運動控制課程設(shè)計報告---雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　《運動控制系統(tǒng)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　設(shè)計題目：帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實踐</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………

2、……………………………………………………………………2</p><p>　　一、 概 述…………………………………………………………………………………………2二、 設(shè)計任務(wù)與要求 ……………………………………………………………………………3</p><p>　　2.1 設(shè)計任務(wù)……………………………………………………………………………………3</p><p>　　

3、2.2 設(shè)計要求……………………………………………………………………………………3</p><p>　　三、 理論設(shè)計 ………………………………………………………………………………… 4</p><p>　　3.1 方案論證 ………………………………………………………………………………… 4</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………

4、……………………………………4</p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 ………………………………………………………………………4</p><p>　　3.2.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡……………………………………………………………5</p><p>　　3.2.1.2 確定時間常數(shù)………………………………………………………………………6</p>

5、<p>　　3.2.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)……………………………………………………………6</p><p>　　3.2.1.4 校驗近似條件………………………………………………………………………6</p><p>　　3.2.1.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容……………………………………………………………6</p><p>　　3.2.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)

6、計 ………………………………………………………………………7</p><p>　　3.2.2.1 確定時間常數(shù)………………………………………………………………………8</p><p>　　3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)………………………………………………………………9</p><p>　　3.2.2.3 檢驗近似條件……………………………………………………………

7、…………9</p><p>　　3.2.2.4 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容……………………………………………………………9</p><p>　　3.2.2.5 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量……………………………………………………………………9</p><p>　　3.2.3 轉(zhuǎn)速微分負反饋設(shè)計 ……………………………………………………………… 10</p><p&g

8、t;　　四、 系統(tǒng)建模及仿真實驗 …………………………………………………………………… 11</p><p>　　4.1 MATLAB 仿真軟件介紹… ……………………………………………………………… 11</p><p>　　4.2 仿真建模及實驗 …………………………………………………………………………11</p><p>　　4.2.1 單閉環(huán)仿真實驗…………

9、……………………………………………………………12</p><p>　　4.2.2 雙閉環(huán)仿真實驗………………………………………………………………………14</p><p>　　4.2.3 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)仿真實驗………………………………………………16</p><p>　　4.2.4 仿真波形分析…………………………………………………………………………17

10、</p><p>　　五、 實際系統(tǒng)設(shè)計及原理………………………………………………………………………19</p><p>　　5.1 系統(tǒng)組成及工作原理 ……………………………………………………………………19</p><p>　　5.2 設(shè)備及儀器 ………………………………………………………………………………19</p><p>　　5.3

11、 實驗過程 …………………………………………………………………………………20</p><p>　　5.3.1 實驗內(nèi)容………………………………………………………………………………20</p><p>　　5.3.2 實驗步驟………………………………………………………………………………20</p><p>　　六、 總結(jié)與體會 …………………………………………………

12、………………………………21</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………………………………22</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速

13、響應等優(yōu)點而得到廣泛應用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護電路等．給定信號為0～10V直流信號，可對主電路輸出電壓進行平滑調(diào)節(jié)。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法，用Simulink做了帶

14、轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真波形圖。另外本文還介紹了實物制作的一些情況。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速微分負反饋</p><p>　　一、 概 述 我們都知道，對于調(diào)速系統(tǒng)來說，閉環(huán)調(diào)速比開環(huán)調(diào)速具有更好的調(diào)速性能。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)又要比單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有

15、更好的動態(tài)性能和抗擾性能?；镜碾p環(huán)就是轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，相應的要運用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在V-M調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，

16、形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。略有不足之處就是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，而且抗擾性能的提高也受到限制。解決這個問題的一個簡單的有效的方案就是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設(shè)轉(zhuǎn)速微分負反饋，加入這個環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅超調(diào)，同時可以大大降低動態(tài)速降。</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)及要求</

17、b></p><p><b>　　2.1設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計一個帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)，要求利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路。</p><p><b>　　直流電動機：</b></p><p>　　額定功率3KW，額定電壓220V，額定電流17.5A，&l

18、t;/p><p>　　額定轉(zhuǎn)速 1950r/m，=0.13Vmin/r， </p><p>　　允許過載倍數(shù)=2.1</p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)：=30</p><p>　　電樞回路總電阻：Ra=1.25 Rrec=1.3 RL=0.3 L=200mH</p><p>　　時間常數(shù)

19、：機電時間常數(shù)=0.162s， 電磁時間常數(shù)=0.07s</p><p>　　電流反饋系數(shù)：=0.36V/A（10V/Inom-10V/1.5Inom）</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.0067v min/r（10V/nnom-10V/1.5nnom）</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：=0.01s，=0.002s</p><p

20、>　　總飛輪力矩：GD=3.53N.m</p><p><b>　　h=5</b></p><p>　　di/dt=10Inom/s</p><p><b>　　2.2設(shè)計要求</b></p><p>　?、拧≌{(diào)速范圍D=10，靜差率S ≤ 5％；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 σi ≤ 5%,電流脈

21、動系數(shù)Si ≤ 10％；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 σn ≤ 10％，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的過渡過程時間ts ≤ 0.5s。 ⑵　系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護。 ⑶　觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 ⑷　對拖動系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。</p><p><b>　　三、理論設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1方案論證<

22、;/b></p><p>　　按照設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展設(shè)計原則（本課題設(shè)計先設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，后設(shè)計轉(zhuǎn)速外環(huán),再設(shè)計轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)）。</p><p>　　在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。然后在此基礎(chǔ)上加入轉(zhuǎn)速微分負反饋,這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，

23、工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，達到本課程設(shè)計的要求。</p><p>　　現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深人的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當做預

24、期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設(shè)計過程就要簡便得多。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。</p><p>　　3.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖3.1:</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計</b></p&g

25、t;<p>　　3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計一般來說包含：時間常數(shù)的確定、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算、近似條件的檢驗和實際電路中電阻和電容的計算。本設(shè)計中考慮到電流檢測信號中常含有交流分量，為了使它不影響到調(diào)節(jié)器的輸入，我們按要求在反饋通道中加了低通濾波器。為了平衡該調(diào)節(jié)器的延遲作用，我們又在電流調(diào)節(jié)器的前面加了一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，為的是將延

26、遲抵消。</p><p>　　3.2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　參閱參考文獻{1}的76、77頁，為了解決反電動勢與電流反饋的作用的相互交叉，簡化設(shè)計過程，我們將系統(tǒng)的作用過程做一定的簡化處理。首先我們可以得到，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化緩慢的擾動，因此，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即有。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，我們可以暫且把反電動勢的

27、作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖一(a)所示。其條件是。</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)變等效成單位負反饋，如圖一(b)所示。</p><p>　　最后，由于和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為</p><p>　　則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖一(c)。

28、簡化的近似條件為。</p><p>　　(a) 忽略反電動勢的動態(tài)影響</p><p>　　(b) 等效成單位負反饋系統(tǒng)</p><p>　　(c) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理</p><p>　　圖3.2 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡</p><p>　　3.2.1.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p&

29、gt;　　根據(jù)設(shè)計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　= （3-1）</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能：</p><p><b>　?。?-2）</b></p>

30、<p>　　符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的。</p><p>　　3.2.1.3確定時間常數(shù)</p><p>　　(1) 整流裝置滯后時間常數(shù)。按書表1-2，三相電路的平均失控時間：</p><p>　　=0.0017s （3-3）</p><p>　　(

31、2) 電流濾波時間常數(shù)。</p><p>　　=0.002s （3-4）</p><p>　　(3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取為：</p><p>　　=+=0.0037s (3-5） </p><p>　　3.2.1.4計算電流調(diào)節(jié)器

32、參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：</p><p>　　==0.07s （3-6）</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應取=0.5，因此：</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p&g

33、t;　　于是，ACR的比例系統(tǒng)為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　3.2.1.5校驗近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截至頻率： </b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　

34、　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： </p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：</p><p>

35、<b>　?。?-12）</b></p><p>　　3.2.1.6 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用的運算放大器取得。</p><p><b>　　各電容和電阻值為：</b></p><p>　　、、 （3-13）</p><p>

36、;　　Ri=40k （3-14）</p><p>　　按照上面計算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%<5%,滿足課題所給要求。</p><p>　　Ri=99.51K Ci=0.7uF Coi=0.2uF 取Ri=100K Ci=0.68uF Coi=0.2uF<

37、;/p><p>　　3.2.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計類似電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程，其詳細過程參閱文獻[1]的第80頁到83頁，以下僅給出轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的化簡及傳遞函數(shù)。</p><p>　　如圖3.3(a)，即為未經(jīng)化簡的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　和電流環(huán)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)

38、，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 =+</p><p>　　則轉(zhuǎn)速換結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖3.3(b)所示。</p><p>　　校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3(c)所示。</p><p>　　(a) 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)</p><p>　　(

39、b) 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理</p><p>　　(c) 校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)</p><p>　　圖 3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化</p><p>　　3.2.2.1 確定時間常數(shù)</p><p>　　(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)。取=0.5，則：</p><p>　　s

40、 （3-15）</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。?lt;/p><p>　　=0.01s。 （3-16）</p><p>　　(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，?。?lt;/p><p>　　s

41、（3-17）</p><p>　　3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-18） </b></p><p>　　3.2.2.3 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)

42、取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　則可得ASR的比例系數(shù)為：</p><p><b>　?。?

43、-21）</b></p><p>　　3.2.2.4 校驗近似條件</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為：</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：</p><p><b>　?。?-

44、23）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時間常數(shù)近似處理條件為：</p><p><b>　　(3-24)</b></p><p>　　3.2.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用的運算放大器取=40。</p><p><b>　　各電容和電阻值

45、為：</b></p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　?。?-26）</b></p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　取 0.47uF 3.3Uf</p><p>

46、　　3.2.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當h=4時，由書可以查得：=77.5%，這并不能滿足課題所給要求。實際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。</p><p><b>　　如下：</b></p><p>　　=37.6%

47、 （3-27）</p><p>　　3.2.3 轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)設(shè)計</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計和調(diào)試方便，實踐證明，它是一種性能很好、應用最廣的調(diào)速系統(tǒng)。然而，略有不足之處就是，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)，而且抗擾性能的提高也受到限制。</p><p>　　解決這個問題的一個簡單有效的方案是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

48、器上增設(shè)轉(zhuǎn)速微分負反饋。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示</p><p><b>　　圖 3.4</b></p><p>　　它是在轉(zhuǎn)速負反饋的基礎(chǔ)上疊加了轉(zhuǎn)速微分負反饋信號,在轉(zhuǎn)速變化過程中,只要有轉(zhuǎn)速超調(diào)和動態(tài)速降的趨勢,微分負反饋就開始進行調(diào)節(jié)。這種方法可以抑制甚至消除轉(zhuǎn)速超調(diào),同時也可以降低負載擾動引起的動態(tài)速降,但過強的微分負

49、反饋會使系統(tǒng)的響應速度變慢。其中</p><p>　　取 則只要求出，則微分電容和微分電阻就可求出。按《電力拖動自動控制系統(tǒng)》中的工程設(shè)計方法，當時，得</p><p>　　四、系統(tǒng)建模及仿真實驗</p><p>　　4.1 MATLAB 仿真軟件介紹</p><p>　　MATLAB是MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商

50、業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程

51、語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTR

52、AN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。</p><p>　　開放性使MATLAB廣受用戶歡迎.除內(nèi)部函數(shù)外,所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包. </p>

53、<p>　　4.2仿真建模及實驗</p><p>　　4.2.1雙閉環(huán)仿真實驗</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，如圖4.4所示。</p><p>　　ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 </p>

54、;<p>　　TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器</p><p>　　圖4.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4.4中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p>&

55、lt;p>　　綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，如圖4.9所示：</p><p>　　用MATLAB的SUMLINK模塊搭建轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如 圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　波形如圖4.7和圖4.8所示：&

56、lt;/p><p>　　圖4.7雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速仿真波形</p><p>　　圖4.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流波形</p><p>　　經(jīng)過雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最小波形對比可知：限幅值越大上升時間越小，限幅值越小上升時間越大；同時值越大，超調(diào)越小；值越小，超調(diào)越大。</p><p>　　在符合設(shè)計要求的情況下，經(jīng)過多次的參

57、數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表4.2和圖4.13所示：</p><p>　　表4.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)</p><p>　　由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。</p><p>

58、　　4.2.2帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)仿真實驗</p><p>　　圖4-10為帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)仿真實驗的MATLAB仿真模型圖，與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)比較，帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速外環(huán)上增加了一個微分負反饋環(huán)節(jié)，以消除轉(zhuǎn)速超調(diào)，增強抗干擾能力。</p><p>　　圖4.10 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真模型</p><

59、;p>　　如下圖為上圖所示仿真模型的運行結(jié)果，很直觀的，我們可以看出，增加轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)之后，轉(zhuǎn)速沒有了超調(diào)。。 </p><p>　　圖4.11帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速仿真波形 </p><p><b>　　(b) </b></p><p>　　圖4.12帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)

60、電流仿真波形</p><p>　　4.2.2.1系統(tǒng)抗擾性能分析</p><p>　　主要模擬電網(wǎng)電壓波動、負載變化、電動機勵磁變化、測速電機勵磁變化等。電網(wǎng)電壓波動、負載變化、電動機勵磁變化這些擾動均在反饋環(huán)內(nèi)，故系統(tǒng)能克服擾動.</p><p>　　1、改變Ks=33，仿真結(jié)果如下圖所示</p><p><b>　　圖4.13&

61、lt;/b></p><p>　　從圖中可以看出，波形每什么變化，證明系統(tǒng)能克服電網(wǎng)電壓波動</p><p>　　2、改變Ce=0.15，仿真結(jié)果如下圖所示</p><p><b>　　圖4.14</b></p><p>　　從圖中可以看出，波形每什么變化，證明系統(tǒng)能克服電動機勵磁擾動。</p>&l

62、t;p>　　3、負載擾動的模擬。</p><p>　　在網(wǎng)上搜到挖土機的負載特性，下圖為其挖掘臂遇到堅硬石壁時的負載特性。</p><p><b>　　圖4.15</b></p><p>　　在Signal Buider里面模擬如如下</p><p><b>　　圖 4.16</b></

63、p><p>　　負載電流有一段時間大于額定電流17.5A.系統(tǒng)響應波形如下</p><p><b>　　圖4.17</b></p><p>　　從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速降落在10%以內(nèi)，符合要求。</p><p>　　4、測速電機勵磁擾動模擬</p><p>　　測速電機勵磁擾動會造成電壓反饋系數(shù)的變化，

64、由于擾動在反饋環(huán)上，不在反饋包含的前向通道上，故系統(tǒng)不能克服其干擾。</p><p>　　勵磁擾動模擬仿真如下圖所示：</p><p><b>　　圖4.18</b></p><p>　　4.2.3仿真波形分析</p><p>　　從圖4.12的波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：</p>&

65、lt;p>　　第Ⅰ階段：電流上升階段。</p><p>　　突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.</p><p>　　第Ⅱ階段：是恒流升速階段。</p><p>　　從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值&

66、#160;n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。</p><p>　　第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。</p><p>　　在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏

67、差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉(zhuǎn)速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： </p><p

68、>　　1). 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。</p><p>　?。?）對負載變化起抗擾作用。</p><p>　?。?）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。</p><p>　　2). 電流調(diào)

69、節(jié)器的作用</p><p>　?。?）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是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。</p><p>　?。?）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。</p><p>　?。?）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程</p><p>　?。?）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時

70、，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。</p><p>　　五、實際系統(tǒng)設(shè)計及實驗</p><p>　　5.1 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個調(diào)節(jié)器控制，由于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要參量是轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，而電流環(huán)作

71、為副環(huán)放在里面，可以及時抑制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速的影響。實際系統(tǒng)的組成如圖5.1所示</p><p>　　圖5.1 實物連接圖</p><p>　　主電路采用三相橋式全控整流電路供電。系統(tǒng)工作時，首先給電動機加上額定勵磁，改變轉(zhuǎn)速給定電壓可方便地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR均設(shè)有限幅電路，ASR的輸出作為ACR的給定，利用ASR的輸出限幅起限制啟動電流的作用；ACR的

72、輸出作為觸發(fā)器GT的移相控制電壓，利用ACR的輸出限幅Ucm起限制電力電子變換器的最大輸出電壓的作用。</p><p>　　當突加給定電壓時，ASR立即達到飽和輸出*，使電動機以限定的最大電流加速啟動，直到電動機轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速并出現(xiàn)超調(diào)，使ASR退出飽和，最后穩(wěn)定運行在給定轉(zhuǎn)速上。</p><p><b>　　5.2 設(shè)備及儀器</b></p><

73、;p>　　DJK01 電源控制屏（含“三相電源輸出”、“勵磁電源”等模塊）</p><p>　　DJK02三相變流橋路（含“觸發(fā)電路”、“正橋功放”、“三相全控整流”模塊）</p><p>　　DJK04 電機調(diào)速控制（含“給定”、“電流調(diào)節(jié)器”、“速度變換”等模塊）</p><p>　　DJK08 可調(diào)電容</p><p>　　DD

74、03-2 電機導軌、測速發(fā)電機及轉(zhuǎn)速表（或DD03-3電機導軌、光碼盤測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表） </p><p>　　DJ14 直流他勵電機 </p><p>　　銘牌參數(shù)：額定功率0.185KW，額定電壓220V，額定電流1.2A，</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速 1600r/m，Ce=0.113Vmin/r， </p><p&g

75、t;　　DK04 滑線變阻器（串聯(lián)形式0.65A/2KΩ；并聯(lián)形式1.3A/500Ω）</p><p><b>　　慢掃描示波器</b></p><p><b>　　萬用表</b></p><p><b>　　5.3 實驗過程</b></p><p>　　5.3.1 實驗內(nèi)容

76、</p><p>　　1．理論設(shè)計：根據(jù)所學的理論知識和實踐技能，了解帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，解決積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題；采用工程設(shè)計方法設(shè)計一個帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(含主電路和控制電路,選擇的元器件，系統(tǒng)的電氣原理圖)。 </p><p>　　2．仿真實踐：根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink建立各個組成部分相應的數(shù)學模型，并對

77、系統(tǒng)仿真模型進行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真實驗波形和合適控制器參數(shù)，為搭建實際系統(tǒng)提供參考。</p><p>　　3．動手實踐：根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)，完成單元電路安裝、系統(tǒng)組裝、單元及系統(tǒng)調(diào)試（可利用實驗臺的某些掛件），得出實物實驗波形和系統(tǒng)動、靜態(tài)性能</p><p>　　5.3.2 實驗步驟</p><p>　　1．單元部件參數(shù)整和調(diào)試

78、</p><p><b>　　（1）觸發(fā)器整定。</b></p><p><b>　?。?）調(diào)節(jié)器調(diào)零。</b></p><p>　?。?）調(diào)節(jié)器輸出限幅整定。</p><p><b>　　2．電流環(huán)調(diào)試</b></p><p>　　（1）電流反饋極性的

79、測定及過電流保護環(huán)節(jié)整定。</p><p>　?。?）系統(tǒng)限流性能的檢查和電流反饋系數(shù)的測定。</p><p>　?。?）電流環(huán)動態(tài)特性的研究。 </p><p><b>　　3. 轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)試</b></p><p>　　（1）轉(zhuǎn)速反饋極性及轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的測定。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速環(huán)動

80、態(tài)特性的研究。</p><p>　　4.系統(tǒng)靜特性的測定</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓及發(fā)電機負載電阻,使,,</p><p>　　改變發(fā)電機負載電阻,即可測出系統(tǒng)靜特性曲線。</p><p>　　（2）降低給定電壓,分別測出n=1000r/min,n=500r/min時靜特性曲線。</p><p>&l

81、t;b>　　六、 總結(jié)與體會</b></p><p>　　本次實驗是理論與實踐相結(jié)合的一次實驗。經(jīng)歷了兩個星期的辛苦鉆研和探索，終于把這個實驗給做完了,這過程中遇到了很多麻煩,可我還是圓滿地把它給解決了。MATLAB軟件里面的說明都是英文的，并且有很多模塊，不容易找到，即便找到了也是找了很久才找到的。從這其中可以看出，雖然是用這個軟件有幾次了吧，可是自己在實際操作的過程中，還有許多需要加強的地方

82、。</p><p>　　本次設(shè)計包括仿真和實物持續(xù)共計兩個星期。</p><p>　　在仿真的時候，首先要把單環(huán)連接出來，由于初期的調(diào)試過程不大理想，在調(diào)試參數(shù)的過程中花費了一定的時間才搞成功；然后又繼續(xù)連接雙閉環(huán)，經(jīng)過了相當?shù)囊欢握{(diào)試參數(shù)，才達到了與理想效果接近的結(jié)果。通過多方面的查閱資料了解到了轉(zhuǎn)速微分負反饋的方法，轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)倒是比前兩環(huán)的過程要輕松好多。</p>&l

83、t;p>　　在做實物的過程中，我們也是經(jīng)歷比較坎坷的。因為在機器本身的問題對實驗結(jié)果的影響是相當大的。很不幸，我們那臺在我們按照要求接好線路之后并沒有出現(xiàn)應有的結(jié)果。然后就只有一點一點的用萬用表來檢查是哪里出的問題，最終檢查出是實驗臺本身許多的保險絲給燒掉了。最終我們只有使用得出結(jié)果的組別使用過的機器。然時間等的是長了點，但是做出結(jié)果時的心情還是很歡喜的。</p><p>　　通過本次課程課程設(shè)計之后，我收

84、獲頗豐。理論分析和實際操作方面的結(jié)合更加緊密了，同時自己也認識到了自己很多地方的不足。之前的實驗中，自己也多次使用過MATLAB軟件，每次找元件都花費了許多的時間。但即使這是用過幾次后再次用這個軟件還是比較生硬。通過實驗，及對各種實驗的仿真的熟悉,我更加熟練了MATLAB的基本操作過程和一些常用的MATLAB中許多模塊的的元器件。在之后的日子里，我會更加努力地在抓好基礎(chǔ)知識的同時不斷加強自己在實踐方面的能力。</p>&l

85、t;p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社.第2版 2005</p><p>　　[2]李國勇，謝客明.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD.北京：電子工業(yè)出版社. 2005</p><p>　　[3]趙文鋒.基于MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計于仿真.西安：西安電子科技大學版社.200

86、3</p><p>　　[4] 戴宗坤、羅萬伯. 控制系統(tǒng)設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社.2002</p><p>　　[5] 王兆安、黃俊.電力電子技術(shù).第4版.北京:機械工業(yè)出版社.2000</p><p>　　[6] 馮培悌.計算機控制技術(shù).杭州:浙江大學出版社.1990</p><p>　　[7] 謝宗安.自動控制系統(tǒng).重慶:重慶大學出版