幾乎不對轉速產(chǎn)生影響。

2)速度調節(jié)器ASR的作用是穩(wěn)定轉速，使轉速保持在的數(shù)值上。因此在負載變化(或參數(shù)變化或各環(huán)節(jié)產(chǎn)生擾動)而使轉速出現(xiàn)偏差時，則靠ASR的調節(jié)作用來消除速度偏差，保持轉速恒定。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!1.直流電動機(DirectCurrentMotor)直流電動機的物理關系式、微分方程、系統(tǒng)框圖以及自動調節(jié)過程，在第二章2.2節(jié)中，均作了分析。這里暫不作詳細分析。

2.晶閘管整流電路(ThyristorRectifier)

采用晶閘管整流電路需要注意的幾個問題：

①晶閘管元件的過載能力很小，因此選定元件的電流、電壓規(guī)格時，至少加大一倍以上的容量，而且要加散熱片，以防溫升過高，損壞元件。

②因交流側電流中含有較多的諧波成分（HarmonicCon-tent）對電網(wǎng)（line）（ACSupply）產(chǎn)生不利影響。因此在大、中功率整流電路的交流側，大多采用交流電抗器(串接電抗器SeriesReactor)或通過整流變壓器(RectifierTransformer)供電，以抑制諧波分量(HarmonicComponent)。

③晶閘管元件的過載能力很小，因此不僅要限制過電流（Overcurrent）和反向過電壓（ReverseOvervoltage）,而且還要限制電壓上升率（RateofRiseofVoltage）(dv/dt)和電流上升率（di/dt）。所以晶閘管整流電路設有許多保護環(huán)節(jié)，如快速熔絲、過電流繼電器、阻容吸收電路、硒堆、或壓敏電阻等過電流與過電壓保護裝置。④晶閘管整流裝置的輸出特性如圖7-1-3a所示。圖中為整流平均電流，為整流輸出平均電壓。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!⑥晶閘管整流電路的調節(jié)特性為輸出的平均電壓與觸發(fā)電路的控制電壓之間的關系，即圖7-1-4為晶閘管整流裝置的調節(jié)特性。

由圖可見，它既有死區(qū)，又會飽和。（當全導通以后，再增加，也不會再上升了），且低壓段還有彎曲段。面對這非線性特性，常用的辦法是講它“看作”一條直線，即處理成。其比例系數(shù)K的取值有兩種方法：

①對動態(tài)特性，可取其動態(tài)工作區(qū)的線性段（Q段）的比例系數(shù)，即。

②對穩(wěn)定特性，則取額定范圍內的平均值，即，，為（為的額定值，為的額定值）如圖中的P直虛線所示。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!3.放大電路(Amplitiet)此處采用的是由運放器組成的比例調節(jié)器。其放大倍數(shù)為，在其輸入端有三個輸入信號：給定電壓（），測速反饋信號（）及電流截止反饋信號(）。所以，此系統(tǒng)中的比例調節(jié)器，既是電壓放大環(huán)節(jié)，又兼作信號比較環(huán)節(jié)。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!5.電流截止負反饋環(huán)節(jié)由于直流電動機在起動、堵轉或過載時會產(chǎn)生很大的電流，這樣大的電流會燒壞晶閘管元件和電機，因而要設法加以限制。若采用電流負反饋，以后的分析表明，會使系統(tǒng)的機械特性變軟，而這又是我們希望避免的。為此，可以通過一個電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個允許值(稱為閾值)時才起作用，這就是電流截止負反饋。在圖7-1-1中，主電路中串聯(lián)了一個阻值很小的取樣電阻(零點幾歐)。電阻上的電壓與成正比。比較閾值電壓是由一個輔助電源經(jīng)電位器RP3提供的。電流反饋信號()，經(jīng)二極管VD，與比較電壓反極性串聯(lián)后，再加到放大器的輸入端，即。由于是負反饋，所以其極性與給定電壓相反。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!7.1.2系統(tǒng)的框圖根據(jù)以上分析，便可畫出如圖7-1-5所示的系統(tǒng)框圖。

由圖7-1-5可以清楚地看出，調速系統(tǒng)存在著“兩個”閉環(huán)，一個是電動機內部的電勢構成的閉環(huán)，另一個是轉速負反饋構成的閉環(huán)。此外它還清楚表明了電樞電壓、電流、電磁轉矩、負載轉矩及轉速之間的關系。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!由上述調節(jié)過程可以看出，電動機內部的調節(jié)，主要是通過電動機反電動勢E下降，使電流增加的；而轉速反饋環(huán)節(jié)，則主要通過轉速負反饋電壓下降，使偏差電壓增加，()，整流裝置電壓上升，電樞電壓上升，而使電流增加的。而電樞電流的增加，在磁場的作用下，將使電動機的電磁轉矩增加，以適應機械負載轉矩的增加。這兩個調節(jié)過程一直進行到時才結束。圖7-1-6具有轉速負反饋的直流調速系統(tǒng)的自動調節(jié)過程此外，由圖7-1-6還可以看出，轉速降的減小，是依靠偏差電壓的變化來進行調節(jié)的。在這里，反饋環(huán)節(jié)只能減小轉速偏差()，而不能消除偏差。因為倘若轉速偏差被完全補償了，即n回到原先的數(shù)值，那么將回到原先數(shù)值，于是、、、也將回復到原先的數(shù)值；這意味著，控制系統(tǒng)沒有能起調節(jié)作用，轉速自然也不會回升。所以這種系統(tǒng)是以存在偏差為前提的，反饋環(huán)節(jié)只是檢測偏差，減小偏差，而不能消除偏差，因此它是有靜差調速系統(tǒng)。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!當電流負反饋環(huán)節(jié)起主導作用時的自動調節(jié)過程如圖7-1-8所示。當電流負反饋環(huán)節(jié)起主導作用時的自動調節(jié)過程如圖7-1-8所示。機械特性很陡下垂還意味著，堵轉時(或起動時)電流不是很大。這是因為在堵轉時，雖然轉速n=0，反電動勢E＝0，但由于電流截止負反饋的作用，使大大下降，從而不致過大。此時電流稱為堵轉電流

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!2．系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析由于調速系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)，如前所述，恒值控制系統(tǒng)主要考慮的是負載阻力轉矩（擾動量）所引起的穩(wěn)態(tài)誤差。為了便于分析起見，今將比較點③處的（）移至比較點②處，根據(jù)比較點移動法則，（）移至②處，應乘以和，即乘以。將（）移出后，直流電動機的框圖就可簡化為如圖b所示的功能框圖。在求取穩(wěn)態(tài)誤差時，曾應用拉氏變換終值定理來求取，如今若令圖b中的，則圖b可轉換為如圖c所示的框圖。這類框圖通常稱它為“穩(wěn)態(tài)框圖”，由穩(wěn)態(tài)框圖求取因擾動而引起的穩(wěn)態(tài)誤差比較直觀方便。由圖c可見，圖中的擾動量變?yōu)?，對比式與式，不難發(fā)現(xiàn)，的量綱式也式電流I，可標為，于是擾動量可標為（），參見圖c。若不計摩擦力，則，因此可認為，于是擾動又可寫為（）（這里僅是一種等效的交換，并不意味著存在一個外界的“電流干擾”）。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!由圖c可以很方便地得到因負載擾動而產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差(轉速降Δn)式中(開環(huán)增益)。若此調速系統(tǒng)不設轉速負反饋環(huán)節(jié)(即開環(huán)系統(tǒng))，則式(7-2)中的α＝0，于是K＝0，此時的轉速降為（7-1-3）對照式(7-1-2)與式(7-1-3)可見：調速系統(tǒng)增設了負反饋環(huán)節(jié)后，將使轉速降減為開環(huán)時的1/(1+K)，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。這是反饋控制系統(tǒng)的一個突出的優(yōu)點。由以上分析可見，采用比例調節(jié)器的轉速負反饋調速系統(tǒng)，不論取值多少，總是有靜差的。若對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場合，則通常采用比例積分（PI）調節(jié)器。

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!7.3速度和電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)速度和電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)），是由單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。如前節(jié)所述，調速系統(tǒng)使用比例積分調節(jié)器，可實現(xiàn)轉速的無靜差調速。又采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起（制）動時的最大電流。這對一般要求不太高的調速系統(tǒng)，基本上已能滿足要求。但是由于電流截止負反饋限制了最大電流，加上電動機反電動勢隨著轉速的上升而增加，使電流達到最大值后便迅速降下來。這樣，電動機的轉矩也減小下來，使起動加速過程變慢，起動的時間也比較長（即調整時間較長）。而有些調速系統(tǒng)，如龍們刨床（Planer）、軋鋼機（RollingMills）等經(jīng)常處于正反轉狀態(tài)，為了提高生產(chǎn)效率和加工質量，要求盡量縮短過渡過程的時間。因此，我們希望能充分利用晶閘管元件和電動機所允許的過載能力，使起動時的電流保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉矩，從而轉速可直線迅速上升，使過渡過程的時間大大縮短。另一方面在一個調節(jié)器輸入端綜合幾個信號，各個參數(shù)互相影響，調整也比較困難。為了獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處綜合的缺點，經(jīng)過研究與實踐，出現(xiàn)了轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!ASR的輸入電壓為偏差電壓，（為轉速反饋系數(shù)），其輸出電壓即為ACR的輸入電壓，其限幅值為。ACR的輸入電壓為偏差電壓，，(為電流反饋系數(shù))，其輸出電壓即為觸發(fā)電路的控制電壓，其限幅值為。ASR和ACR的輸入、輸出量的極性，主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。這里設觸發(fā)要求為正極性，由于運放器為反相輸入端輸入，所以應為負極性。由于電流為負反饋，，于是便為正極性。同理，由要求為負極性，則應為正極性，又由于轉速為負反饋，所以便為負極性。各量的極性如圖7-3-1所示。在框圖中，為簡化起見，將調節(jié)器看成正相端輸入，而將極性識別放到具體線路中去。這樣調節(jié)器傳遞函數(shù)中的負號便可不寫，使分析也更容易理解。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!7.3.2系統(tǒng)框圖轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)框圖如圖7-3-3所示。圖中速度調節(jié)器的傳遞函數(shù)為

電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為

框圖中的系統(tǒng)結構參數(shù)共有13個

直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!若系統(tǒng)再增添各種濾波環(huán)節(jié)，則參數(shù)還要增加。圖中的變量由（共12個）；此外各種參變量有：和為偏差電壓，為控制電壓，()為整流輸出電壓(電動機電樞電壓)，Ia為電樞電流，E為電動機電動勢，Te為電磁轉矩。

框圖中共有9個環(huán)節(jié)，其中一個反映了電磁慣性，一個反映了機械慣量。除了電機內部的閉環(huán)外，它還有兩個閉環(huán)。系統(tǒng)框圖把圖中9個環(huán)節(jié)的功能框和它們之間的相互聯(lián)系，把各種變量之間的因果關系、配合關系和各種結構參數(shù)在其中的地位和作用，都一目了然地、清晰地描繪了出來。這樣的數(shù)學模型，就為我們以后分析各種系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并進而研究改善系統(tǒng)性能的途徑提供了一個科學而可靠的基礎。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!1)電流調節(jié)器ACR的調節(jié)作用：電流環(huán)為由ACR和電流負反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)時，其輸入電壓必為零，亦即。（若，則積分環(huán)節(jié)將使輸出繼續(xù)改變）。由此可知，在穩(wěn)態(tài)時，。此式的物理含義是：當為一定的情況下，由于電流調節(jié)器ACR的調節(jié)作用，整流裝置的電流將保持在的數(shù)值上。假設，其自動調節(jié)過程見圖7-3-4。圖7-3-4電流環(huán)的自動調節(jié)過程這種保持電流不變的特性，將使系統(tǒng)能：直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!2)速度調節(jié)器ASR的調節(jié)作用：速度環(huán)是由ASR和轉速負反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉速穩(wěn)定，并最后消除轉速靜差。由于ASR也是PI調節(jié)器，因此穩(wěn)態(tài)時，由此式可見，在穩(wěn)態(tài)時。此式物理含義是：當為一定的情況下，由于速度調節(jié)器ASR的調節(jié)作用，轉速n將穩(wěn)定在的數(shù)值上。假設，其自動調節(jié)過程見圖7-3-5。圖7-3-5速度環(huán)的自動調節(jié)過程此外，由式可見，調節(jié)(電位器RP1)即可調節(jié)轉速n。整定電位器RP2，即可整定轉速反饋系數(shù)α，以整定系統(tǒng)的額定轉速。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!當電動機發(fā)生嚴重過載，并當時，電流調節(jié)器將使整流裝置輸出電壓明顯低，這一方面限制了電流繼續(xù)增長，另一方面將使轉速迅速下降，(由，可見，當，及↓，將使轉速n迅速下降至零)，于是出現(xiàn)了很陡的下垂特性，見圖7-3-7b段。此時的調節(jié)過程如圖7-3-6所示。在圖7-3-7中，虛線為理想“挖土機特性”，實線為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性，由圖可見，它已很接近理想的“挖土機特性”。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!(2)速度環(huán)分析

在系統(tǒng)調試時，通常是先將電流環(huán)的調節(jié)器的參數(shù)整定好，使電流環(huán)保持穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差也較?。蝗缓笤诖嘶A上，再整定速度調節(jié)器參數(shù)（）由圖7-3-3可見，電流環(huán)已是一個三階系統(tǒng)，如今再串聯(lián)一個速度(PI)調節(jié)器，則系統(tǒng)將為四階系統(tǒng)，若計及輸入處的R、C濾波環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)便成了五階系統(tǒng)，若電流環(huán)整定得不好，再加上速度調節(jié)器參數(shù)整定得不好，很容易產(chǎn)生振蕩。若系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，可以采取的措施，與調節(jié)電流調節(jié)器參數(shù)時相同。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!7.3.5雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的優(yōu)點

綜上所述，可知雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點：

①具有良好的靜特性(接近理想的“挖土機特性”)。

②具有較好的動態(tài)特性，起動時間短(動態(tài)響應快)，超調量也較小。

③系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，并最后消除轉速偏差。

④由兩個調節(jié)器分別調節(jié)電流和轉速。這樣，可以分別進行設計，分別調整(先調好電流環(huán)，再調速度環(huán))，調整方便。由于雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性均很好，所以它在冶金、機械、造紙、印刷及印染等許多部門獲得很多的應用。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!解:(1)求滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求時的閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。①額定磁通下的電機電動勢轉速比symsUnomInomnnomRaCe;Unom=220;Inom=12.5;Ra=1;nnom=1500;Ce=(Unom-Inom*Ra)/nnom程序運行結果Ce=0.1383即額定磁通下的電機電動勢轉速比Ce=0.1383V.min/r②滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求時的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降symsnnomsDdeltanc1;nnom=1500;s=0.05;D=15;deltanc1=nnom*s/(D*(1-s))程序運行結果deltanc1=5.2632直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!(2)求系統(tǒng)測速反饋系數(shù)對單閉環(huán)調速系統(tǒng)有靜態(tài)結構圖如圖7-4-2所示。根據(jù)自動控制理論有如下方程組。圖7-4-2單閉環(huán)調速系統(tǒng)有靜態(tài)結構圖式中：。代入已知條件，得到圖7-4-2單閉環(huán)調速系統(tǒng)有靜態(tài)結構圖用MATLAB程序解此方程組：symsUndeltaUnalpha;[Un,deltaUn]=solve('Un=48.8008*deltaUn','10-Un=deltaUn');alpha=vpa(Un/1500,2)程序運行結果alpha=.65e-2即a=0.0065V.min／r=Kt直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!(5)繪制代參數(shù)單閉環(huán)調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖。圖7-4-3為模型l743.mdl，圖中。(6)求閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)根據(jù)自動控制理論的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為其臨界開環(huán)放大系數(shù)symsKKcrTmTaTs;Tm=0.0635;Ta=0.0138;Ts=0.00167;Kcr=(Tm*(Ta+Ts)+Ts^2)/(Ta*Ts)程序運行結果Kcr=42.7464圖7-4-3帶參數(shù)單閉環(huán)調速系統(tǒng)Simulink動態(tài)結構圖模型直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!symsKpKsCealpha;Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運行結果K=41.3594即對應著閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)②當時(需將動態(tài)模型結構圖l743.mdl的設置為20，下同)，繪制其系統(tǒng)的階躍響應曲線。[a,b,c,d]=linmod('l743')；s1=ss(a,b,c,d)；sys=tf(s1);step(sys);當，此時對應著模型l743.mdl中的，程序方式下運行程序l743.m，系統(tǒng)單位階躍響曲線應呈現(xiàn)劇烈的振蕩(雖然是衰減的)，如圖7-4-4所示。③比例調節(jié)器時，求閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。symsKpKsCealpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運行結果K=43.4273④當Kp=21時，繪制其系統(tǒng)位階躍響應曲線。當，此時對應著模型p743.mdl中的K=21，程序方式下運行程序，系統(tǒng)單位階躍響應呈現(xiàn)發(fā)散的振蕩，如圖7-4-5所示，即系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。當Kp=23.5984時，系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁![a,b,c,d]=linmod('l743A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);gama=48;[Gc]=lagc(1,s2,[gama])wc=35;[Gc]=lagc(2,s2,[wc])程序運行結果Transferfunction:0.1611s+1------------1.699s+1Transferfunction:0.2857s+1------------6.26s+1即以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的滯后校正器為·，而以剪切頻率為校正主要指標的滯后校正器為直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁!從圖7-4-7可以看出，校正后系統(tǒng)剪切頻率也達到預期目的。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁!(10)用根軌跡校正器對系統(tǒng)進行滯后校正。根據(jù)自動控制理論，給開環(huán)傳遞函數(shù)增加極點的作用是使根軌跡向右半s平面移動，其系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；而給開環(huán)傳遞函數(shù)增加零點的作用是使根軌跡向左半s平面移動，其系統(tǒng)穩(wěn)定性會變好。在程序方式下運行以下MATLAB程序，則彈出系統(tǒng)根軌跡設計器，如圖7-4-8所示。[a,b,c,d]=linmod('l743A')s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);rltool(s2);在圖7-4-8中，用鼠標單擊工具欄的[Addrealzero]按鈕為系統(tǒng)增加一個零點，會使系統(tǒng)從不穩(wěn)定變成穩(wěn)定，且具有很好的性能指標。從圖7-4-8看出，①為系統(tǒng)增加一個零點（-115）后，系統(tǒng)成為穩(wěn)定的閉環(huán)。②相角穩(wěn)定裕度剪切頻率，模值穩(wěn)定裕度，穿越頻率，其頻域性能指標非常優(yōu)良。在圖7-4-8中，選擇[Analysis]菜單的[ResponsetoStepCommand]命令并執(zhí)行后，得到系統(tǒng)的單位階躍響應曲線，如圖7-4-9所示。圖中顯示，其超調量σ=20％，峰值時間，響應超調一次后，即回落到穩(wěn)態(tài)值。這樣時域性能指標也是很好的。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁!7.5用MATLAB仿真雙閉環(huán)調速系統(tǒng)根據(jù)自動控制系統(tǒng)設計理論，采用兩個PI調節(jié)器(即ACR、ASR均采用PI調節(jié)器)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能，結構簡單，工作可靠，設計也很方便，實踐證明，它是一種應用最廣的調速系統(tǒng)。然而,其動態(tài)性能的不足之處就是轉速超調,而且抗擾性能的提高也受到一定限制。解決這個問題的一個簡單有效的辦法就是在轉速調節(jié)器上引入轉速微分負反饋，這樣就可以抑制轉速超調直到消滅超調，同時可以大大降低動態(tài)速度降落。請看以下示例。直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁!直流調速控制系統(tǒng)的分析及仿真共76頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁!③滿足系統(tǒng)要求的觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)symsKsnnomlbdlRCeUctm;Ce=0.1321;nnom=1500;Idbl=2.1*17.5;R=2.85;Uctm=8;Ks=(Ce*nnom+Idbl*R)/Uctm程序運行結果Ks=37.8609取系統(tǒng)要求的觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)。④滿足系統(tǒng)要求的電流反饋系數(shù)。symsbetaUimtdmInom;Uim=8;Inom=17.5;Idm=2.1*Inom;beta=Uim/Idm程序運行結果beta=0.2177即滿足系統(tǒng)要求的電流反饋系數(shù)。⑤電機電區(qū)電磁時間常數(shù)symsTa