直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

1、直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究摘 要隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關(guān)斷晶體管GTO、全控電力晶體管GTR、P-MOSFET、絕緣柵晶體管IGBT等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開(kāi)關(guān)放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性，采用晶閘管調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流調(diào)速系統(tǒng)。本文主要討論了開(kāi)、單、雙直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念以及

2、靜態(tài)穩(wěn)態(tài)特性。最后應(yīng)用MATLAB的Simulink，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。關(guān)鍵詞：調(diào)速，直流電動(dòng)機(jī)，仿真Dc speed control system simulation researchAbstractWith the rapid development of power electronic devices, the use of gate turn-off transistor GTO, full-controlled power transistor GTR, P-MOSFET, IGBT insulated gate transistor

3、s and some other high-power devices composed of full-controlled pulse width modulated switching transistor amplifier (Pulse Width Modulated), has gradually developed, use more widely. In the electric drive system, the regulation voltage DC converter is the most widely used as a speed control method,

4、 in addition to the use of adjustable DC voltage thyristor rectifier obtained, it can also make use of other power electronic components controllability, using thyristor modulation technology, direct modulation of a constant DC voltage into alternating polarity, size adjustable DC voltage, the DC mo

5、tor armature to achieve the smooth adjustment of the voltage across constitute DC drive system. This paper discusses the open, single, double DC speed control system as well as the basic concepts of static steady state characteristics. Finally the application of MATLAB Simulink, structure-oriented e

6、lectrical schematic diagram of the simulation technology, the DC speed control system is simulated and analyzed.Key words: speed regulation, DC motor, simulation1 引言調(diào)速方法通常有機(jī)械的、電氣的、液壓的、氣動(dòng)的幾種，僅就機(jī)械與電氣調(diào)速方法而言，也可采用電氣與機(jī)械配合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電氣調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn)，如可簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率，操作簡(jiǎn)單，易于獲得無(wú)極調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)控制，因此，在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛采用電氣方

7、法調(diào)速。由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)動(dòng)性能和控制特性，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。就目前來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國(guó)許多工業(yè)部門，如海洋鉆探、紡織、軋鋼、礦山、采掘、金屬加工、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著GTO晶閘管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的問(wèn)世，這些有自斷能力的器件逐步取代了原來(lái)普通晶閘管系統(tǒng)所必須的換向電路，簡(jiǎn)

8、化了電路的結(jié)構(gòu)，提高了效率和工作頻率，降低了噪聲，縮小了電力電子裝置的體積和重量。諧波成分大、功率因素差的相控變流器逐步被斬波器或脈沖寬度調(diào)制器所代替，明顯的擴(kuò)大了電動(dòng)機(jī)控制的調(diào)速范圍，提高了調(diào)速精度，改善了快速性、效率和功率因素。PWM電源終將取代晶閘管相控式可控功率電源，成為電源的主流。隨著信息、控制與系統(tǒng)學(xué)科以及電力電子的發(fā)展，電力拖動(dòng)系統(tǒng)獲得了迅猛發(fā)展，從旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組到水銀整流器靜止交流裝置、晶閘管整流裝置，再到眾多集成電力模塊。目前完全數(shù)字化的控制裝置已成功應(yīng)用于生產(chǎn)，以微機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部件，并具有控制、檢測(cè)、監(jiān)視、故障診斷及故障處理等多功能電氣傳動(dòng)系統(tǒng)正處在形成和不斷完善之中

9、。2 開(kāi)、單、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性2.1.1 V-M系統(tǒng)簡(jiǎn)介晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))，其控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示。圖2.1 V-M開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖其主要包括電力主電路和控制電路兩部分，V-M直流開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主電路由晶閘管變流器VT，電抗器L以及直流電動(dòng)機(jī)M組成。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相或三相的半波、全波、半控、全控等類型。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。在對(duì)靜差率要求不高的場(chǎng)合，它也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。但是，許多生產(chǎn)機(jī)械常對(duì)靜差率有一定的

10、要求，以滿足工藝的需求。在這些情況下，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是不能滿足的。2.1.2 V-M系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 (2.1)式中是電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，改變控制角，得一簇平行直線。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于負(fù)載電流較小或回路電感量小而使電動(dòng)機(jī)電樞電流斷續(xù)，此時(shí)機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多(2.2)(2.3)式中是阻抗角，q是一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。當(dāng)阻抗角j值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角a，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。 對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到為止，當(dāng)時(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。下圖是完整的V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性圖，如圖2.2所

11、示。圖2.2 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性綜上所述，改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，常在主電路串聯(lián)較大的平波電抗器或避免在輕載下運(yùn)行，以保證晶閘管電流連續(xù)，使系統(tǒng)工作在機(jī)械特性曲線狀態(tài)。2.2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，輸入電壓信號(hào)記做。直流電動(dòng)機(jī)是被控對(duì)象，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n是被調(diào)量，如果被控量n與輸入電壓信號(hào)之間通過(guò)反饋環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起形成閉合回路，則構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如果只有一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，稱為單閉環(huán)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。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少

12、轉(zhuǎn)速降落。轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖2.3所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)，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，經(jīng)過(guò)放大器，產(chǎn)生電力電子變換器所需的控制電壓，用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2.3 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析 對(duì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析先作如下假設(shè)：(1) 忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都呈線性關(guān)系。 (2) 假定只工作在V-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段。(3) 忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流與觸發(fā)裝置：V-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性：測(cè)速發(fā)電機(jī)：其中，

13、放大器的電壓放大系數(shù)； 晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)； 測(cè)速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r。 閉環(huán)特性曲線方程式(2.4)式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。2.2.2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系比較開(kāi)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(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為(2.5)而閉環(huán)時(shí)的靜特性的關(guān)系式(2.4)，則比較兩式可以得出以下結(jié)論：(1) 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。(2) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多。(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。(4)

14、 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。綜上所述可得：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保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)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。開(kāi)環(huán)機(jī)械特性和閉環(huán)靜特性的比較如圖2.4所示。圖2.4 開(kāi)環(huán)機(jī)械特性和閉環(huán)靜特性的比較由此看來(lái)，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。2.2.3 轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)(1) 調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即(2.6)其中和一般都指電機(jī)額定

15、負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。(2) 靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即(2.7) 靜差率用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。 調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義，脫離了對(duì)靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過(guò)來(lái)，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。(3) 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差，即于是，而調(diào)速范圍為將

16、上面的式代入，得(2.8)式(2.8)表示變壓器調(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)，它的特性硬度或值是一定的，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是要求s越小，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。2.2.4 反饋控制規(guī)律從靜特性分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣?？傊甂越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，即=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，不能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(2.9)只有K=才能使，而這是不可能的。2.3 無(wú)靜

17、差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其特性2.3.1 比例放大器運(yùn)算放大器用作比例放大器(也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器)，如圖2.5所示。圖2.5 比例放大器(也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器)分別為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響，放大系數(shù)為(2.10)2.3.2 比例積分放大器采用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，如果對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度要求很高，常需要放大系數(shù)大，但卻使系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果加上校正裝置，系統(tǒng)就穩(wěn)定了，但快速性卻下降了；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾。比例積分調(diào)節(jié)器線路圖如圖2.6所示。圖2.6 比例積分調(diào)節(jié)器線路圖2.3.3 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的引入在有靜差轉(zhuǎn)速

18、負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于采用了比例調(diào)節(jié)器(P調(diào)節(jié)器)，因而穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速只能接近于給定轉(zhuǎn)速值，而不可能完全等于給定轉(zhuǎn)速值。提高開(kāi)環(huán)增益只能減小轉(zhuǎn)速降落而不能完全消除轉(zhuǎn)速降落。為了完全消除轉(zhuǎn)速降落，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，根據(jù)自動(dòng)控制原理，可以在轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，用積分調(diào)節(jié)器(I調(diào)節(jié)器)或比例積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。雖然積分調(diào)節(jié)器能使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，但是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很慢，因?yàn)榉e分增長(zhǎng)需要時(shí)間，控制作用只能逐漸表現(xiàn)出來(lái)，與此相反，采用比例調(diào)節(jié)器雖然有靜差，動(dòng)態(tài)反應(yīng)卻比較快，如果既要靜態(tài)準(zhǔn)，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)速度快，可以采用比例積分調(diào)節(jié)器。考慮PI調(diào)節(jié)器輸出量的初始值不為0的情況，由帶限

19、幅作用的PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)：PI調(diào)節(jié)器：觸發(fā)裝置和電力電子變換器：測(cè)速反饋環(huán)節(jié)：調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性：根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性受PI調(diào)節(jié)器的輸出的影響較大，而的具體值要根據(jù)PI調(diào)節(jié)器是否飽和而定。如果PI調(diào)節(jié)器工作在不飽和狀態(tài)，當(dāng)偏差電壓時(shí)，其輸出電壓維持一個(gè)恒定的值；如果PI調(diào)節(jié)器工作在飽和狀態(tài)，則只要偏差電壓，其輸出電壓就等于PI調(diào)節(jié)器的限幅值。2.4 帶限流保護(hù)的有靜差和無(wú)靜差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其特性2.4.1 問(wèn)題的提出為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)，很多生產(chǎn)設(shè)備需要直接加階躍給定信號(hào)。由于系統(tǒng)的機(jī)械慣性比

20、較大，因而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能立即建立起來(lái)，尤其起動(dòng)初期轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)時(shí)，加在比例調(diào)節(jié)器輸入端的轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，幾乎是穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的1+K倍。這時(shí)，由于放大器和變換器的慣性都很小，直流電壓一下子達(dá)到了最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，而直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流也高達(dá)額定電流的幾十倍，過(guò)電流保護(hù)繼電器會(huì)使系統(tǒng)跳閘，電動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)。為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，在電壓不可調(diào)的場(chǎng)合，可采用電樞串電阻起動(dòng)，在電壓可調(diào)的場(chǎng)合則采用降壓起動(dòng)。另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)情況。例如由于故障造成機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)工作時(shí)遇到堅(jiān)硬的石頭等，在這些情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性很硬，若沒(méi)有限流環(huán)節(jié)的保護(hù)，電樞電流

21、將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入哪個(gè)物理量的負(fù)反饋。因此，引入電流負(fù)反饋，就能夠做到保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨負(fù)載增減。可以采用某種方法，當(dāng)電流達(dá)到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋，以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速，這種方法叫做電流截止負(fù)反饋。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如圖2.7和圖2.8所示。對(duì)圖中一些參數(shù)說(shuō)明如下：為電動(dòng)機(jī)等效主電路的回路電流；為電流反饋信號(hào)；為

22、穩(wěn)壓管的擊穿電壓；為比較電壓。圖2.7 利用獨(dú)立直流電源作比較電壓 圖2.8 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 電流反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路中的小阻值電阻，正比于電樞回路電流。當(dāng)電流(為電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)起作用的臨界截止電流)時(shí)，將電流反饋信號(hào)加到放大器的輸入端；當(dāng)電流時(shí)，將電流反饋環(huán)節(jié)切斷。為了實(shí)現(xiàn)上述作用，引入了比較電壓。圖2.7中利用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓，其大小可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。調(diào)節(jié)過(guò)程如下：在與 之間串聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)時(shí)，二極管導(dǎo)通，反饋電壓，電流負(fù)反饋信號(hào)Ui即可加到放大器輸入端，此時(shí)電流負(fù)反饋起作用；當(dāng)時(shí)，二極管截止，電流負(fù)反饋信號(hào)消失。顯然在這一線路中，截止

23、電流。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性如圖2.9。Ui (IdRs-Ucom)圖2.9 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性2.4.2 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 特點(diǎn)：(1) 當(dāng)時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)被截止，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性僅有在給定型號(hào)作用下的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，即有 (2.11) (2) 當(dāng)時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)被引入，得到帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為 (2.12)對(duì)應(yīng)式(2.11)和(2.12)畫(huà)出靜特性，得到電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)靜特性如圖10所示。 電流截止負(fù)反饋不起作用時(shí)，相當(dāng)于圖中的CA段，顯然是比較硬的；電流截止負(fù)反饋起作用后，相當(dāng)于

24、圖中的AB段。從式(2.12)可以看出，AB段特性和CA段相比有兩個(gè)特性：(1) 電流負(fù)反饋參與調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)的靜態(tài)速降大大增加，相當(dāng)于主電路串入了一個(gè)大電阻KpKsRs，隨負(fù)載電流Id的增大，轉(zhuǎn)速急劇下降，直至堵轉(zhuǎn)。(2) 比較電壓Ucom和給定電壓作用一致，把理想空載轉(zhuǎn)速大大提高了，即把提高到圖中的D點(diǎn)。實(shí)際上虛線畫(huà)出的DA段在正常運(yùn)行時(shí)是不起作用的。圖2.10 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 這兩段特性通常稱“下垂特性”或“挖土機(jī)特性”。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過(guò)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過(guò)是堵轉(zhuǎn)電流。在式(2.12)中，令轉(zhuǎn)速n=0，則得到堵轉(zhuǎn)電流 (2.13)一般，因此(2.14

25、) 在設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)時(shí)，一般按照下面的經(jīng)驗(yàn)依據(jù)：應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，可按電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力選擇堵轉(zhuǎn)電流Idbl(1.52)IN倍；另一方面，從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上，希望CA段的運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，一般取Idcr(1.11.2)IN。2.4.3 帶電流截止負(fù)反饋的PI控制無(wú)靜差系統(tǒng)由比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的無(wú)靜差系統(tǒng)可知，在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，如果采用積分控制器和比例積分控制器來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。如果考慮到無(wú)靜差單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)情況下電流過(guò)大的問(wèn)題，則與帶電流截止負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)一樣：首先，無(wú)靜差系統(tǒng)中要引入電

26、流負(fù)反饋，自動(dòng)控制電流；其次，為了解決電流負(fù)反饋在限流的同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的特性變軟的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。假設(shè)系統(tǒng)中電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的比例系數(shù)為，允許電樞電流截止負(fù)反饋的臨界電流為，則有，。當(dāng)電流小于截止電流時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起限流保護(hù)作用，此時(shí)系統(tǒng)中僅存在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)，調(diào)速系統(tǒng)就是一個(gè)由比例積分控制器構(gòu)成的無(wú)靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；當(dāng)電流超過(guò)截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓，使晶體三極管VST導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于0，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)和電流負(fù)反饋信號(hào)同時(shí)起作用，使PI調(diào)節(jié)器的輸出迅速下降，迫使電力電子變換器的輸出電壓急劇下降，從而有效的達(dá)到限制電樞電流的目的

27、。帶電流截止負(fù)反饋的PI控制無(wú)靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，即當(dāng)電流時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起作用。圖2.11 帶電流截止負(fù)反饋的無(wú)靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖帶限流保護(hù)的PI控制無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析如下：當(dāng)電流小于截止電流時(shí)，電流截止，系統(tǒng)是一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于比例積分調(diào)節(jié)器的作用，調(diào)節(jié)器偏差電壓為0，即有即穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為(即帶電流截止保護(hù)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的特性方程)。顯然，在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速僅僅和給定電壓有關(guān)，而與負(fù)載電流擾動(dòng)量無(wú)關(guān)，此時(shí)，系統(tǒng)的靜特性為對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一族水平線。當(dāng)電流突

28、然變化，引起轉(zhuǎn)速n升降時(shí)，依靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋?zhàn)饔茫梢允罐D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到穩(wěn)定值。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)物理過(guò)程敘述如下：當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，負(fù)載電流增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速反饋電壓減小，則給定電壓和之間的偏差電壓信號(hào)增加，使得比例積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓增大，迫使電力電子變換器的平均輸出電壓增加，從而使得電樞電流上升，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回升，直到PI調(diào)節(jié)器輸入偏差信號(hào)再次為0，系統(tǒng)重新工作在穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電流Id大于截止電流Idcr時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋繼續(xù)起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作用，同時(shí)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)開(kāi)始起作用，限制電流過(guò)大。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，比例積分調(diào)節(jié)器綜合輸入信號(hào)仍為0，即有可得到系統(tǒng)的靜特性方程為(2.15)顯然，當(dāng)時(shí)，隨著電流的增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

29、將急劇下降，基本上接近一條垂直線，整個(gè)靜特性近似是矩形。同樣地，在電流的情況下，當(dāng)負(fù)載電流突然變化，引起轉(zhuǎn)速升降時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)可以重新回到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。其物理調(diào)節(jié)過(guò)程如下：當(dāng)電流增加時(shí)，電流反饋信號(hào)增大，比例積分調(diào)節(jié)器反向積分，使調(diào)節(jié)器輸出電壓減小，電力電子變換器的輸出電壓減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速反饋電壓減小，當(dāng)綜合輸入信號(hào)為0時(shí)，PI調(diào)節(jié)器停止積分，其輸出電壓維持在一個(gè)恒定值，系統(tǒng)重新進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電流為堵轉(zhuǎn)電流。2.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，二者之間實(shí)行嵌套，即把

30、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再把電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，這樣就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖2.12所示圖2.12 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.5.1 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Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖2.13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.13所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握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，相當(dāng)

31、與使該調(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)太時(shí)總是為零。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。因此，對(duì)靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)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，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說(shuō)，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(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，它是一條水平的特性。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)，

32、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)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：= （1-3）其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖2.14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線2.5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.15所示。圖中和分別表示轉(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，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞

33、電流顯露出來(lái)。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2.15 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.5.3 起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(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)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如圖2.16所示。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、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成、三個(gè)階段。圖2.16 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣

34、性較大，電動(dòng)機(jī)還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)（n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，這時(shí)，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當(dāng)增加到（負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(dá)到限幅值，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值（在這過(guò)程中的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即 （1-3）式中，電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來(lái)整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)

35、相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。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)仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來(lái)，也隨之降了下來(lái)，但是，由于仍大于負(fù)載電流，在開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時(shí)，電

36、動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中ASR與ACR同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為 （1-4）ACR的輸出電壓為 （1-5）由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過(guò)程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，

37、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線形控制：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)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來(lái)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的

38、控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過(guò)程、兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(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)控制中得到普遍應(yīng)用。3 MATLAB與控制系統(tǒng)仿真3.1 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件。MATLAB是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序技術(shù)語(yǔ)言。早期的MATLAB主要用于解決科學(xué)和工程的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題。由于它使用方便，輸入快捷，運(yùn)算效率

39、高，適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴(kuò)展的空間，因此，自MATLAB軟件問(wèn)世以來(lái)，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，軟件工具越來(lái)越完善。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè)工程領(lǐng)域，并且不斷加以完善。本文通過(guò)對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析，比較開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。用此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真

40、進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。MATLAB具有以下主要特點(diǎn)，非常適合于控制系統(tǒng)的仿真：(1) 強(qiáng)大的運(yùn)算功能。MATLAB提供了向量、數(shù)組、矩陣、復(fù)數(shù)運(yùn)算，高次微分方程求解，常微分非常的數(shù)值積分等強(qiáng)大的運(yùn)算功能，這些運(yùn)算功能是控制理論及控制系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的計(jì)算問(wèn)題得以順利解決。(2) 特殊功能的TOOLBOX工具箱。MATLAB的TOOLBOX工具箱包括控制領(lǐng)域里的常用的算法包，如模糊控制工具箱、魯棒控制工具箱等，這些工具箱使得控制系統(tǒng)的計(jì)算和仿真變得方便。(3) 高效的編程效率。MATLAB提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，這些庫(kù)函數(shù)都可以直接調(diào)用，而不必將其子程序的命令或語(yǔ)句逐一列出，大大提高了編程效率。在科學(xué)與工

41、程應(yīng)用的數(shù)值領(lǐng)域里，MATLAB與其他設(shè)計(jì)程序相比，編程效率提高了好幾倍。3.2 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，該系統(tǒng)由給定信號(hào)、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成，圖4.1是采用面向電氣原理圖方法構(gòu)成的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。圖4.1 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 參數(shù)的設(shè)置和計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為220V，136A，1460r/min，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣性為GD2=22.5Nm2，電動(dòng)機(jī)系數(shù)，勵(lì)磁電壓=220V，平波電抗器，采用三相全控橋式整流電路。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計(jì)算參數(shù)如下： 整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值為

42、電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算：勵(lì)磁電阻勵(lì)磁電感在恒磁場(chǎng)控制時(shí)可取0。電樞電阻，電樞電感由下式估算電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感可按以下步驟計(jì)算轉(zhuǎn)矩系數(shù) 則電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 按照上述計(jì)算，系統(tǒng)的各仿真模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)如下： (1) 交流電源的參數(shù)設(shè)置：三相電源的交流相電壓取142V，頻率50Hz，A相初相相位設(shè)置成，三相相位互差。(2) SCR整流橋參數(shù)設(shè)置：橋臂數(shù)為3，端口A、B、C設(shè)為輸入端，“Power Electronic device(電力電子設(shè)備)”選為“晶閘管”，其它為默認(rèn)值。(3) 平波電抗器的參數(shù)設(shè)置：“Series RLC Branch”模塊中，令，。 (4) 直

43、流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置：勵(lì)磁電源的電壓設(shè)為220V，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)采用上述計(jì)算的結(jié)果。 (5) 6脈沖觸發(fā)器的頻率設(shè)為50Hz，脈沖寬度為10，勾選“Double plusing”。 (6) 轉(zhuǎn)速給定電壓設(shè)為150V。 (7) 仿真算法選擇ode23s，仿真結(jié)束時(shí)間4s。參數(shù)設(shè)置完成后，即開(kāi)始進(jìn)行仿真，電機(jī)MATLAB模型菜單中的運(yùn)行圖標(biāo)，系統(tǒng)即開(kāi)始仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果。雙擊示波器命令后，通過(guò)示波器模塊觀察直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩等信號(hào)的仿真波形如圖4.2所示，圖中從上到下分別為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。在MATLAB命令窗口輸入繪圖命令plot(i,n)，可

44、得到開(kāi)環(huán)機(jī)械特性曲線如圖4.3。輸入繪圖命令：set(0,'ShowHiddenHandles','On') set(gcf,'menubar','figure')可以多輸出圖形進(jìn)行編輯，最終的輸出圖形如圖4.2。圖4.2 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真波形 分析：由圖4.2可以看出，在給定電壓為110V，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流突然增加到820A，轉(zhuǎn)速很快上升，此后，電流開(kāi)始下降，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，最終穩(wěn)定下來(lái)且不能回到以前的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)電樞電流下降并穩(wěn)定下來(lái)。可見(jiàn)開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速不具有可控性。圖4.3 開(kāi)環(huán)機(jī)械特性曲線 分析：由圖4

45、.3可以看出，開(kāi)環(huán)的機(jī)械特性曲線是一條傾斜率很大的線，機(jī)械特性軟，抗干擾能力不強(qiáng)。3.3 有靜差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流器、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成。該系統(tǒng)在電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)速將下降，轉(zhuǎn)速反饋減小，而轉(zhuǎn)速偏差將增大，同時(shí)放大器的輸出增加，并經(jīng)移相觸發(fā)器使整流器輸出電壓、電樞電流增加，從而使電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速也隨之升高，補(bǔ)償了負(fù)載增加造成的轉(zhuǎn)速降。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方程為，轉(zhuǎn)速降為，其中，從穩(wěn)態(tài)特性方程可以看出，如果適當(dāng)增加放大倍數(shù)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降將會(huì)減小，電動(dòng)機(jī)將有更

46、硬的機(jī)械特性，也就是說(shuō)在負(fù)載變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化將減小，電動(dòng)機(jī)有更好的保持穩(wěn)定性的性能。如果放大倍數(shù)過(guò)大，也可能造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。根據(jù)原理圖2.3構(gòu)建的單閉環(huán)有靜差負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。與開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比，二者在主電路的建模和模型參數(shù)設(shè)置基本是相同的，系統(tǒng)的差別主要在控制電路上，有靜差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖4.4所示。圖4.4 有靜差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。根據(jù)需要增設(shè)了限幅器。有靜差調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器。當(dāng)給定信號(hào)為正值時(shí)，通過(guò)放大器輸出的信號(hào)反向，再通過(guò)限幅器后作

47、為同步觸發(fā)器的移相控制信號(hào)。 參數(shù)設(shè)置給定信號(hào)設(shè)為150V，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，限幅器的范圍是-40，40，放大倍數(shù)和時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖4.6。圖4.5 有靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真波形 分析：由圖4.5可以看出，在給定參數(shù)的條件下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到1450r/min，由于沒(méi)有限流措施，在起動(dòng)過(guò)程中的電流很大，達(dá)到820A，這么大的起動(dòng)電流很容易燒毀電動(dòng)機(jī)，而且對(duì)過(guò)載能力低的晶閘管整流來(lái)說(shuō)更是不允許的。圖4.6 k=5和k=30時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 分析：由圖4.6可以看出，隨著放大倍數(shù)的增加，轉(zhuǎn)速降落降低，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速雖然上升了，但是放大倍數(shù)并不是越大越好。當(dāng)0<Kp<Kpcr(Kpcr時(shí)臨界放大倍數(shù)

48、)時(shí)，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真曲線最終穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速；在時(shí)，控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真曲線處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4.7。圖4.7 k=5和k=400時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖4.8 有靜差靜特性仿真曲線分析：由圖4.8可知，比較開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性曲線比開(kāi)環(huán)機(jī)械特性硬的多，能夠在保證一定靜差率的要求下，提高調(diào)速范圍。3.4 無(wú)靜差單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真PI控制的無(wú)靜差單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)原理圖如圖4.9，和有靜差單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)相比，二者僅是控制電路中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用控制的類型不同。圖4.8 PI控制的無(wú)靜差單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反

49、饋直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 控制電路中的PI調(diào)節(jié)器的仿真模型采用比例積分調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)之間的偏差信號(hào)，其輸出信號(hào)為觸發(fā)器控制信號(hào)。 參數(shù)設(shè)置設(shè)該系統(tǒng)的給定電壓150V，PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，放大倍數(shù)。系統(tǒng)無(wú)靜差時(shí)，系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速信號(hào)和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)近似相等，即。因此，轉(zhuǎn)速反饋的系數(shù)可以采用公式估算，這樣給定信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，再通過(guò)限幅器作為同步觸發(fā)器的移相控制信號(hào)。限幅器的范圍仍是-50，50。同樣在單閉環(huán)無(wú)靜差系統(tǒng)中通過(guò)PI控制器、限幅器、等模塊的作用，就可以將速度調(diào)節(jié)器的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器正常工作的范圍之內(nèi)了。圖4.9 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形分析

50、：調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4.9所示，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流突然增加到820A，之后電流開(kāi)始下降，大約在0.4s以后，最終穩(wěn)定在137A，轉(zhuǎn)速n在0.25s時(shí)基本上達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為1465r/min，系統(tǒng)基本上滿足穩(wěn)定關(guān)系式，可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。如果假設(shè)調(diào)速系統(tǒng)為單位負(fù)反饋系統(tǒng)，即，則在給定轉(zhuǎn)速電壓的條件下，當(dāng)放大倍數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，可以基本上做到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。從圖中可以看到，電流開(kāi)始有一個(gè)突變，不過(guò)隨著轉(zhuǎn)速的增加，電流在逐漸減小，然后再經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，電流基本上穩(wěn)定。3.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以充分利用直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使得電動(dòng)機(jī)在

51、啟動(dòng)過(guò)程中以接近最大允許電流運(yùn)行，且電流內(nèi)環(huán)對(duì)系統(tǒng)也進(jìn)行了改造，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。本次仿真是根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的定量仿真。仿真模型如圖4.10所示。圖4.10 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 參數(shù)設(shè)置 控制電路由PI調(diào)節(jié)器、濾波模塊、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋等環(huán)節(jié)組成。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)就是根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法算得的參數(shù)，即ASR的、，ACR的、，上下限幅取10 -10。帶濾波環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)參數(shù)設(shè)置為：Numerator為0.01,Denominator為0.01 1。帶濾波環(huán)節(jié)的電流反饋系數(shù)參數(shù)設(shè)置：Numerator為0.121,Denominator為

52、0.002 1。轉(zhuǎn)速延遲模塊的參數(shù)設(shè)置：Numerator為1，Denominator為0.01 1。電流延遲模塊參數(shù)設(shè)置：Numerator為1，Denominator為0.002 1。 仿真算法采用ode23tb，開(kāi)始時(shí)間為0，結(jié)束時(shí)間為2s。圖4.11 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真波形 分析：從仿真結(jié)果圖4.11中看出，當(dāng)定信號(hào)為10V時(shí)，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電流調(diào)節(jié)器作用下的電動(dòng)機(jī)電樞電流接近最大值，使得電動(dòng)機(jī)以最優(yōu)時(shí)間準(zhǔn)則開(kāi)始上升，在0.25s左右時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)，電流很快下降，在1.4s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為1000r/min，整個(gè)變化曲線同實(shí)際情況非常相似。結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本文簡(jiǎn)單了解了直流調(diào)速系統(tǒng)，尤其是單雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。了解了單雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)很好的驗(yàn)證了這些性能。在對(duì)調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域常利用直流