武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 目錄 摘要 3 一、直流調(diào)速介紹 4 1.1 調(diào)速定義 4 1.2 調(diào)速方法 4 1.2.1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U 4 1.2.2 改變電動(dòng)機(jī)主磁通 4 1.2.3 改變電樞回路電阻R 4 1.3 調(diào)速指標(biāo) 5 1.3.1 調(diào)速范圍（包括：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍/恒功率調(diào)速范圍） 5 1.3.2 動(dòng)態(tài)速降 5 1.3.3 恢復(fù)時(shí)間 5 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 6 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 6 2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程 7 2.2.1 理想啟動(dòng)過(guò)程 7 2.2.2 實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程分析 9 2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程三個(gè)特點(diǎn)： 11 2.3.1 飽和非線性控制 11 2.3.2準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 11 2.3.3轉(zhuǎn)速超調(diào) 11 2.4 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 12 2.4.1 速調(diào)節(jié)器不飽和 12 2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 13 2.5 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 14 三、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 15 3.1 設(shè)計(jì)初始條件 15 3.2 要求完成的主要任務(wù) 15 四、PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 4.1 直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng) 16 4.2 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析 18 4.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 19 4.3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 19 4.3.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 20 4.3.3 參數(shù)校驗(yàn) 22 4.3.4 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 23 4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 23 4.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 23 4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 24 4.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算 27 4.4.4 參數(shù)校驗(yàn) 27 4.4.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 28 4.5 調(diào)速范圍靜差率的計(jì)算 29 五、系統(tǒng)仿真 30 5.1 仿真軟件Simulink介紹 30 5.2 Simulink仿真步驟 30 5.3 雙閉環(huán)仿真模型 31 5.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖 31 六、心得體會(huì)及小結(jié) 33 七、參考文獻(xiàn) 34 摘要 為了滿足生產(chǎn)工藝要求，需要改變工作速度，在當(dāng)代工業(yè)上PWM控制調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，軋制品種和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。其優(yōu)點(diǎn)還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速方法可以采用機(jī)械的方法取得，但是機(jī)械設(shè)備的變速機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，所以在現(xiàn)代電力拖動(dòng)中，大多數(shù)采用電氣調(diào)速方法。電氣調(diào)速就是對(duì)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在某一負(fù)載下人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，首先要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；其次應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，適宜在較大范圍內(nèi)調(diào)速，在許多需要高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該很好地掌握直流調(diào)速系統(tǒng)。 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(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(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要在。因此，為了使調(diào)速達(dá)到高精度、高準(zhǔn)度的要求，本次設(shè)計(jì)使用了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以此來(lái)組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。這樣的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到任務(wù)要求的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：PWM調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)、雙閉環(huán)調(diào)速 一、直流調(diào)速介紹 1.1 調(diào)速定義 調(diào)速是指在某一具體負(fù)載情況下，通過(guò)改變電動(dòng)據(jù)或電源參數(shù)的方法，使機(jī)械特性曲線得以改變，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。 1.2 調(diào)速方法 1.2.1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 1.2.2 改變電動(dòng)機(jī)主磁通 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 1.2.3 改變電樞回路電阻R 在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 1.3 調(diào)速指標(biāo) 1.3.1 調(diào)速范圍（包括：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍/恒功率調(diào)速范圍） 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍是指調(diào)速系統(tǒng)在額定負(fù)載下，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個(gè)最高速度就是額定速度，比如：1：1000，假定該調(diào)速系統(tǒng)的最大（額定速度）為2000rpm，則其最小運(yùn)行速度為2rpm。指標(biāo)越寬，調(diào)速范圍越大，系統(tǒng)性能越好。 恒功率調(diào)速范圍是指調(diào)速系統(tǒng)在額定功率下，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個(gè)最低速度就是額定速度，比如：1：2，假定該調(diào)速系統(tǒng)的額定速度為1000rpm，則其最高運(yùn)行速度為2000rpm。 1.3.2 動(dòng)態(tài)速降 它是指電機(jī)由空載突加額定負(fù)載時(shí)最大的速度跌落（下降），這個(gè)值越小，表明系統(tǒng)響應(yīng)快，系統(tǒng)特性硬。 1.3.3 恢復(fù)時(shí)間 當(dāng)電機(jī)突加額定負(fù)載后可以恢復(fù)到原先速度所需的時(shí)間，時(shí)間越短，響應(yīng)越好，反之表明系統(tǒng)響應(yīng)慢。 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1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，輸出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。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。 圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使得二者在時(shí)間上恰好的配合。 由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。 2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程 2.2.1 理想啟動(dòng)過(guò)程 由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。 如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起、制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-3所示。當(dāng)電流從最大值降下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。 圖2-3 帶電流截至負(fù)反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程 在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，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)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形見(jiàn)圖2-4，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。 圖2-4 理想快速啟動(dòng)過(guò)程 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-4所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(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)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個(gè)問(wèn)題。 2.2.2 實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓，由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程示于圖2-5。 圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以I、和III。 （1）第Ⅰ階段 電流上升的階段 突加給定電壓后，通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。當(dāng)時(shí)，，電流調(diào)節(jié)器的作用使不再迅猛增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。 （2）第Ⅱ階段 恒流升速階段 從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定(電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù))，因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正也按線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電壓也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計(jì)中必須注意的。 （3）第Ⅲ階段 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 在這階段開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，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)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓立即從限幅值降下來(lái)，主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時(shí)，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小于的過(guò)程，直到穩(wěn)定(設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好)。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程三個(gè)特點(diǎn)： 2.3.1 飽和非線性控制 隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用線性控制理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來(lái)處理。分析過(guò)渡過(guò)程時(shí)，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過(guò)渡過(guò)程還是不一樣的。 2.3.2準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)程中主要的階段是第Ⅱ階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。這個(gè)階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。但整個(gè)起動(dòng)過(guò)程與理想快速起動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第I、Ⅲ兩段電流不是突變。不過(guò)這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成份，已無(wú)傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過(guò)程。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。 采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。 2.3.3轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入第Ⅲ段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸人偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這就是說(shuō)，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。如果工藝上不允許超調(diào)，就必須采取另外的控制措施。 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動(dòng)過(guò)程，但在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。如果必須加快制動(dòng)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。同樣，減速時(shí)也有這種情況。類似的問(wèn)題還可能在空載起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)。這時(shí)，在起動(dòng)的第Ⅲ階段內(nèi)，電流很快下降到零而不可能變負(fù)，于是造成斷續(xù)的動(dòng)態(tài)電流，從而加劇了轉(zhuǎn)速的振蕩，使過(guò)渡過(guò)程拖長(zhǎng)，這是又一種非線性因素造成的。 2.4 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 一般存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向信號(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)隔斷了輸入和輸出間的聯(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作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 2.4.1 速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(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 由第一關(guān)系式可得： 與此同時(shí)，由于ASR不飽和， ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知： 。這就是說(shuō)，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 。而一般都是大于額定電流的，這就是靜特性的運(yùn)行段。 2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng) 不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) 最大電流是設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加度所描述的靜特性是圖2-6中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n<的情況。因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài) 圖2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)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(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。 無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 2.5 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 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 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n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n和，或者說(shuō)，同時(shí)取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(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)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 兩個(gè)給定電壓的最大值和是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。 三、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 3.1 設(shè)計(jì)初始條件 采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 電機(jī)參數(shù)：uN=220V，IN=136A，Nn=1460r/min； 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 晶閘管放大系數(shù) 電樞回路總電阻R=0.5Ω； 電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.03s； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s 額定轉(zhuǎn)速時(shí)給定電壓為10V； 穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量σi≤5%； 空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的過(guò)度過(guò)程時(shí)間ts≤0.5s 3.2 要求完成的主要任務(wù) （1）PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)； （2）系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)； （3）過(guò)程分析,參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與校驗(yàn)。 四、PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng) 整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。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，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以GTR為可控開(kāi)關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)?？刂芇WM脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制H電路中對(duì)電機(jī)速度的控制。 圖4-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示，其中UPE是電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相(或單相)交流電源，輸出為可控的直流電壓鑄。對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P一MOSFET組成的PWM變換器;對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開(kāi)關(guān)器件，如GTO、IGCT等;對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。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。 圖4-2 橋式可逆PWM變化器電路 雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖3所示，它們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，，電樞電流沿回路1流通；當(dāng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反號(hào)，沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)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PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器 4.2 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析 圖4-3繪出了雙極式控制時(shí)的電壓和電流波形。電動(dòng)機(jī)電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反之則反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖4所示的波形是電動(dòng)機(jī)工作在正向電動(dòng)時(shí)的情況。 圖4-3 雙極式控制可逆PWM變換器波形 直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓的正、負(fù)變化，使電流波形隨之波動(dòng)。電流波形存在兩種情況，如圖4中的和。相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這時(shí)負(fù)載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動(dòng)機(jī)始終工作在第Ⅰ象限的電動(dòng)狀態(tài)。相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續(xù)流，而反向開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。電流中的線段3和4是工作在第Ⅱ象限的制動(dòng)狀態(tài)。電樞電流的方向決定了電流是經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管VD還是經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)器件VT流動(dòng)。 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 若占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。 調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為，相應(yīng)地，。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，，電動(dòng)機(jī)停止。 4.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 4.3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在上圖點(diǎn)劃線框的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即，這樣，在按動(dòng)態(tài)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，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4。 圖4-4 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 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)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 和比小得多，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4-5。 圖4-5 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 4.3.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，要校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 式中 --------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) --------電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 （3-3） 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖所示的典型形式，其中 （3-4） 比例系數(shù)，可根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，查表可選 ，， 已知三相橋式電路的平均失控時(shí)間 = 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益： 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)。各變量之間的關(guān)系： 令兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入和輸出最大值都是，額定轉(zhuǎn)速，額定電流，最大電流，為過(guò)載倍數(shù)，一般取為1.5。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 電流反饋系數(shù)： 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間： ，則電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)： 4.3.3 參數(shù)校驗(yàn) 1）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ， 查表典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能都是可以接受的。 電流截止頻率： 2）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。 3） 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， 已知 機(jī)電時(shí)間： 滿足近似條件。 4）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件。 4.3.4 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 圖4-6 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-6所示，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下： 取 取 取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 滿足設(shè)計(jì)要求 4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 4.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)化簡(jiǎn)后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由圖3-4可知： 忽略高此項(xiàng)，可降階近似為： 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)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： 這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以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)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用。 4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-7所示。 圖4-7 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 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)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)和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中. 圖4-8 等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中?，F(xiàn)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(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Ⅱ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。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。 由此可見(jiàn)也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 --------轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) --------轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： 在典型Ⅱ系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中，時(shí)間常數(shù)是控制對(duì)象固定的，待定的參數(shù)有和。為了分析方便，引入一個(gè)新的變量，令 是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬。由于中頻段的狀態(tài)對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)器決定性的作用，因此是一個(gè)很重要的參數(shù)。 在一般情況下，點(diǎn)處在特性段 因此 在工程設(shè)計(jì)中，如果兩個(gè)參數(shù)都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準(zhǔn)則表明，對(duì)于一定的值，只有一個(gè)確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時(shí)和，之間的關(guān)系是 以上兩式稱作準(zhǔn)則的“最佳頻比”，因而有 確定之后根據(jù)上式即可分別求得和。 可得 可知轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為 因此 4.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算 已知，，電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 令，則小時(shí)間常數(shù)近似處理的時(shí)間常數(shù)為： 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則 的超前時(shí)間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： 則的比例系數(shù)為： 4.4.4 參數(shù)校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)條件 滿足簡(jiǎn)化要求。 2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件。 4.4.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 圖4-9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示，取，則 取 取 取 4.5 調(diào)速范圍靜差率的計(jì)算 取 靜差率： 調(diào)速范圍： 五、系統(tǒng)仿真 5.1 仿真軟件Simulink介紹 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。. 構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 5.2 Simulink仿真步驟 (1) 在MATLAB命令窗口中輸入simulink，桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。 (2) 打開(kāi)MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。 (3) 將設(shè)計(jì)的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個(gè)模塊，運(yùn)行調(diào)試功能，如果無(wú)誤后就可以運(yùn)行系統(tǒng)。 (4) 運(yùn)行后便可通過(guò)模擬示波器觀察波形。 5.3 雙閉環(huán)仿真模型 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，雙閉環(huán)仿真模型如圖5-1所示。 圖5-1 雙閉環(huán)仿真模型 5.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，雙閉環(huán)仿真模型如圖5-2所示。 圖5-2 雙閉環(huán)仿真波形 其中，紅色曲線為電流環(huán)，黃色曲線為轉(zhuǎn)速環(huán)波形。電流環(huán)的仿真中，在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，電流值低于，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)的擾動(dòng)，它是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，所以系統(tǒng)做不到無(wú)靜差而是略低于。轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真中，ASR調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，最終穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速。電流調(diào)節(jié)起作用:自動(dòng)限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，速度調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可整定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)以整定系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果符合實(shí)際情況，說(shuō)明參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)較為合適。 六、心得體會(huì)及小結(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調(diào)整限幅值的小或調(diào)整電流反饋系數(shù)就可方便地改變最大電流。在起、制動(dòng)過(guò)程中，速度調(diào)節(jié)器很快入飽和，輸出限幅值為電流環(huán)提供了最大電流給定，電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，在它的調(diào)節(jié)作用下使電流保持在最大值，這時(shí)系統(tǒng)實(shí)際上為一個(gè)恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)的起、制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中電流的波形接近于理想的最佳過(guò)渡波形。當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后，速度調(diào)節(jié)器退出飽和，對(duì)轉(zhuǎn)速起主要調(diào)節(jié)作用，電流環(huán)成為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。 電流反饋環(huán)使得系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，作用在電流環(huán)前向通道上的一切擾動(dòng)作用，如電網(wǎng)電壓擾動(dòng)等，受到電流環(huán)的及時(shí)調(diào)節(jié)所抑制，使轉(zhuǎn)速不受或少受擾動(dòng)的影響。電流內(nèi)環(huán)還起到改造轉(zhuǎn)速外環(huán)中調(diào)節(jié)對(duì)象結(jié)構(gòu)及參數(shù)的作用，加快了轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)響應(yīng)過(guò)程。在特性上，轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用保證了系統(tǒng)無(wú)靜差，電流環(huán)的作用使系統(tǒng)具有較理想的挖土機(jī)下垂特性。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)效正的設(shè)計(jì)與調(diào)試是先按內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）后外環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)）的順序進(jìn)行的，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)過(guò)程中可以認(rèn)為外環(huán)對(duì)內(nèi)環(huán)幾乎沒(méi)有影響，而內(nèi)環(huán)是外環(huán)的一個(gè)組環(huán)節(jié)。從快速起動(dòng)系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)。由于要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，此轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)電樞電流的最大脈動(dòng)量與電源壓成正比，與電樞電感L和開(kāi)關(guān)頻率f成反比，電樞PWM電壓的交變分量對(duì)轉(zhuǎn)速的影響是及其微小的。 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)與掌握了電力系統(tǒng)拖動(dòng)的基本原理及其各種應(yīng)用，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法有了較深入的了解。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及其控制也有了一定的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，我還掌握了不少軟件的應(yīng)用如PROTEL、MATLAB等。 七、參考文獻(xiàn) [1] 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 [2]高鵬，安濤，寇懷誠(chéng)等.Protel 99入門與提高.北京：人民郵電出版社，2004 [3]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2001 [4]張世銘，王振和.直流調(diào)速系統(tǒng).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1993 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