SIEMENS直流調(diào)速系統(tǒng)6RA70課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、摘 要本文介紹了，基于siemens直流控制系統(tǒng)裝置，進(jìn)行的相關(guān)的直流調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速系統(tǒng)是一種通過對直流發(fā)電機(jī)輸出電壓的改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的的系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)中，雖然開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，但卻難以滿足生產(chǎn)工藝對靜差率與調(diào)速范圍的綜合要求。只有按反饋控制原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，才是減小或消除靜差速降的有效途徑。閉環(huán)控制系統(tǒng)又包括單閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)。在控制過程中，系統(tǒng)既要控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)

2、現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)；又要控制電動機(jī)電樞電流，使系統(tǒng)在充分利用電動機(jī)過載能力的條件下或得最快的動態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問題?；谖鏖T子6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)裝置，從九個(gè)實(shí)驗(yàn)題目來對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，通過實(shí)際操作，數(shù)據(jù)分析以及圖像的截取，來實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)，并通過matlab的建模與仿真探究最優(yōu)化參數(shù)，且在電動機(jī)上實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)，西門子6ra70，開環(huán)，單閉環(huán)，雙閉環(huán)，matlab目 錄摘 要11 概述42 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求52.1 設(shè)計(jì)任務(wù)52.2 設(shè)計(jì)要求53 理論設(shè)計(jì)63.1 方案論證63.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.2.1 結(jié)構(gòu)框圖63.2

3、.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理73.3 單元電路設(shè)計(jì)73.3.1 單元電路工作原理84 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目114.1 熟悉6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)的外部接線，掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)114.2 學(xué)習(xí)drivemonitor軟件的使用方法114.3 系統(tǒng)基本參數(shù)輸入124.4 速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)的控制參數(shù)監(jiān)視及分析154.4.1 參數(shù)優(yōu)化154.4.2 參數(shù)監(jiān)視與分析154.5 速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行164.5.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性164.5.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能19圖4-12雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能20圖4-13雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能20圖4-14雙閉環(huán)調(diào)速系

4、統(tǒng)的跟隨性能214.5.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能214.6 斜坡函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)定及波形調(diào)整，改變斜率觀察系統(tǒng)特性234.6.1 參數(shù)設(shè)定與波形調(diào)整234.6.2 系統(tǒng)特性分析274.7 利用模擬量輸出通道d/a轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流及速度動態(tài)響應(yīng)曲線的測試274.8 電機(jī)給定運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)284.8.1給定波形不同時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行軌跡284.8.2 速度和電流環(huán)p、i不同時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行軌跡304.9 電機(jī)模型的辨識與參數(shù)優(yōu)化394.9.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程394.9.2 matlab建模與仿真414.9.3 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)斷開操作414.9.4 線性系統(tǒng)離散化414.9.5

5、 離散系統(tǒng)的模型辨識424.9.6 離散系統(tǒng)連續(xù)化454.9.7 simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析484.9.8 對比仿真圖像與實(shí)際圖像525 結(jié)論556 使用儀器設(shè)備清單567 收獲和體會578 參考文獻(xiàn)581 概述 simoreg dc-master以其高度運(yùn)行可靠性和使用性在世界范圍內(nèi)的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域著稱，其操作非常簡單，并且不需要專門的編程知識，所有設(shè)置均可通過參數(shù)設(shè)定設(shè)備進(jìn)行。參數(shù)設(shè)定也可通過pc 的菜單提示進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)快速地投入運(yùn)行。 西門子6ra28/24/70直流調(diào)速器為全數(shù)字式，其中，6ra70又具有如下特點(diǎn)：電樞電流：15-2000a電樞電壓：420-485v

6、dc勵(lì)磁可調(diào)：simoreg dc-master是全數(shù)字調(diào)速裝置，它接到三相交流電網(wǎng)上，并能調(diào)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)的電樞和勵(lì)磁。優(yōu)化的通訊技術(shù)：simoreg dc-master 使用開放的和標(biāo)準(zhǔn)的 profibus-dp 現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過rs 232 接口可直接連接到 pc 和實(shí)現(xiàn)裝置對裝置通訊。裝置與裝置間通訊：使用新穎的bico技術(shù)使simoreg dc-master 在軟件功能性方面達(dá)到一個(gè)新水平。只需簡單的參數(shù)設(shè)定，就可實(shí)現(xiàn)功能塊的不同組合，滿足實(shí)際的應(yīng)用。bico 新穎的軟件解決方案使用rs485：接口實(shí)現(xiàn)裝置與裝置間的連接，因而實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速全數(shù)字設(shè)定值級鏈。 drivemonitor

7、是實(shí)現(xiàn)對西門子傳動設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試的一個(gè)工具軟件?？梢赃M(jìn)行參數(shù)設(shè)定, 故障分析和跟蹤記錄等功能。 主要功能包括： 參數(shù)設(shè)定、 裝置診斷、 參數(shù)備份和刷新、 數(shù)據(jù)記錄跟蹤、參數(shù)比較等。通過西門子6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)裝置，探究直流調(diào)速系統(tǒng)。2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)（1） 學(xué)會使用simens 直流控制系統(tǒng)裝置。（2）確定控制系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)的原理圖和方框圖，并使用simens 直流控制系統(tǒng)裝置完成自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。 （3） 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告2.2 設(shè)計(jì)要求（1）熟悉siemens直流調(diào)速系統(tǒng)6ra70的外部接線；（2）熟悉并學(xué)會使用siemens直流控制系統(tǒng)裝置；（3）按照要求

8、確定自動控制系統(tǒng)方案； （4）畫出系統(tǒng)的原理電路圖和方框圖；（5）學(xué)習(xí)drive monitor軟件的使用方法（6）掌握siemens直流控制系統(tǒng)裝置的各種參數(shù)設(shè)定方法；（7）設(shè)計(jì)出相應(yīng)的系統(tǒng)配置并完成調(diào)試；（8）撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。3 理論設(shè)計(jì)3.1 方案論證為了滿足工業(yè)自動化對電氣傳動系統(tǒng)越來越高的性能要求，西門子公司1999年隆重推出了新型的直流驅(qū)動產(chǎn)品6ra70，它廣泛適用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，諸如印刷機(jī)械、起重機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)和提升機(jī)械、電梯及有軌纜車傳動，橡膠、造紙和鋼鐵工業(yè)中的傳動，剪切機(jī)，校直機(jī)和卷取機(jī)、軋機(jī)的主傳動，橫向剪切或薄膜機(jī)傳動以及其他特殊應(yīng)用場合。與西門子公司的前代直流驅(qū)動裝

9、置相比，6ra70的特性從機(jī)械結(jié)構(gòu)到軟件特點(diǎn)都有重大突破。它采用了與西門子交流驅(qū)動產(chǎn)品一致的電子箱，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊，模板可以自由配置，安裝方便簡單，6ra70系列單機(jī)電流可達(dá)2000 a，裝置與裝置可以直接并聯(lián)，擴(kuò)展電流可達(dá)12000 a。全部的6ra70直流驅(qū)動裝置可以實(shí)現(xiàn)單象限或四象限運(yùn)行，供電電壓等級為400 v、575v、690v和830v，電樞電流范圍152000 a，勵(lì)磁電流范圍340 a，過載能力可達(dá)150%，也可以提供成柜裝置，即接即用。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖 圖3-1單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 圖3-2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理 圖3-3系統(tǒng)原

10、理圖3.3 單元電路設(shè)計(jì)3.3.1 單元電路工作原理（1）速度調(diào)節(jié)器電路圖3-4速度調(diào)節(jié)器電路圖 速度調(diào)節(jié)器電路圖如圖所示，其工作原理為：通過設(shè)定p621，p622，p623，p624的值來控制速度調(diào)節(jié)器的給定值與反饋值，從而得到偏差值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度的開環(huán)控制或者閉環(huán)控制。同時(shí)可以通過設(shè)定kp和tn的參數(shù)使調(diào)機(jī)器工作在最佳狀態(tài)。（2）電流調(diào)節(jié)器電路圖3-5電流調(diào)節(jié)器電路圖 電流調(diào)節(jié)器電路圖如圖所示，電流調(diào)節(jié)器通過得到給定值與反饋值的偏差來實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)。通過改變p值來控制電流調(diào)節(jié)器的給定與反饋，如果是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以通過設(shè)定p602的值來改變是否與反饋。（3）振蕩、方波發(fā)生器電路圖3-6

11、振蕩、方波發(fā)生器電路圖振蕩、方波發(fā)生器原理圖如圖所示，通過設(shè)定p480，p481，p482，p483的參數(shù)值來改變方波的波形。通過設(shè)定p485的值為1是方波發(fā)生器作為輸入。（4）斜坡函數(shù)發(fā)生器電路圖3-7斜坡函數(shù)發(fā)生器電路圖斜坡函數(shù)發(fā)生器電路圖如圖所示，通過設(shè)定p633，p634，p635，p636，p637，p638，p639，p640，p641,p646的參數(shù)改變斜坡函數(shù)發(fā)生器的功能。（5）電流限幅電路圖3-8電流限幅電路圖（6）轉(zhuǎn)矩限幅，速度限幅調(diào)節(jié)器電路圖3-9轉(zhuǎn)矩限幅，速度限幅調(diào)節(jié)器電路圖4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目實(shí)驗(yàn)題目：（1）熟悉6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)的外部接線，掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；（

12、2）學(xué)習(xí)drivemonitor軟件的使用方法；（3）系統(tǒng)基本參數(shù)輸入； （4）速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)的控制參數(shù)監(jiān)視及分析；（5）速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行；（6）斜坡函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)定及波形調(diào)整，改變斜率觀察系統(tǒng)特性；（7）利用模擬量輸出通道d/a轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流及速度動態(tài)響應(yīng)曲線的測試；（8）電機(jī)給定運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)；（9）確定被控對象的傳遞函數(shù)模型，并利用simulink設(shè)計(jì)合適的速度調(diào)節(jié)器的pi參數(shù)，通過仿真得到理想的階躍響應(yīng)曲線，并在6ra70系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；4.1 熟悉6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)的外部接線，掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4.2 學(xué)習(xí)drivem

13、onitor軟件的使用方法drivemonitor是實(shí)現(xiàn)對西門子傳動設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試的一個(gè)工具軟件?？梢赃M(jìn)行參數(shù)設(shè)定, 故障分析和跟蹤記錄等功能。 主要功能包括： 參數(shù)設(shè)定、 裝置診斷、 參數(shù)備份和刷新、 數(shù)據(jù)記錄跟蹤、參數(shù)比較等。與simoreg裝置連接步驟：（1） 雙擊drivemonitor快捷圖標(biāo)打開畫面（2） 通過file / new / base on factory setting or empty parameter set新建一個(gè)項(xiàng)目（3） 項(xiàng)目設(shè)置（4） 在線設(shè)置drivemonitor常用功能應(yīng)用：（1） 在線參數(shù)設(shè)置 （2） 參數(shù)備份和參數(shù)下載 （3） 參數(shù)文件的導(dǎo)出導(dǎo)入

14、（4） 參數(shù)比較功能 （5） 參數(shù)表轉(zhuǎn)化成excel表形式 （6） 參數(shù)類型選擇 （7） 故障診斷 （8） 裝置連接量（k和b）的應(yīng)用查詢 （9） trace功能應(yīng)用 通過drive monitor對速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，掌握系統(tǒng)的控制參數(shù)監(jiān)視及分析。 4.3 系統(tǒng)基本參數(shù)輸入p051置21恢復(fù)出廠設(shè)置，等待6ra70控制箱的顯示屏出現(xiàn)“o7.0”后進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置。（1）額定電樞電流設(shè)置： p076.1 置10%圖4-1額定電樞電流設(shè)置（2）額定勵(lì)磁電流設(shè)置:p076.2置10%圖4-2額定勵(lì)磁電流設(shè)置（3）電樞線電壓設(shè)置：p078.1置220v圖4-3電樞線電壓設(shè)置（4）

15、反饋量設(shè)置：p083置3 emf actual value圖4-4反饋量設(shè)置（5）電樞電流設(shè)置：p100置1.2a圖4-5電樞電流設(shè)置（6）電樞電壓設(shè)置：p101置220v圖4-6電樞電壓設(shè)置（7）勵(lì)磁電流設(shè)置：p102置0.13a圖4-7勵(lì)磁電流設(shè)置（8）額定轉(zhuǎn)速設(shè)置：p104置1500r/m圖4-8額定轉(zhuǎn)速設(shè)置4.4 速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)的控制參數(shù)監(jiān)視及分析4.4.1 參數(shù)優(yōu)化（1）電流環(huán)參數(shù)自動優(yōu)化:p051置25，在30s內(nèi)順序閉合轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的開關(guān)，并且人為堵轉(zhuǎn)直至顯示“o7.2”結(jié)束。（2）速度環(huán)參數(shù)自動優(yōu)化:p051置26，在30s內(nèi)順序閉合轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的

16、開關(guān)，直至顯示“o7.2”結(jié)束。4.4.2 參數(shù)監(jiān)視與分析（1）優(yōu)化結(jié)果：電流環(huán)自動優(yōu)化最佳參數(shù)：p=0.10 i=0.014圖4-9電流環(huán)自動優(yōu)化速度環(huán)自動優(yōu)化最佳參數(shù)：p=1.56 i=0.106圖4-10速度環(huán)自動優(yōu)化（2） 結(jié)論分析： 6ra70系統(tǒng)可由負(fù)載參數(shù)自動優(yōu)化出速度環(huán)比例系數(shù)為pn=1.56 ，積分時(shí)間常數(shù)為in=0.106；電流環(huán)比例系數(shù)為pi=0.10，積分時(shí)間常數(shù)為ii=0.014。由此參數(shù)得出的動態(tài)響應(yīng)曲線最好。4.5 速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行4.5.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性研究雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行離不開對系統(tǒng)動態(tài)特性的分析，動態(tài)性能主要是指系統(tǒng)對給定輸入（

17、階躍給定）的跟隨性和系統(tǒng)對擾動輸入（階躍擾動）的抗擾性能。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓后，asr和acr兩個(gè)調(diào)節(jié)器鎖零同時(shí)解除，系統(tǒng)便進(jìn)入啟動過程，其動態(tài)響應(yīng)波形可分為三個(gè)階段，在圖中以、和表示。 圖4-11雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性（1）第階段：0t1為強(qiáng)迫建流階段，即電流由零上升到最大值。當(dāng)突加給定電壓后，由于電機(jī)慣性較大，轉(zhuǎn)速與電流反饋沒有建立起來，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入偏差很大，是asr輸出立即達(dá)到限幅值。由于主回路中電感的作用，電樞電流不可能立即建立起來，使acr輸入偏差較大，迫使acr的輸出迅速上升，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)迫電壓使迅速上升。當(dāng)電樞電流上升到大于負(fù)載電流后，電動機(jī)開始啟動。但asr仍然處于

18、飽和限幅狀態(tài)，輸出仍然為，繼續(xù)迫使電流上升，直到時(shí)，完成電流上升階段。在這一階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr處于飽和限幅狀態(tài)，電流調(diào)節(jié)器acr輸出不達(dá)到限幅值，以保證其調(diào)節(jié)作用。（2）第階段：恒流升速階段。這段時(shí)間是從電流達(dá)到最大電流開始到轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速為止。這段時(shí)間是啟動過程中時(shí)間最長的階段。在這個(gè)階段中，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直處于飽和限幅狀態(tài)，asr始終輸出限幅值。電動機(jī)在最大電流作用下升速，增加。雖然asr的輸入偏差在減小，但是仍然不會使asr的輸出退出限幅狀態(tài)。此時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，asr只負(fù)責(zé)給出一個(gè)最大電流給定值。由于asr的輸出保持不變，在電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用下，電

19、樞電流維持最大值不變，系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。由于轉(zhuǎn)速的線性增長，使反電動勢e成為一個(gè)線性漸增的擾動量，它要迫使電流減小。的減小迫使增大，經(jīng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)又使電流上升接近到原來的值。總之，在恒流升速階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr處于飽和的限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。電流調(diào)節(jié)器acr起調(diào)節(jié)作用，維持接近最大電流不變。（3）第階段：轉(zhuǎn)速超調(diào)和電流調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值是，即asr入口偏差電壓為零，但由于幾分作用，asr的輸出還維持在限幅值上，所以電動機(jī)仍在最大電流的作用下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。當(dāng)時(shí)，使asr退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即acr的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時(shí)間內(nèi)

20、，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)時(shí)，n達(dá)到最大值（t3時(shí)刻）。此后電動機(jī)開始在負(fù)載阻力作用下減速，電流出現(xiàn)一段小于的過程之后，逐漸接近穩(wěn)態(tài)。在這一階段中，asr和acr同時(shí)發(fā)揮作用，速度環(huán)的調(diào)節(jié)作用是主導(dǎo)的，它使轉(zhuǎn)速通過電流環(huán)趨近于給定速度，最后使系統(tǒng)穩(wěn)定；而電流環(huán)的作用是使電流及其反饋跟隨變化，即電流環(huán)是隨外環(huán)而動的隨動環(huán)。由此看來，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加階躍給定的啟動過程中，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的飽和非線性，使系統(tǒng)首先變成一個(gè)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)；又以asr退出飽和為轉(zhuǎn)機(jī)，使系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之后成為無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。4.5.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能圖4-12雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能上升時(shí)間：圖4-

21、13雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能峰值時(shí)間：圖4-14雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能調(diào)節(jié)時(shí)間： 超調(diào)量：4.5.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)通過接通磁粉制動器來突加負(fù)載，觀察雙閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾性能，響應(yīng)曲線如圖所示。曲線1是斜坡輸入給定信號k190曲線2是實(shí)際速度反饋信號k167曲線3是電樞電流反饋信號k117圖4-15雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能電樞電流：圖4-16雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能實(shí)際速度：圖4-17雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能最大動態(tài)降落：恢復(fù)時(shí)間：4.6 斜坡函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)定及波形調(diào)整，改變斜率觀察系統(tǒng)特性p485置0；p637置0；p638置0。調(diào)節(jié)有效上升時(shí)間p303、有效初

22、始圓弧p305、有效終止圓弧p306的參數(shù)，觀察斜坡給定信號k190與輸出反饋信號k167的波形并分析。4.6.1 參數(shù)設(shè)定與波形調(diào)整（1）p303置5s；p305、p306置0：圖4-18有效上升時(shí)間為5s時(shí)的波形（2）p303置10s；p305、p306置0：圖4-19有效上升時(shí)間為10s時(shí)的波形（3）p303置5s；p305、p306置10：圖4-20有效初始、終止圓弧為10時(shí)的波形（4）p303置5s；p305、p306置20：圖4-21有效初始、終止圓弧為20時(shí)的波形（5）p303置5s；p305、p306置50：圖4-22有效初始、終止圓弧為50時(shí)的波形（6）p303置5s；p30

23、5、p306置100：圖4-23有效初始、終止圓弧為100時(shí)的波形4.6.2 系統(tǒng)特性分析比較（1）、（2）兩組曲線可知，保持有效初始圓弧、有效終止圓弧不變，給定有效上升時(shí)間越長，斜坡斜率越小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用時(shí)間越長，即上升越慢。比較（1）、（3）、（4）、（5）、（6）五組曲線可知，保持上升時(shí)間不變，給定有效初始圓弧、有效終止圓弧越大，波形過渡越平滑，調(diào)節(jié)時(shí)間也越長。4.7 利用模擬量輸出通道d/a轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流及速度動態(tài)響應(yīng)曲線的測試圖4-24電流及速度動態(tài)響應(yīng)曲線的測試4.8 電機(jī)給定運(yùn)行軌跡控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.8.1給定波形不同時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行軌跡（1） 階躍給定：圖4-25階躍給定

24、時(shí)的運(yùn)行軌跡（2）方波給定：圖4-26方波給定時(shí)的運(yùn)行軌跡（3）梯形波給定：圖4-27梯形波給定時(shí)的運(yùn)行軌跡4.8.2 速度和電流環(huán)p、i不同時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行軌跡（1） 速度環(huán)比例系數(shù)p的比較：p=2.06圖4-28 pn=2.06時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡調(diào)節(jié)時(shí)間：穩(wěn)態(tài)誤差：p=10圖4-29 pn=10時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡調(diào)節(jié)時(shí)間：穩(wěn)態(tài)誤差：結(jié)論分析：比較兩組系統(tǒng)運(yùn)行軌跡并計(jì)算調(diào)節(jié)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)誤差可知，增大比例系數(shù)p，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間變短，穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小，但由圖片看出，曲線振蕩加劇。（2）速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)i的比較：i=0.106圖4-30 =0.106時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡圖4-31 =0.106時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡圖4-32

25、=0.106時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡i=0.05圖4-33=0.05時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡圖4-34=0.05時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡圖4-35=0.05時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡結(jié)論分析比較組和組運(yùn)行軌跡可得，曲線上升時(shí)間減小，但超調(diào)量變大，振蕩次數(shù)增加。結(jié)合理論知識可知，減小積分時(shí)間常數(shù)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，但能消除誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。（3）電流環(huán)比例系數(shù)p的比較：p=0.10圖4-36 pi=0.10時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡p=10圖4-37 pi=10時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡結(jié)論分析比較組和組運(yùn)行軌跡可知，增大電流環(huán)比例系數(shù)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間減小，即系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)間減小，且系統(tǒng)靜差減小；但比例系數(shù)大，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增加，趨于不穩(wěn)定。（4）電流

26、環(huán)積分時(shí)間常數(shù)i的比較：i=0.002圖4-38 ii=0.002時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡i=0.014圖4-39 ii=0.014時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡i=5圖4-40 ii=5時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡結(jié)論分析比較組運(yùn)行軌跡可知，積分時(shí)間常數(shù)越大，調(diào)節(jié)時(shí)間越長，積分作用越弱，且由圖可看出，電流環(huán)積分環(huán)節(jié)并不能消除靜差。4.9 電機(jī)模型的辨識與參數(shù)優(yōu)化用matlab建立離散系統(tǒng)的模型辨識，求出相關(guān)參數(shù)，在simulink環(huán)境中對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，具體仿真內(nèi)容有：建立電機(jī)開、閉環(huán)模型；對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)；對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行跟隨性分析。4.9.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程控制系統(tǒng)

27、仿真，就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，主要用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的一種方法。通常控制系統(tǒng)仿真的過程按以下步驟進(jìn)行：第一步，建立自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。常用最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)各變量之間所遵循的物理、化學(xué)基本定律。這是解析法建立數(shù)學(xué)模型。對于很多復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須通過實(shí)驗(yàn)方法并利用系統(tǒng)辨識技術(shù)，考慮計(jì)算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動態(tài)本質(zhì)，又能簡化分析計(jì)算的工作。這是實(shí)驗(yàn)法建立數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿

28、真的主要依據(jù)。第二步，建立自控系統(tǒng)的仿真模型原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型比如微分方程，并不能用來直接對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。還得將其轉(zhuǎn)換為能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。對于連續(xù)控制系統(tǒng)而言，有像微分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型，在零初始條件下進(jìn)行拉普拉斯變換，求得自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型。以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)，等效變換為狀態(tài)空間模型，或者將其圖形化為動態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型，這些模型都是自控系統(tǒng)的仿真模型。對于離散控制系統(tǒng)而言，有像差分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型以及類似連續(xù)系統(tǒng)的各種模型，這些模型都可以對離散系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。第三步，編制自控系統(tǒng)仿真程序?qū)τ诜菍?shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級語言，例如basic、fortran或

29、c等語言編制仿真程序。對于快速的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當(dāng)然也可以直接利用仿真語言。如果應(yīng)用matlab的toolbox工具箱及其simulink仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是matlab仿真?？刂葡到y(tǒng)的matlab仿真是控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真一個(gè)特殊軟件工具的子集。第四步，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)對仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，而后按照系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結(jié)果。4.9.2 matlab建模與仿真長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)在仿真模型建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后，要設(shè)計(jì)一種算法以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再將其編制成程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行

30、。matlab 提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 simulink 可有效解決上述仿真技術(shù)問題。 在 simulink 中，建立系統(tǒng)模型，可以隨意改變仿真參數(shù)，即時(shí)得到修改后的仿真結(jié)果。 matlab中的分析與可視化工具多種多樣且易于操作。利用 simulink 對動態(tài)系統(tǒng)做適當(dāng)仿真和分析，可以在實(shí)際做出系統(tǒng)之前進(jìn)行，以便對不符合要求的系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)校正，增強(qiáng)系統(tǒng)性能，減少系統(tǒng)反復(fù)修改的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。4.9.3 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)斷開操作將電流環(huán)直接短接，斷開速度環(huán)。斷開速度環(huán)步驟如下：（1） 將速度反饋環(huán)斷掉：p623置為0 （2） 將速度調(diào)節(jié)器變?yōu)橐粋€(gè)純p調(diào)節(jié)器：p224置為0（3） 將速

31、度調(diào)節(jié)器變?yōu)閗=1的比例環(huán)節(jié)：p225改為1（4） 將電流調(diào)節(jié)器短路，避免超速報(bào)錯(cuò)f038：p600置為k0120注：可選設(shè)置：p388改為適當(dāng)數(shù)值，可避免顯示速度監(jiān)控器報(bào)警信息a0314.9.4 線性系統(tǒng)離散化（1）z變換的定義z變換的思想來源于連續(xù)系統(tǒng)。線性連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)定性，可以用拉氏變換的方法來進(jìn)行分析，與此類似，線性離散系統(tǒng)的性能，可以采用z變換的方法來獲得。z變換是從拉氏變換直接引申出來的一種變換方法，它實(shí)際上是采樣函數(shù)拉氏變換的變形。因此，z變換又稱為采樣拉氏變換，是研究線性離散系統(tǒng)的重要數(shù)學(xué)工具。（2）z變換求法設(shè)連續(xù)時(shí)間函數(shù)為,對應(yīng)的離散時(shí)間函數(shù)為,將展開如下 然后逐

32、項(xiàng)進(jìn)行拉氏變換，得到 或者 （7-16）上式就是離散時(shí)間函數(shù)進(jìn)行z變換的一種級數(shù)表達(dá)形式。由這種表達(dá)形式可知，如果知道連續(xù)時(shí)間函數(shù)在各采樣時(shí)刻nt（n=0,1,2,）上的采樣值，便可根據(jù)式（7-16）求得其z變換的級數(shù)展開式，它是一個(gè)無窮項(xiàng)的數(shù)。4.9.5 離散系統(tǒng)的模型辨識離散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為它對應(yīng)的差分方程為可以用表示輸出信號在前一個(gè)采樣周期處的函數(shù)值，這種模型又稱為arx模型。matlab的系統(tǒng)辨識工具箱中提出了各種各樣的系統(tǒng)辨識函數(shù)，其中arx模型的辨識可以有arx( ) 函數(shù)加以實(shí)現(xiàn)。如果已知輸入信號的列向量，輸出信號的列向量，并選定了系統(tǒng)的分子多項(xiàng)式階次，分母多項(xiàng)式階次及系

33、統(tǒng)的純滯后，則可以通過下面命令辨識出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該函數(shù)將直接顯示辨識的結(jié)果，且所得的為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其和分別表示辨識得出的分子和分母多項(xiàng)式模型。matlab的系統(tǒng)辨識工具箱中提供了一個(gè)函數(shù)，可以直接用了辨識差分方程的數(shù)學(xué)模型，將實(shí)驗(yàn)所取的400組離散點(diǎn)輸入到matlab的工作空間，直接調(diào)用函數(shù)辨識出系統(tǒng)的參數(shù)。由于篇幅限制只列舉400組數(shù)據(jù)中的前50組，如下表所示：pos,actualspeed,iaactvalue,rfgoutput0,1,0,21,1,0,12,2,0,43,1,0,14,1,0,15,0,0,06,2,0,27,0,0,18,2,0,49,1,0,110,0,0,11

34、1,6,0,412,1,0,213,0,0,114,8,0,815,2,0,416,0,0,117,2,0,418,101,0,12419,153,0,13520,99,0,8721,41,0,7922,54,0,3123,28,0,2724,24,0,5125,49,0,2226,27,0,2927,21,0,4828,48,0,1729,31,0,2930,27,0,5131,54,0,2432,32,0,3233,27,0,5634,55,0,2135,29,0,3336,21,0,4837,55,0,2738,33,0,3339,28,0,5940,45,0,1841,28,0,737

35、442,956,8181,737443,3329,11797,736744,6317,8998,737445,8599,6550,737146,10086,5346,737447,11404,3982,737148,12277,3729,736749,13178,3616,737150,13948,3186,7374表4-1系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)t1=arx(y,u,3 1 0)discrete-time idpoly model: a(q)y(t) = b(q)u(t) + e(t) a(q) = 1 - 1.606 q-1 + 0.789 q-2 - 0.1253 q-3 b(q) = 0.1

36、432 estimated using arxloss function 12631.5 and fpe 12886.7sampling interval: 1由顯示的參數(shù)可知系統(tǒng)模型為 亦即 。再用函數(shù)提取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型 g=tf(0.1432 0 0 0,1 -1.606 0.789 -0.1253,0.0033) transfer function: 0.1432 z3-z3 - 1.606 z2 + 0.789 z - 0.1253 sampling time: 0.0033可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為直接用函數(shù)轉(zhuǎn)換出來的傳遞函數(shù)模型是雙輸入傳遞函數(shù)矩陣，其第一個(gè)傳遞函數(shù)是所需要的傳

37、遞函數(shù)，第2個(gè)是從誤差信號到輸出信號的傳遞函數(shù)，這里可以忽略。4.9.6 離散系統(tǒng)連續(xù)化 在離散系統(tǒng)中應(yīng)用z變換，是為了把s的超越方程或者描述離散系統(tǒng)的差分方程轉(zhuǎn)換為z的代數(shù)方程，然后寫出離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)，再用z反變換法求出離散系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)。 所謂z反變換，是已知z變換表達(dá)式，求相應(yīng)離散序列的過記為 進(jìn)行z反變換時(shí)，信號序列仍是單邊的，即當(dāng)n h=d2c(g) transfer function:0.1432 s3 + 150.3 s2 + 6.232e004 s + 1.045e007- s3 + 629.4 s2 + 1.157e005 s + 4.211e006 即為方便simu

38、link中的模型建立，求出傳遞函數(shù)零極點(diǎn)，命令如下： z,p,k=tf2zp(0.1432 150.3 6.232e004 1.045e007,1 629.4 1.157e005 4.211e006)z = 1.0e+002 * -4.3454 -3.0752 + 2.7086i -3.0752 - 2.7086ip = 1.0e+002 * -2.9072 + 0.5743i -2.9072 - 0.5743i -0.4795 k =0.1432則傳遞函數(shù)即化為如下形式：4.9.7 simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析（1） simulink仿真工具matlab軟件的toolbo

39、x工具箱與simulink仿真工具，為控制系統(tǒng)的計(jì)算與仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使控制系統(tǒng)的計(jì)算與仿真的傳統(tǒng)方式發(fā)生了革命性的變化。simulink是一個(gè)用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包,不僅界面友好且支持更靈活的模型描述手段。用戶既可直接用方塊圖來輸入仿真模型,也可用matlab語言編寫m-文件來輸入。既可以純圖形方式輸入,也可以純文本方式來輸入。還可將上述兩種方法交叉混合使用。既可對連續(xù)系統(tǒng)也可對離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真,還適合于采樣保持系統(tǒng)。同時(shí),它也具有能在仿真進(jìn)行的過程中動態(tài)改變仿真參數(shù)的功能。因此可以不難理解它自推出以后,就一直受到歐美和日本等國家或地區(qū)的控制界學(xué)者的青睞。si

40、mulink為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口,采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用筆和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。simulink包含有sinks(輸出方式)、source(輸入源)、linear(線性環(huán)節(jié))、nonlinear(非線性環(huán)節(jié))、connections(連接與接口)和extra (其它環(huán)節(jié))子模型庫,而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自已的模塊。用simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu),因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系

41、統(tǒng)模塊,來查看其下一級的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型以后,用戶可以通過simulink的菜單或matlab命令窗口鍵入命令來對它進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便,而命令行方式對于運(yùn)行一類仿真非常有用。采用scope模塊和其它的畫圖模塊,在仿真進(jìn)行的同時(shí),就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后能迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到matlab的workspace(工作空間)里做事后處理。由于matlab和simulink是集成在一起的,因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自已的模型進(jìn)行仿真、

42、分析和修改。（2） simulink環(huán)境中的系統(tǒng)模型、仿真結(jié)果及分析simulink電機(jī)模型仿真（開環(huán)）：圖4-51電機(jī)模型仿真電機(jī)輸入圖形:圖4-52電機(jī)輸入開環(huán)時(shí)輸出圖像：圖4-53開環(huán)輸出電機(jī)模型仿真（閉環(huán)）：圖4-54電機(jī)模型仿真閉環(huán)時(shí)輸出圖像（p=2.06 t=0.106s）：圖4-55閉環(huán)輸出（p=2.06 t=0.106s）閉環(huán)時(shí)輸出圖像（p=4 t=0.106s）：圖4-56閉環(huán)時(shí)輸出圖像（p=4 t=0.106s）閉環(huán)時(shí)輸出圖像（p=2.06 t=0.05s）：圖4-57閉環(huán)時(shí)輸出圖像（p=2.06 t=0.05s）4.9.8 對比仿真圖像與實(shí)際圖像圖4-58 p=2.06

43、t=0.106s時(shí)運(yùn)行軌跡圖4-59 p=4 t=0.106s時(shí)運(yùn)行軌跡圖4-60 p=2.06 t=0.05s時(shí)運(yùn)行軌跡結(jié)論分析：對比simulink仿真曲線與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行曲線可知，兩組曲線有一定誤差，主要可歸結(jié)為一下三方面。（1） 仿真過程中反饋為單位反饋，而實(shí)際電機(jī)由于受設(shè)備等影響，反饋不是標(biāo)準(zhǔn)單位反饋。（2） 用matlab建立傳遞函數(shù)模型時(shí)，只選取了一組數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)模型，由于選取離散點(diǎn)時(shí)可能受設(shè)備及環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)不一定十分準(zhǔn)確。應(yīng)該多選取幾組數(shù)據(jù)，并多建立幾個(gè)模型，經(jīng)分析得到最佳模型。（3）電子元器件的輸入輸出曲線不可能像理論那樣的線性，再加上元器件都有溫度特性曲線，器件參數(shù)

44、都有誤差。5 結(jié)論當(dāng)今，自動化控制系統(tǒng)己經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，直流調(diào)速控制因其具有良好的起動，制動性能，適合在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著重要作用，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究直流調(diào)速系統(tǒng)的控制就顯得非常重要。目前使用的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),是按典型系統(tǒng)采用pi 控制器串聯(lián)校正來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的。pi控制器原理簡單、技術(shù)成熟，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需了解被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只需在線根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡單參數(shù)，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定，即可取得滿意的結(jié)果。因此具有很大的適應(yīng)性和靈活性。在實(shí)驗(yàn)中，速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)可由6ra70系統(tǒng)自行優(yōu)化，通過斜坡函數(shù)發(fā)生器的參