電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)中主電路電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

1、引言調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前對(duì)調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，簡(jiǎn)稱為直流調(diào)速。從上世紀(jì)50年代末開始，晶閘管出現(xiàn)，且晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是大型電機(jī)項(xiàng)目，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)。常用的直流調(diào)速系統(tǒng)包括單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以及融合了各種現(xiàn)代、智能控制方法的新型調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)速。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，相對(duì)于運(yùn)行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足，快速性還不夠好。為了避

2、免單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的種種缺點(diǎn)，我們可以采用轉(zhuǎn)速、電流串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性上都能很理想，能很好的滿足各種應(yīng)用場(chǎng)所，是經(jīng)典的控制系統(tǒng)。摘要本課程設(shè)計(jì)從直流電動(dòng)機(jī)原理入手，建立v-m雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的acr和asr結(jié)構(gòu)，其中主回路采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，觸發(fā)器采用kj004觸發(fā)電路，系統(tǒng)無(wú)靜差；符合電流超調(diào)量i5%；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。并詳細(xì)分析系統(tǒng)各部分原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，且利用simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種參數(shù)給定下的仿真。關(guān)鍵詞

3、：雙閉環(huán)；直流調(diào)速；無(wú)靜差；仿真double closed loop speed regulation system of v-mmain circuit current regulator and the design of the speed regulatorabstractthis course is designed from dc motor, establish the principles of v-m double closed loop dc speed control system design, the double closed loop dc speed contr

4、ol system and the structure, including acr asr the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit kj004 trigger circuit, the system without the static poor; accord with current overshoots sigma i 5% or less; no-load start to the rated speed

5、 overshoot sigma n 10% or less. and detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation.key words：double closed loop；dc speed control system；without the static poor；simulation目錄引言1摘要2abstract31.設(shè)計(jì)原理11.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6、原理11.2各環(huán)節(jié)原理11.2.1 acr原理11.2.2 asr原理21.2.3 主電路原理31.2.4 檢測(cè)電路原理31.2.5 保護(hù)電路41.2.6 電源電路72.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及過(guò)程82.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象82.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則92.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟92.3.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)92.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)123.系統(tǒng)仿真及分析173.1 simulink仿真模型建立173.2參數(shù)驗(yàn)證及優(yōu)化193.3仿真分析223.3.1起動(dòng)過(guò)程仿真分析223.3.2抗負(fù)載擾動(dòng)分析243.3.3抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)分析254.設(shè)計(jì)總結(jié)275.心得收獲287.附錄311.設(shè)計(jì)原理1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理雙閉環(huán)v-m調(diào)速系統(tǒng)主要包括了以

7、下幾部分：acr調(diào)節(jié)器、asr調(diào)節(jié)器、主電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路還有電源電路。我們著重進(jìn)行了acr和asr的設(shè)計(jì)，同時(shí)也為其配置了合適的外圍電路。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器的主要原理如下。調(diào)速系統(tǒng)的主要被控對(duì)象是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓，把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán)，把轉(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)器的輸出去控制電力電子變換器upe，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)閉環(huán)之間實(shí)行嵌套鏈接，且都帶有輸出限幅電路，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓 決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓ucm限制

8、了電力電子變換器的最大輸出電壓udm。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小雨idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這是，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到idm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)。因?yàn)閜i調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求，一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用pi調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。圖1 總體系統(tǒng)框架1.2各環(huán)節(jié)原理1.2.1 acr原理acr為電流調(diào)節(jié)器，為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，電流調(diào)節(jié)器

9、一般均采用pi調(diào)節(jié)器。pi調(diào)節(jié)器原理如圖2，所以有 acr的加入使作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)成為i型系統(tǒng)環(huán)節(jié)，使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)控制。圖2 acr原理圖1.2.2 asr原理asr為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，為了獲得轉(zhuǎn)速無(wú)靜差以及良好的動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也采用pi調(diào)節(jié)。pi調(diào)節(jié)器原理如圖3，所以 asr的加入使外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)成為ii型系統(tǒng)環(huán)節(jié)，所以可對(duì)負(fù)載變化產(chǎn)生的擾動(dòng)起主要抗擾作用，且由于asr作為acr的輸入，使得轉(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。圖3 asr原理圖1.2.3 主電路原理通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓uc來(lái)移動(dòng)脈沖的相位，即可改變平

10、均整流電壓ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）主電路原理圖如下：圖4 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）主電路原理圖圖中vt是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖5：圖5 三相全控橋式整流電路本設(shè)計(jì)中采用了kj004集成觸發(fā)芯片進(jìn)行觸發(fā)控制，其基本原理相同。1.2.4 檢測(cè)電路原理i. 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)可把un接到一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)上即可檢測(cè)轉(zhuǎn)速，如圖6：圖6轉(zhuǎn)速檢測(cè)ii. 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)使用霍爾電流傳感器可以檢測(cè)電流，把ui接到霍爾傳感器上，霍爾效應(yīng)傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，輸出端能真實(shí)的反映輸入端或電壓的波形參數(shù)，如圖7：圖7 電

11、流檢測(cè)1.2.5 保護(hù)電路i. 限幅電路設(shè)計(jì)限幅電路為能按限定的范圍削平信號(hào)電壓波幅的電路，又稱限幅器或削波器。限幅電路常用于：（1）整形，如削去輸出波形頂部或底部的干擾（2）波形變換，如將輸出信號(hào)的正脈沖削去，只留下其中的負(fù)脈沖（3）過(guò)壓保護(hù)，如強(qiáng)的輸出信號(hào)或干擾有可能損壞某個(gè)部件時(shí)，可在這個(gè)部件前接入限幅電路。限幅電路按功能分為上限限幅電路、下限限幅電路和雙向限幅電路三種。在上限限幅電路中，當(dāng)輸入信號(hào)低于某一實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的上限電壓時(shí)，輸出電壓將隨輸入電壓而增減，但當(dāng)輸入電壓達(dá)到或者超過(guò)上限電壓時(shí)，輸出電壓將保持為一個(gè)固定值，不再隨輸入電壓而變，這樣信號(hào)幅度即在輸出端受到限制，同樣，下限限幅電

12、路在輸入電壓低于某一下限電平時(shí)產(chǎn)生限幅作用，雙向限幅電路則在輸入電壓過(guò)高或過(guò)低的兩個(gè)方向上均產(chǎn)生限幅作用。限幅電路原理圖如下：圖8-1 二極管鉗位的的外限幅電路圖8-2 穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路ii. 過(guò)壓保護(hù)電路電力電子裝置中過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類，外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)的操作過(guò)程等外部因素。內(nèi)因主要是由于電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)電壓。對(duì)于外因過(guò)電壓可以設(shè)置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容、壓敏電阻過(guò)電壓抑制器等。本設(shè)計(jì)采用rc過(guò)電壓抑制電路和壓敏電阻如下圖。圖9-1 過(guò)電壓抑制電路 圖9-2壓敏電阻變壓器空載且電源電壓過(guò)零時(shí)原邊拉閘，此時(shí)變壓器勵(lì)

13、磁電流及鐵心中磁通最大，他們的突變將在副變產(chǎn)生出很高的過(guò)電壓，采用阻容電路利用電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效的抑制變壓器繞組的過(guò)電壓，而串聯(lián)的電阻能消耗部分過(guò)電壓能量，同時(shí)抑制lc回路的振蕩。將rc過(guò)電壓抑制電路置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流側(cè)。對(duì)于雷擊等更高的浪涌電壓，阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時(shí)，采用壓敏電阻等非線性電阻進(jìn)行保護(hù)。平時(shí)，壓敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，漏電流極小，一旦發(fā)生浪涌電壓，超過(guò)了壓敏電阻的額定電壓時(shí)，它很快變成低阻狀態(tài)，通過(guò)較大的放大電流，把浪涌的能量吸收掉，過(guò)電壓就被抑制下來(lái)，浪涌電壓過(guò)后，一切又恢復(fù)正常。iii. 過(guò)流保護(hù)電路當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正常或者

14、發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流的現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用的電力電子裝置中，一般采用快速熔斷絲、直流快速斷路器、過(guò)電流繼電器等幾種方式組合使用。快速熔斷絲的作用是防止過(guò)大電流，其額定電壓應(yīng)大于線路正常工作的電壓有效值。快速熔斷器的接法有安裝在交流側(cè)、與元件串聯(lián)、安裝在直流側(cè)三種，見圖3-9。交流側(cè)快速熔斷器能夠?qū)υ搪泛椭绷鱾?cè)短路起保護(hù)作用，但它對(duì)晶閘管元件的保護(hù)作用較差。直流側(cè)快速熔斷器僅能對(duì)直流側(cè)短路與過(guò)載起保護(hù)作用。與元件串聯(lián)快速熔斷器，由于兩者電流相同，故元件保護(hù)作用最好，應(yīng)用極為廣泛。對(duì)中、小容量系統(tǒng)。一般只采用此種接法。圖10 快速熔斷器的接法a)交流側(cè)快速熔斷器 b)與器件串聯(lián)快速熔斷器 c

15、)直流側(cè)快速熔斷器過(guò)流保護(hù)電路采用采用型過(guò)電流保護(hù)電路如下圖。在三相母線每一相串接如圖的過(guò)流保護(hù)電路。圖11 采用型過(guò)電流保護(hù)電路iv. 緩沖電路緩沖電路的作用是抑制電力電子器件內(nèi)因過(guò)電壓或過(guò)電流，以減小器件的開關(guān)損耗。本設(shè)計(jì)中采用如圖所示的緩沖電路，其中電阻、電容的取值可根據(jù)實(shí)際流通晶閘管的電流、以及晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)選取。 圖12 緩沖電路原理圖1.2.6 電源電路系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔?，因此，二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1kw）整流電路中，常見的幾種整流

16、電流有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)是：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。圖13 15v雙電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗原件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器；在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感l(wèi)，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及過(guò)程2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)書要求該系統(tǒng)采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī) =220v， =136a， =1460r/min，電樞電阻 =0.2，允許過(guò)載倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置 =0.00167s，

17、放大系數(shù) =40；平波電抗器：電阻 、電感 ；電樞回路總電阻r=0.5；電樞回路總電感l(wèi)=15mh；電動(dòng)機(jī)軸上的總飛輪慣量gd2=22.5nm2；電流調(diào)節(jié)器最大給定值 =10.2v，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器最大給定值 =10.5v；電流濾波時(shí)間常數(shù) =0.002s，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) =0.01s。設(shè)計(jì)要求：1.穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速無(wú)靜差；2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 ；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算可知：電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：轉(zhuǎn)矩系數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：晶閘管整流器滯后時(shí)間常數(shù)：acr限幅值：asr限幅值：電樞回路最大電流：電流反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” ：從內(nèi)環(huán)開始

18、，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟2.3.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化在按動(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，即de0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示：圖14 電流環(huán)設(shè)計(jì)圖a）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u*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如下圖：圖14 電流環(huán)設(shè)計(jì)圖b）最后，由于ts 和 t0i 一般都比tl 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 ti = ts + toi ，電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終

19、簡(jiǎn)化成下圖：圖14 電流環(huán)設(shè)計(jì)圖c）2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由上圖可以看出，采用 i 型系統(tǒng)就夠了。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型i型系統(tǒng)。 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，則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為下圖所示的典型形式，其中其開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性為：圖15 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流濾波時(shí)間常數(shù)：調(diào)節(jié)器參數(shù)：acr的傳遞函數(shù)為：

20、電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此：校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率：（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件（2）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：滿足近似條件（3）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.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)圖16 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器 ui* 為電流給定電壓；bid 為電流負(fù)反饋電壓；uc 電力電子變換器的控制電壓。電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式：，取=100，電流環(huán)校正為典型i型系統(tǒng)時(shí)：=100=0.3=0.082.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖17可知

21、 圖17電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為 ：近似條件可由式（2-52）求出 ：式中wcn 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 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u*i(s)，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)。2.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)代替圖18中的電流環(huán)后，圖18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖19所示：圖19 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和電流環(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 u*n(s)/a，再把

22、時(shí)間常數(shù)為 1 / ki 和 t0n 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)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 中，現(xiàn)在在擾動(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 型系統(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。由此可見，asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中 kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； t n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則圖20 校正后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇綜合系統(tǒng)和特性考慮，選取h

23、=5，有：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：asr的超前時(shí)間常數(shù)為：可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：可得asr的比例系數(shù)為：截止頻率：asr傳遞函數(shù)為：校驗(yàn)近似條件：（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為：滿足簡(jiǎn)化條件（2）轉(zhuǎn)速換小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：滿足近似條件轉(zhuǎn)速超調(diào)量驗(yàn)證：ii型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量為：現(xiàn)在又有取中頻寬為h=5，當(dāng)按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系時(shí)，查表得，因此即能滿足設(shè)計(jì)要求。4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)圖21 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器u*n為轉(zhuǎn)速給定電壓；-a n 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓；u*i調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式：，取=100，轉(zhuǎn)速環(huán)

24、校正為典型ii型系統(tǒng)時(shí)： =1100=0.07880.08=0.43.系統(tǒng)仿真及分析3.1 simulink仿真模型建立圖22直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink仿真框圖（未優(yōu)化）根據(jù)前面acr和asr的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算過(guò)程可以建立如上圖的simulink仿真模型。但是注意到，上述模型圖中asr和acr的輸出并沒(méi)有限幅作用。帶有限幅環(huán)節(jié)的具有輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器可能一般都會(huì)設(shè)計(jì)如下：圖23 用限幅環(huán)節(jié)模擬輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器但是該圖與實(shí)際的具有輸出飽和的調(diào)節(jié)器的特性完全不同。這是因?yàn)閥2被限幅后，如果pi調(diào)節(jié)器的輸入不為零或不反向，則由于積分作用輸出值y1依然在不斷增加。于是在調(diào)節(jié)器輸入反向之后，

25、由于y1要從絕對(duì)值超出飽和值的地方開始退飽和，將大大加長(zhǎng)飽和的持續(xù)時(shí)間。為了防治上述現(xiàn)象，可以采用與實(shí)際相近的模型如下圖所示。相比于圖2，該圖增加了一個(gè)非線性的反饋環(huán)，反饋增益k選為足夠大的書。該框圖如下：圖24 具有輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器圖但是，圖24仍然存在一個(gè)問(wèn)題，即含有“代數(shù)環(huán)”，采用此調(diào)節(jié)器進(jìn)行系統(tǒng)仿真是，會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的仿真速度，甚至降低仿真精度或得到錯(cuò)誤的仿真結(jié)果。為了避免代數(shù)環(huán)，有許多種方法，可以采取在上圖中k環(huán)節(jié)之后加一個(gè)小慣性延時(shí)環(huán)節(jié)，或者通過(guò)變換結(jié)構(gòu)避免代數(shù)環(huán)。我們采取后者的方法，進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)框圖如下：圖25 可避免“代數(shù)環(huán)問(wèn)題”的具有輸出飽和的pi調(diào)節(jié)器上圖所示的結(jié)構(gòu)具

26、有仿真速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，由于控制器可以看作是p調(diào)節(jié)器和i調(diào)節(jié)器的疊加，顯然代數(shù)環(huán)由p調(diào)節(jié)器引入，考慮在輸出達(dá)到限幅時(shí)，僅通過(guò)反饋減小i調(diào)節(jié)器的輸入，這樣就消除了前饋通道中的比例環(huán)節(jié)，避免了仿真系統(tǒng)中的代數(shù)環(huán)。將asr和acr環(huán)節(jié)改成上述結(jié)構(gòu)，優(yōu)化之后的仿真結(jié)構(gòu)圖如下所示（附錄匯中有詳細(xì)的大圖）：圖26 優(yōu)化之后的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖（附錄中有大圖）3.2參數(shù)驗(yàn)證及優(yōu)化由前面計(jì)算可知，asr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=11.42,ki=11.42/0.0867=131.7,acr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=1.02，ki=34,當(dāng)空載起動(dòng)時(shí)仿真運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：圖27 -1轉(zhuǎn)速n-t圖圖27-2電流idl-t

27、圖從圖中可知，轉(zhuǎn)速n無(wú)超調(diào)，符合要求；電流idl超調(diào)為8%左右，不符合題目要求，所以需要優(yōu)化參數(shù)。經(jīng)過(guò)一些列的參數(shù)嘗試，且考慮到工程上k值一般均為整數(shù)，最終確定asr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=9,ki=100,acr調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=1，ki=27，此時(shí)空載啟動(dòng)仿真結(jié)果如下：經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，系統(tǒng)空載啟動(dòng)動(dòng)態(tài)特性為：轉(zhuǎn)速超調(diào)量為0.34%，電流超調(diào)量為4.5%，均符合指標(biāo)要求。同時(shí)考察其轉(zhuǎn)速誤差量e如圖28所示：圖 28-1 轉(zhuǎn)速n-t圖圖 28-2 負(fù)載電流id-t圖由圖可知e最后的值為0，說(shuō)明這是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，符合設(shè)計(jì)要求。3.3仿真分析3.3.1起動(dòng)過(guò)程仿真分析將轉(zhuǎn)速給定值un設(shè)為10.512

28、v,此時(shí)對(duì)應(yīng)的n轉(zhuǎn)速終值為額定轉(zhuǎn)速1460r/min。niduiuc圖29 空載起動(dòng)過(guò)程中id、n、uc、ui與時(shí)間的關(guān)系其起動(dòng)過(guò)程分析圖如下圖所示：圖30 起動(dòng)過(guò)程分析圖第i階段電流上升的階段（0 t1）突加給定電壓 u*n 后，id 上升，當(dāng) id 小于負(fù)載電流 idl 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) id idl 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 u*im，強(qiáng)迫電流 id 迅速上升。直到，id = idm ， ui = u*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 id 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，a

29、sr很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而acr一般不飽和。第 ii 階段恒流升速階段（t1 t2）在這個(gè)階段中，asr始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流u*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)e 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，e 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， ud0和 uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 id 恒定。當(dāng)acr采用pi調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， id 應(yīng)略低于 idm。恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階

30、段（ t2 以后）當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值u*im，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)， u*i 和 id 很快下降。但是，只要id仍大于負(fù)載電流 idl ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到id = idl時(shí)，轉(zhuǎn)矩te= tl，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（t3 t4），id idl，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，asr和acr都不飽和，asr

31、起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而acr則力圖使 id 盡快地跟隨其給定值u*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （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。3.3.2抗負(fù)載擾動(dòng)分析一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。首先來(lái)關(guān)注抗負(fù)載擾動(dòng)分析。在idl處增加一階躍擾動(dòng)，使得在t=1.5-2.5時(shí)，產(chǎn)生10a的擾動(dòng)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速n和負(fù)載電流id圖形如圖31所示。如圖所示，轉(zhuǎn)速和電流在1.5s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，但是轉(zhuǎn)速很快就調(diào)整回額定

32、值，電流也如此，抗負(fù)載擾動(dòng)起到了良好效果。在此過(guò)程中，因?yàn)樨?fù)載擾動(dòng)出現(xiàn)在電流環(huán)之后，所以只能通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)消除擾動(dòng)影響。圖31 抗負(fù)載擾動(dòng)n、id與時(shí)間關(guān)系3.3.3抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)分析調(diào)速系統(tǒng)除負(fù)載擾動(dòng)外還經(jīng)常收到電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)影響，同抗負(fù)載擾動(dòng)分析類似，在e(s)處增加一階躍擾動(dòng)，使得在t=1.5-2.5時(shí)，產(chǎn)生10v的擾動(dòng)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速n和負(fù)載電流id圖形如下：圖32抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)n、id與時(shí)間關(guān)系由圖可以看出，轉(zhuǎn)速n和電流id在1.5s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，但是轉(zhuǎn)速很快就調(diào)整回額定值，電流也如此，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)起到了良好效果。在此過(guò)程中，因?yàn)閿_動(dòng)產(chǎn)生在電流環(huán)之內(nèi)，所以，主要依靠電流環(huán)的調(diào)節(jié)消除擾動(dòng)

33、。也正因此，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)一般比通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)消除的負(fù)載擾動(dòng)要快一些，當(dāng)然也比單閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)消除擾動(dòng)影響快很多。4.設(shè)計(jì)總結(jié)本文主要進(jìn)行了雙閉環(huán)v-m調(diào)速系統(tǒng)中主電路電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，同時(shí)也進(jìn)行了部分的外圍電路，包括保護(hù)電路、檢測(cè)電路、輔助電源電路等。按照工程化的流程由內(nèi)到外的進(jìn)行了電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、仿真驗(yàn)證及優(yōu)化工作，滿足了課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的全部要求，在起動(dòng)過(guò)程中，主要由電流環(huán)起主要作用，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，主要由轉(zhuǎn)環(huán)其主要作用，電流環(huán)僅表現(xiàn)為跟隨特性。然而，此次設(shè)計(jì)仍有很大的改進(jìn)的地方，比如可以做更多的不同參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，嘗試使用智能控制理論而不是傳統(tǒng)的pid控制方法進(jìn)行控制等。5.心得收獲本次課程設(shè)計(jì)中我主要負(fù)責(zé)了直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模型的建立、acr和asr參數(shù)的計(jì)算、電氣原理圖中保護(hù)系統(tǒng)的一部分和電氣原理圖框架的設(shè)計(jì)繪制等工作。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多東西。由于本次課程設(shè)計(jì)我主要負(fù)責(zé)的是前期的建模工作，這就首先給了我一個(gè)加深對(duì)于理論知識(shí)掌握的機(jī)會(huì)。課上老師給我們?cè)敿?xì)介紹了直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理與工程化設(shè)計(jì)方法，涵蓋了acr和asr的模型選取、調(diào)節(jié)原理、參數(shù)計(jì)算等一系列的知識(shí)，但是這都是些理論知識(shí)，始終感覺(jué)無(wú)法真正的將一些給定的調(diào)節(jié)要求和參數(shù)演變?yōu)榫唧w的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器。而這個(gè)課程設(shè)計(jì)