基于MATLAB的多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要緒論1.1課題研究的意義及目的電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備。電機(jī)速度變化是在某條機(jī)械特性下，由于負(fù)載改變而引起的；而速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到的。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電機(jī)的參數(shù)或外加電壓來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，以此來改變電動(dòng)機(jī)工作特性與機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)中改變速度。所以調(diào)速控制系統(tǒng)就是通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，并且控制工作機(jī)械按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行的裝置。目前調(diào)速系統(tǒng)分為交流和直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，易于在大范圍平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來高性能交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展迅速，正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，但直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，而且是交流調(diào)速的基礎(chǔ)，仍具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。因此，我們應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動(dòng)控制中。它在以計(jì)算機(jī)做為工具的仿真系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。本次設(shè)計(jì)的課題是基于MATLAB的多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)基本原理是基于工程設(shè)計(jì)方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用Matlab進(jìn)行建模與仿真研究，最后顯示調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果。本課題應(yīng)用MATLAB的Simulink和SimPowerSystem工具箱，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真設(shè)計(jì)，對(duì)各種典型的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速-電流負(fù)反饋雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析,通過構(gòu)建被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型,直觀迅速地觀察各點(diǎn)波形,因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復(fù)修改其動(dòng)態(tài)模型來完成，而不必對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行反復(fù)拆裝調(diào)試，Matlab動(dòng)態(tài)建模仿真工具具有模塊組態(tài)方便性、Simulink能分析直觀等優(yōu)點(diǎn),因而可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程,也可以給教學(xué)提供虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。1.2直流調(diào)速系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)雖然近年來交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(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作用,且直流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期主導(dǎo)調(diào)速領(lǐng)域。直流電動(dòng)機(jī)電樞和磁場(chǎng)能獨(dú)立進(jìn)行激勵(lì)，且轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的描述是對(duì)可控電壓激勵(lì)的線性函數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)各種直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，也容易實(shí)現(xiàn)對(duì)控制目標(biāo)的“最佳化”。由直流電機(jī)的發(fā)展過程可知，直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)速的不斷豐富完善的過程。發(fā)展過程不僅存在從單一調(diào)速方式向多種調(diào)速方式的縱向發(fā)展過程，而且每一種調(diào)速系統(tǒng)本身也都在發(fā)展完善之中。單閉環(huán)不僅是轉(zhuǎn)速閉環(huán)一種，根據(jù)應(yīng)用要求不同可以采用電壓負(fù)反饋、電流補(bǔ)償?shù)忍娲胧?。有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有兩種，無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有三種，它們都在不斷完善和發(fā)展之中。目前，國(guó)內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非常活躍，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場(chǎng)的很大一部分還是被國(guó)外公司所占據(jù)。國(guó)內(nèi)多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)還是沿用晶閘管電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但其難于實(shí)現(xiàn)高精度寬范圍的速度控制。因此，為了加快國(guó)內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求有一個(gè)全面的了解?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在各種高精工業(yè)生產(chǎn)中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數(shù)自整定、故障報(bào)警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護(hù)提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今的熱門。而計(jì)算機(jī)和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)合體，剛好具有以上特點(diǎn)。應(yīng)而，將來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，它將具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。直流調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展都與其他學(xué)科存在緊密聯(lián)系。首先它與電機(jī)學(xué)有緊密地聯(lián)系，因?yàn)閷?duì)于調(diào)速來說，電機(jī)是控制對(duì)象，對(duì)控制對(duì)象的研究越深入控制效果才會(huì)越好。其次與半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展密不可分，電力電子技術(shù)元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調(diào)速系統(tǒng)的性能才會(huì)越好。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)功能的不斷提高以及電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。微型機(jī)的采用不僅極大地推動(dòng)了作為研究熱點(diǎn)的交流調(diào)速的迅猛發(fā)展，也給直流調(diào)速的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動(dòng)進(jìn)入了更新的發(fā)展階段。1.3本論文研究主要內(nèi)容及創(chuàng)新緒論部分主要介紹了選題的背景及意義，直流調(diào)速系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外主要研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景及本論文研究主要內(nèi)容。直流電動(dòng)機(jī)的介紹，主要內(nèi)容包括直流電機(jī)的基本原理及調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹，主要內(nèi)容包括直流調(diào)速系統(tǒng)基本原理和分類等，開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、多環(huán)四種調(diào)速方案的原理。直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真以及分析，包括開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、多環(huán)四種調(diào)速系統(tǒng)方案。本課題首先對(duì)直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及分類的分析，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)字模型和物理模型，然后分別對(duì)開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)和多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析比較，并畫出各自的結(jié)構(gòu)圖，區(qū)分各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。通過MATLAB的Simulink對(duì)開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)以及多環(huán)進(jìn)行建模，仿真出系統(tǒng)調(diào)速曲線，然后進(jìn)行比較，表現(xiàn)出多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。創(chuàng)新點(diǎn)如下：本課題通過對(duì)開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)和多環(huán)的比較，來表現(xiàn)多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本課題運(yùn)用了MATLAB建模與仿真，直白的展現(xiàn)出多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾性，提高了電流控制的快速性。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2直流電動(dòng)機(jī)2直流電動(dòng)機(jī)2.1直流電動(dòng)機(jī)基本原理2.1.1直流電機(jī)的基本構(gòu)成一般簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）上裝有一對(duì)用直流勵(lì)磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝有由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片，換向片之間互相絕緣。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，換向器定在轉(zhuǎn)軸上。換向器上放置著一對(duì)靜止不動(dòng)的電刷，電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。2.1.2直流電機(jī)的工作原理按勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)四種。在直流電動(dòng)機(jī)中，為了產(chǎn)生方向始終如一的電磁轉(zhuǎn)矩，外部電路中的直流電流必須改變成電機(jī)內(nèi)部的交流電流，這一過程稱為電流的換向。所用的稱為換向器。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械沿著與電磁轉(zhuǎn)矩相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)向負(fù)載輸出機(jī)械功率。導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。圖2.1直流電動(dòng)機(jī)的原理模型當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd、ab后，從電刷B流出。這時(shí)導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向。因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時(shí)，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。2.2直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；加、減速——頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2.2.1調(diào)速的定義本設(shè)計(jì)以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例說明直流電機(jī)的調(diào)速。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電。在勵(lì)磁電壓Uf的作用下，勵(lì)磁繞組中通過勵(lì)磁電流If，從而產(chǎn)生主磁通Φ。在電樞電壓Ua的作用下，電樞繞組中通過電樞電流Ia。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：（2.1）式中：U——他勵(lì)電動(dòng)的電樞電壓；I——電樞電流；E——電樞電動(dòng)勢(shì)；R——電樞回路的總電阻；n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Ce——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Φ——?jiǎng)?lì)磁磁通。由上式可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；減弱勵(lì)磁磁通F；改變電樞回路電阻R。①調(diào)壓調(diào)速1)工作條件：保持勵(lì)磁；保持電阻；2)調(diào)節(jié)過程：改變電壓；3）調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。圖2.2調(diào)壓調(diào)速特性曲線②調(diào)阻調(diào)速1）工作條件：保持勵(lì)磁；保持電壓；2）調(diào)節(jié)過程：增加電阻,不變；3）調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。圖2.3調(diào)阻調(diào)速特性曲線③調(diào)磁調(diào)速1）工作條件：保持電壓；保持電阻；2）調(diào)節(jié)過程：減小勵(lì)磁,3）調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。圖2.4調(diào)磁調(diào)速特性曲線④三種調(diào)速方法的性能與比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。2.2.2調(diào)速的指標(biāo)①穩(wěn)態(tài)調(diào)速的指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，盡量少受負(fù)載變化電源電壓波動(dòng)的影響。因此它的指標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。1）調(diào)速范圍電機(jī)在額定負(fù)載下最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，比稱為調(diào)速范圍，又稱為速比，用D表示。即（2.2）2）靜差率(速度的穩(wěn)定性)調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時(shí)，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想轉(zhuǎn)速之比，用S表示。即：（2.3）3）調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后比原來的額定轉(zhuǎn)速高還是低，有上調(diào)，和下調(diào)之分。4）調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定調(diào)速范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)來說明。調(diào)速可分為有級(jí)調(diào)速和無級(jí)調(diào)速。②動(dòng)態(tài)調(diào)速的指標(biāo)1)跟隨性能指標(biāo)：上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、峰值時(shí)間等。2)抗擾性能指標(biāo)：動(dòng)態(tài)降落、恢復(fù)時(shí)間、振蕩次數(shù)等③靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。圖2.5不同轉(zhuǎn)速下的靜差率因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系。設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 （2.4）于是，最低轉(zhuǎn)速為（2.5）而調(diào)速范圍為（2.6）將上面的式代入，得（2.7）上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，值一定，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求S值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。結(jié)論：一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)3.1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理3.1.1開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成及原理圖3.1晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）圖中：GT—觸發(fā)裝置；TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)；VT—晶閘管可控整流器；L—平波電抗器；M—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)原理：調(diào)節(jié)Uc改變移向角改變n改變由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)主電路的輸出（a）電流連續(xù)（b）電流斷續(xù)圖3.2V—M系統(tǒng)的電流波形3.1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電流連續(xù)（3.1）電流斷續(xù)（3.2）（3.3）圖3.3V-M系統(tǒng)機(jī)械特性①機(jī)械特性的近似處理方法：1）在電流連續(xù)段把特性曲線與縱軸的直線交點(diǎn)作為理想空載轉(zhuǎn)速。2）在斷續(xù)情況比較顯著的情況下可以改用另一段較抖的直線來逼近斷續(xù)段性，或直接用連續(xù)段特性的延長(zhǎng)線來逼近斷續(xù)段特性。一般可近似的只考慮連續(xù)段部分。②V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)： 1）當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；晶閘管整流器可看成是一個(gè)線性可控電壓2）斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。3.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理3.2.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹按反饋控制的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)調(diào)速中轉(zhuǎn)速反饋使用較多。在對(duì)調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)反饋是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓UCt，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。3.2.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性①穩(wěn)態(tài)分析條件下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。②穩(wěn)態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)（3.4）放大器（3.5）電力電子變換器（3.6）調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性（3.7）測(cè)速反饋環(huán)節(jié)（3.8）式中：Kp—放大器的電壓放大系數(shù)；Ks—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；Ce—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；—VT的理想空載輸出電壓；R—電樞回路總電阻。③靜特性方程從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程（3.9）式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為（3.10）它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為：（3.11）④閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖式。圖3.4轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式。（3.12）1）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)（3.13）圖3.5只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)（3.14）圖3.6只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。⑤開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比較比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為：（3.15）而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成：（3.16）系統(tǒng)特性比較式（3.15）和式（3.16）不難得出以下的論斷1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為：（3.17）（3.18）它們的關(guān)系是：（3.19）2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為：（3.20）（3.21）（3.22）3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí)（3.23）閉環(huán)時(shí)（3.24）得：（3.25）4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器：上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。結(jié)論：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。⑥開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的調(diào)節(jié)過程1）開環(huán)系統(tǒng)在圖中工作點(diǎn)從A到A’；2）閉環(huán)系統(tǒng)在圖中工作點(diǎn)從A到B。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，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。圖3.7閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性要硬的多，對(duì)于相同的理想空載轉(zhuǎn)速的開環(huán)和閉環(huán)兩條特性，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的靜差率要小的多。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率小，所以當(dāng)要求靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍，但必須增加放大器。3.2.3單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中，無論采用何種方法，最終都無法消除轉(zhuǎn)速偏差的系統(tǒng)稱為有靜差調(diào)速系統(tǒng)；凡通過適當(dāng)方法調(diào)節(jié)，最終可消除轉(zhuǎn)速偏差的系統(tǒng)稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。下面首先討論有靜差調(diào)速系統(tǒng)。①調(diào)速系統(tǒng)的組成圖3.8轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)圖中：A—放大器；TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)；VT—晶閘管整流器；GT—觸發(fā)裝置②調(diào)節(jié)原理在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生VT的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。③單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)問題的提出：如前，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp越大，系統(tǒng)精度越高；但Kp過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為：（3.26）Uc=0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un=0；Uc=0，電動(dòng)機(jī)停止。因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動(dòng)系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)。如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：采用積（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應(yīng)有（3.27）分析結(jié)果：采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。比例與積分控制的比較：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。從無靜差的角度分析，積分控制優(yōu)于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。兩種調(diào)節(jié)器特性比較那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。④比例積分控制規(guī)律1）PI調(diào)節(jié)器在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示圖3.9比例積分（PI）調(diào)節(jié)器2）PI輸入輸出關(guān)系按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得（3.28）（3.28）式中：—PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)3）PI調(diào)節(jié)器輸出時(shí)間特性（a）PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線（b）PI調(diào)節(jié)器輸出動(dòng)態(tài)過程圖3.10PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線a．階躍輸入情況在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于圖3.10（a），從這個(gè)特性上可以看出比例積分作用的物理意義：突加輸入信號(hào)時(shí)，由于電容C1兩端電壓不能突變，相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻R1，電路等效于一個(gè)放大系數(shù)為Kpi的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUin，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處。此后，隨著電容C1被充電，輸出電壓Uex開始積分，其數(shù)值不斷增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，C1兩端電壓等于Uex，R1已不起作用，又和積分調(diào)節(jié)器一樣了，這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差。因此，PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。b．一般輸入情況附圖3.10（b）繪出了比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程。假設(shè)輸入偏差電壓