雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證概要

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與MATLAB仿真驗(yàn)證班級(jí):姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師:摘要：對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方法比以前常用的PI調(diào)節(jié)器大大地減小飽和超調(diào)，仿真結(jié)果表明，該方法十分有效。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)節(jié)器；超調(diào)；仿真1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，是在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的.轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用PI調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速，采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。這對(duì)一般的要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿(mǎn)足基本要求，但電流環(huán)只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-1-（1）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，起動(dòng)（調(diào)整時(shí)間\）的時(shí)間就比較長(zhǎng)。在實(shí)際工作中為了盡快縮短過(guò)渡時(shí)間，希望能夠充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大允許值上，并且始終允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖1-1-（2）所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。⑴帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 （2）時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)程圖1-1調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值/加的恒流過(guò)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)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是應(yīng)該在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了達(dá)到1.1節(jié)分析后的目的，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。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，二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖1-2所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。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。U*nTA圖1-2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖U*nTA圖1-2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中U*、Un—轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U.*、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓；ASR一轉(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一電力電子變換器。本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，該電路能為電動(dòng)機(jī)負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，改變控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，由于使用了閉環(huán)控制，并且內(nèi)外環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1-3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U*決定了電流給定的最大值，im電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓U,m限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。加，圖中用帶限幅的輸出特性表示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，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入與輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。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)，其作用是輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有飽和和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到0m時(shí)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，起到過(guò)電流的im自動(dòng)保護(hù)作用。4圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a一轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)0—電流反饋系數(shù)TOC\o"1-5"\h\zU* 10a=f二——二0.027Vpmin/rn 375 口八 U* 100二f二 二0.0088V/AIm 1.5x7601.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖1-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中WAsJS）和WAcJS）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，在動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中引出相應(yīng)的電樞電流I/而a表示轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，0表示電流反饋系數(shù)。起動(dòng)過(guò)程分析圖1-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形從電流與轉(zhuǎn)速變化過(guò)程所反映出的特點(diǎn)可以將起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段：電流上升階段：突加給定電壓U*后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，U、U、n cd01d均上升，但是在1d沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流1dL以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)1d>1dL后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于幾點(diǎn)慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓(AU=U*-U)的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值cnnU*， 強(qiáng)迫電樞電流狀態(tài)，而ACR一般不飽和。恒流升速階段：此階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速換相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)速系統(tǒng)，基本上保持電流很定，因而系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)（見(jiàn)圖1-5）。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差為負(fù)，使它開(kāi)始推出飽和狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下調(diào)速，直到穩(wěn)態(tài)。此階段中，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id很快地跟隨其給定值U*。起動(dòng)過(guò)程歸納的特點(diǎn)有：（1）飽和非線性控制；（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)；（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。2雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的工作原理及作用電流調(diào)節(jié)器有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)吸*，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)外，當(dāng)突加一個(gè)很大的給定速度輸入值其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中始終保持在最大轉(zhuǎn)距和最大力口速度，使起、制動(dòng)過(guò)程時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變（如降低）時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之妣（降氐），引起主回路電流變化（減?。?，由于快速性好，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化（增大），則也變化（變?。?，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)（增加）至原來(lái)的數(shù)值，這就抑制了主回路電流的變化。也就是說(shuō)，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器電流側(cè)發(fā)生類(lèi)似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)的把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和電流電動(dòng)機(jī)不致因電流過(guò)大而損壞。綜上所述，電流調(diào)節(jié)器ACR的主要作用如下：（1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗干擾作用；（2）啟動(dòng)時(shí)保證獲得容許的最大電流r；dm（3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化；（4）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速

的過(guò)流安全保護(hù)，如故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化K Ud0K Ud0(S)1/RTs+1 *Ts+1-s- lId(S)+^|ACRJLUi(s)Ts+1Ts+10i圖2-1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)!他和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來(lái)說(shuō)，速度變化很緩慢。因此可以認(rèn)為反電勢(shì)產(chǎn)生的影響很小，令A(yù)E=0，則圖2-1通過(guò)結(jié)構(gòu)圖變換，簡(jiǎn)化為圖2-2圖2-2圖2-2電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)一查表得三相橋式全控平均失控時(shí)間T=0.0017s，電流濾波時(shí)間常數(shù)Ti=0.002s，電磁時(shí)間常數(shù)1=0.031s，T和T都比/小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖3-3.

U*(s)U*(s)圖2-3電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)二圖2-23c確定時(shí)間常數(shù)1）查表可得，三相橋式電路的平均失控時(shí)間T=0.0017s。2）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（1?2）T.=3.33ms,，因此取T=2ms=0.002s。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Tz,。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T.=T+T=0.0037s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(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路i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型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：K(TK(Ts+1)

Ts（2-1）電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:（2-2）K(Ts+1) PKR（2-2）iTs(TL+1)(Tis+1)因?yàn)閠l?t，所以選擇二='，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)點(diǎn)，以便矯正成典型I型系統(tǒng)，因此卬（s）=KPKR=—K1— （2-3）opiTsTs+1） sTs+1）

檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：1T。9231=8.38,查看對(duì)應(yīng)表格的典型I型T0.0037￡i系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。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)：。廠T=0.031s。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求。＜5%，查表可取KT=0.5。但由此算出的數(shù)據(jù)無(wú)法滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速要求，所以取KJe=0.25。K=0.25=67.568I0.0037ACR的比例系數(shù)k=k=KTTR

iKP67.568義0.031義0.14 40.44475義0,0088檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率①.=K=65.568s-11）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:滿(mǎn)足近似條件—= s-1土191.1s-1>①滿(mǎn)足近似條件3T 3義0.0017 cs2）檢驗(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:1\0.112x0.0311\0.112x0.031s-1氏50.913s-1〈①滿(mǎn)足近似條件ci1=—x1=—x3滿(mǎn)足近似條件二 s-1x180.775s-1>w滿(mǎn)足近似條件\0.0017x0.002 ci10

2.1.7計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4所示，所用運(yùn)放取R0=40KQ：R=KR0=0.444義40KQ=17.76KQ取18KQ-1.75uF取1.75-1.75uF取1.75rFC——『- iR 177604T4*0.00240000-0.24T4*0.00240000-0.2uFOi0圖3-4含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中，U：為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，-B1d為電流負(fù)反饋電壓調(diào)節(jié)器的輸出漉觸發(fā)裝置儺制電壓入。2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理及作用在主電機(jī)上安裝一電流測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓此電壓Un與給定電壓U；相比較，其偏差A(yù)Un送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓。例11

如提高U*,則有較大AU加到ASR輸入端，ASR自動(dòng)調(diào)節(jié)GT,使觸發(fā)脈沖前移（。減?。?，n n整流電壓U”提高,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，Un也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到坪衡，電動(dòng)機(jī)在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過(guò)速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。比如，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移（a變?。?，U提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來(lái)數(shù)值時(shí)，U又d n等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到抨衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來(lái)自負(fù)載而是來(lái)自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上述過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上述相反過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后仍能維持^動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似不變。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的主要作用如下：（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓U*變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；n（2）對(duì)負(fù)載變化起抗干擾的作用；（3）輸出限幅值決定電樞主回路的最大容許電流值/dzn。電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個(gè)環(huán)節(jié)為此必須求出它的等效傳遞函數(shù)。圖3-5給出了校正成典型1型系統(tǒng)的電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖及開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為⑸ （b）圖2-5校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖b）⑸ （b）圖2-5校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖b）開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性K

1 S(Ts+1)W(s)= st- cli“K1+ 1——s(Ts+1)Si1T s~~；_￡^s2+——+1KK(2-4)12(2-5)(2-6)采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項(xiàng)，Wci(s)可降階近似為(2-5)(2-6)Wcii(s)X由直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為W(s):s)c〃 U*(s)/p因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應(yīng)相應(yīng)地改成—4 —4 U*(s)i原來(lái)電流環(huán)的控制對(duì)象可以近似看成是個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)是乙和T、.，采用閉環(huán)控制后，整個(gè)電流環(huán)等效近似為只有較小時(shí)間常數(shù)—的一階慣性" KI環(huán)節(jié)。這就表明，電流閉環(huán)后，改造了控制對(duì)象，加快了電流跟隨作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化圖2-6用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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n型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：13

((2-8)ASR品&Hi)

/%+1)圖2-7校正為典型11型系統(tǒng)確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為1/KI,設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)已取K%=0.25所以—=4T=4*0.0037=0.0148sK ??I2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)T。取T=0.01S。ononon3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Zn1一+T=0.0248s。i選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:(2-9)K(Ts(2-9)W (S) nn asr Ts則校正后的典型n型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:14

巾/、K(ts+1)P KaR巾/、K(ts+1)P KaR(ts+1)W(S)= n n = n n ntsCTsQs+1)tPCTs2(Ts+1)(2-10)令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益八為KaRK= n NTnPCT(2-11)K(ts+1)W(s)=-N—n n s2(Ts+1)En(2-12)不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖3-72.2.6計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為T(mén)=hTz=0.124s。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為h+1 =195.11s-2h2T2

ZnASR的比例系數(shù)為S+1)PCT=11,61

2haRTZn2.2.7檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率=KN=KT=24.19s-1

cn3 Nn1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為1K=45.045s-1>3滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件3TT cnZZi2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為15

1K=27.4*i>① 滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件3\T 6on2.2.8計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R°=40KQ，則R=KR°=266.4KQ 取270KQ取0.4uF取luFC=二=0」F氏0.38uFn取0.4uF取luFnCon4T“=4義0.01=1MF~R^―40000-UCon含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2-8所示圖2-8含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3超調(diào)量的計(jì)算如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器沒(méi)有飽和限幅的約束，調(diào)速系統(tǒng)可以在很大范圍內(nèi)線性工作，則雙閉環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量。實(shí)際上，突加給16定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，輸出恒定的限幅電壓U*，使電im動(dòng)機(jī)在恒流條件下起動(dòng)，起動(dòng)電流I。/=U*/P，而轉(zhuǎn)速則按線性規(guī)律增長(zhǎng)。ddmim雖然這時(shí)起動(dòng)過(guò)程要比調(diào)節(jié)器沒(méi)有限幅時(shí)慢得多，但是為了保證起動(dòng)電流不超過(guò)允許值，這是必須的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)時(shí)Z=0，，作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量。n，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n*，查表可以得出當(dāng)h=5時(shí)，C/Cb=81.2%，則可以求出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量為[AC)

-CmxIbJ760x0.14? T820.0174 ? ?=2x81.2%x1.5x—182—x— =5.9%<10%375 0.112滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)matlab仿真利用matlab軟件的simulink模塊搭建的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖3-1所示17圖3-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在滿(mǎn)磁通時(shí)系統(tǒng)仿真波形圖設(shè)置與乘法器相連的階躍信號(hào)一直保持為0,如下圖3-2所示，那么相當(dāng)于調(diào)速系統(tǒng)在滿(mǎn)磁通下正常運(yùn)行。此時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的波形如下圖3-3、4所示。圖3-2正常運(yùn)行時(shí)時(shí)階躍信號(hào)的設(shè)置圖3-3正常情況下啟動(dòng)電流、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖18

圖3-4正常情況下ASR、ACR、直流電壓Ud波形圖穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)突然減半仿真框圖根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，我們需要仿真驗(yàn)證該直流調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)突然減半仿真框圖，仿真得出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)電流，直流電壓Ud，ASR、ACR輸出電壓的波形。由課本基礎(chǔ)知識(shí)知道，當(dāng)磁通減半時(shí)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)也隨之減半。因此，在matlab仿真結(jié)構(gòu)框圖中的相應(yīng)的比例放大器增大兩倍。我采用的方法是，利用一個(gè)乘法器和一個(gè)階躍信號(hào)，與直流調(diào)速系統(tǒng)正常時(shí)的比例放大器通過(guò)加合使得比例放大器在調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行到某一時(shí)刻加倍，也就是此時(shí)磁場(chǎng)突然減半的效果。我設(shè)置的時(shí)間為4s后磁場(chǎng)減半，如下圖4-5所示。此時(shí)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的波形如圖3-6、3-7所示。圖3-5正常運(yùn)