單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計與仿真

1、<p>　　單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計與仿真</p><p>　　內容摘要：在對調速性能有較高要求的領域，如果直流電動機開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，可利用速度負反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調節(jié)器的負反饋調速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調節(jié)器代替比例調節(jié)器。</p><p>　　通過對單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運算放大器組成的調節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、

2、電機模型和測速電機等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機調速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理論去設計一個實際的調速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進行正確性的驗證。</p><p>　　關鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能 穩(wěn)定性 開環(huán) 閉環(huán)負反饋 靜差</p><p>　　The design and simulation of </p><p>　　Single loo

3、p dc speed control system</p><p>　　Abstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback

4、to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator.<

5、;/p><p>　　Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor ,

6、 motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system

7、, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal</p><p>　　Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset</p><p><b>　　目 錄&

8、lt;/b></p><p><b>　　1緒 論1</b></p><p>　　1.1直流調速系統(tǒng)概述1</p><p>　　1.2 MATLAB簡介1</p><p>　　2 單閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)簡介2</p><p>　　2.1 V—M系統(tǒng)簡介2</p>

9、<p>　　2.2轉速控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速指標2</p><p>　　2.3閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性3</p><p>　　2.4反饋控制規(guī)律4</p><p><b>　　2.5主要部件5</b></p><p>　　2.5.1 比例放大器5</p><p>　　2.5.

10、2 比例積分放大器5</p><p>　　2.5.3額定勵磁下直流電動機7</p><p><b>　　2.6穩(wěn)定條件8</b></p><p>　　2.7穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析8</p><p>　　3 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真10</p><p>　　3.1參數(shù)設計及計算10<

11、;/p><p>　　3.1.1參數(shù)給出10</p><p>　　3.1.2 參數(shù)計算10</p><p>　　3.2有靜差調速系統(tǒng)11</p><p>　　3.2.1有靜差調速系統(tǒng)的仿真模型11</p><p>　　3.2.2主要元件的參數(shù)設置12</p><p>　　3.2.3仿真結果及

12、分析12</p><p>　　3.2.4 動態(tài)穩(wěn)定的判斷，校正和仿真13</p><p>　　3.3無靜差調速系統(tǒng)15</p><p>　　3.3.1 PI串聯(lián)校正的設計15</p><p>　　3.3.2無靜差調速系統(tǒng)的仿真模型17</p><p>　　3.3.3主要元件的參數(shù)設置18</p>

13、;<p>　　3.3.4仿真結果及分析18</p><p>　　3.4有靜差調速系統(tǒng)和無靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)分析設計19</p><p>　　3.4.1有靜差調速系統(tǒng)的仿真模型19</p><p>　　3.4.2參數(shù)設置19</p><p>　　3.4.3仿真結果及分析19</p><p><

14、;b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　1緒 論</b></p><p>　　1.1直流調速系統(tǒng)概述</p><p>　　從生產機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)、張力控制系

15、統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉速來實現(xiàn)的，因此調速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。相比于交流調速系統(tǒng)，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟。</p><p>　　直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。在20世紀60年代發(fā)展起來的電力電子技術，使電能可以變換和控制，產生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調速裝置，為工業(yè)生產，交通運輸，樓宇、辦公、家庭自動化提供了現(xiàn)代化的高新技術，提高了生

16、產效率和人們的生活質量，使人類社會生產、生活發(fā)生了巨大的變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發(fā)以及先進控制技術的發(fā)展，電力電子和電力拖動控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化的影響將越來越大。</p><p>　　1.2 MATLAB簡介</p><p>　　在1980年前后，美國的Cleve博士在New Mexico大學講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應用其它高級語言編程極為不便，便構思并開發(fā)

17、了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實驗室），它是集命令翻譯，科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經過在該大學進行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運算變得異常容易。</p><p>　　MATLABSGI由美國MathWorks公司開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學計算和工程仿真。其數(shù)學計算部分提供了強大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面

18、，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個工程領域，并且不斷加以完善。本文通過對單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運算放大器組成的調節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機模型和測速電機等模塊的理論分析，比較開環(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，得出直流電機調速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用此理論去設計一個實際的調速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進行正確性的驗證。</p><p>　　2 單閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)簡

19、介</p><p>　　2.1 V—M系統(tǒng)簡介</p><p>　　晶閘管—電動機調速系統(tǒng)（簡稱V—M系統(tǒng)），其簡單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。</p><p>　　優(yōu)點：通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調速。</p><p

20、><b>　　缺點：</b></p><p>　　1．由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。</p><p>　　2．元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件。</p><p>　　因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇

21、元件時還應有足夠的余量。</p><p><b>　　圖1 V—M系統(tǒng)</b></p><p>　　2.2轉速控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速指標</p><p>　　1．調速范圍 生產機械要求電動機提供的最高轉速 和 最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即</p><p>　　其中 和 一般都指電機額定負載時的轉速。&

22、lt;/p><p>　　2．靜差率 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落 ，與理想空載轉速 之比，稱作靜差率s，即</p><p>　　靜差率用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度越高。</p><p>　　調速范圍和靜差率兩項指標并不是彼此孤立的必須同時提才有意義。脫離

23、了對靜差率的要求，任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍；反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。</p><p>　　3．調速范圍、靜差率和額定速降的關系</p><p>　　以電動機的額定轉速為最高轉速，若帶額定負載時的轉速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差，即</p><p>　　于是 ，而調速范圍為</p><p

24、><b>　　將上面的式代入，得</b></p><p>　　上式即為調速范圍、靜差和額定速降之間所應滿足的關系。對于一個調速系統(tǒng)，它的特性硬度或 值是一定的，如果對靜差率的要求越嚴，也就是s越小，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。</p><p>　　2.3閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性</p><p>　　轉速反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理如

25、圖。</p><p>　　圖2 采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　1．忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都是線性的；</p><p>　　2．假定只工作在V——M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；</p><p>　　3．忽略直流電源和電位器的內阻。</p><p><b>　　電壓比較環(huán)節(jié)： &

26、lt;/b></p><p><b>　　放大器： </b></p><p>　　晶閘管整流與觸發(fā)裝置： </p><p>　　V—M系統(tǒng)開環(huán)機械特性： </p><p><b>　　測速發(fā)電機： </b></p><p>　　——放大器的電壓放大系數(shù)；</p&g

27、t;<p>　　——晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；</p><p>　　α——測速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r;</p><p>　　因此轉速負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程式</p><p>　　式中 為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以 作為電</p><p>　　動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。</p><p

28、>　　靜特性：閉環(huán)調速系統(tǒng)的電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩(wěn)態(tài)關系。</p><p>　　根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖3所示：</p><p>　　圖3 轉速負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p><b>　　2.4反饋控制規(guī)律</b></p><p>　　從上面分析可以看出，閉環(huán)系

29、統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值對系統(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，在一定靜差率要求下的調速范圍越廣?？傊甂越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設置的放大器僅僅是一個比例</p><p>　　放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為</p><p>　　只有K=∞才能使 ，而這是不可能的。</p><p><b>　　2.5

30、主要部件</b></p><p>　　2.5.1 比例放大器</p><p>　　運算放大器用作比例放大器（也稱比例調節(jié)器、P調節(jié)器），如圖4，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電流的影響</p><p><b>　　放大系數(shù)為</b></p><p>　　圖4 P調節(jié)器原

31、理圖 圖5 P調節(jié)器輸出特性</p><p>　　2.5.2 比例積分放大器</p><p>　　在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯德圖分成高、中、低三個頻段，頻段的界限是大致的。圖6為一種典型伯德圖的對數(shù)幅頻特性。</p><p>　　一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，對快速性要求不高，所以常用PI調節(jié)器。采用運算放大器的

32、PI調節(jié)器如圖7。</p><p>　　圖6 典型控制系統(tǒng)的伯德圖 圖7 比例積分（PI）調節(jié)器</p><p>　　PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　——PI調節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；</p><p>　　——PI調節(jié)器的積分時間常數(shù)。</p><p>　　此傳遞函數(shù)也可以寫

33、成如下的形式</p><p>　　式中 —PI調節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征有以下四個方面：1.中頻段以 -20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；2.截止頻率越高，則系統(tǒng)的快速性越好；3.頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差率小，調速范圍寬）；4.頻段衰減得越快，即高頻特性負分貝值越低，說明

34、系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強。</p><p>　　用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標是相角裕度γ和以分貝表示的幅值裕度Lg。穩(wěn)定裕度能間接的反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著振蕩弱、超調小。</p><p>　　在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖8：</p><p>　　圖8 階躍輸入時PI調節(jié)器的輸出特性 圖

35、9 PI校正裝置在原始系統(tǒng)上 </p><p>　　添加部分的對數(shù)幅頻特性 </p><p>　　將P調節(jié)器換成PI調節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為</p><p>　　其對數(shù)幅頻特性如圖9所示。</p><p>　　由圖8可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用。但是小于穩(wěn)態(tài)性能指標

36、所要求的比例放大系數(shù)的，因為快速性被壓低了，換來穩(wěn)定性的保證。</p><p>　　作為控制器，比例積分調節(jié)器兼顧了快速響應和消除靜差兩方面的要求；作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.5.3額定勵磁下直流電動機</p><p>　?。ㄖ麟娐?，假定電流連續(xù)）</p><p>　　（額定勵磁下的感應電動勢）</p

37、><p>　?。ㄅｎD動力學定律，忽略粘性摩擦）</p><p>　?。~定勵磁下的電磁轉矩）</p><p>　　式中 —包括電機空載轉矩在內的負載轉矩，單位為Nm；</p><p>　　—電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪力矩，單位為 ；</p><p>　　——電動機額定勵磁下的轉矩電流比，單位為Nm/A；&

38、lt;/p><p><b>　　定義下列時間常數(shù)：</b></p><p>　　——電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s；</p><p>　　——電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，單位為；</p><p>　　得電壓與電流間的傳遞函數(shù)</p><p>　　電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為</p><

39、p>　　額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖如下：</p><p>　　圖10 額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖</p><p><b>　　2.6穩(wěn)定條件</b></p><p>　　反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的特征方程為</p><p><b>　　穩(wěn)定條件為</b></p><

40、p><b>　　整理后得</b></p><p>　　上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系統(tǒng)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。根據(jù)上面的分析可知，www.bysj580.com 580畢業(yè)設計網專業(yè)畢業(yè)設計代做平臺 可加QQ 3139476774可能出現(xiàn)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的比放大系數(shù)小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)性能指標，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度。為此必須再設計合適的校正裝置，以改造系統(tǒng)，才能

41、達到要求。</p><p>　　2.7穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析</p><p>　　1.比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　采用比例調節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖11。當 時，只擾動輸入量 ，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差Δn，可將動態(tài)結構圖改畫的形式如圖12。</p><p>　　圖11采用比例調節(jié)器的閉環(huán)有靜差

42、 圖12 給定為0時采用比例調節(jié)器的</p><p>　　調速系統(tǒng)結構圖的一般情況 閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)結構圖</p><p>　　負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差：</p><p>　　這和靜特性分析的結果是完全一致的。</p><p>　　2.積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p

43、>　　將圖12比例調節(jié)器換成積分調節(jié)器如圖13</p><p><b>　　突加負載時 ，于是</b></p><p>　　負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為</p><p>　　可見，積分控制的調速系統(tǒng)是無靜差的。</p><p>　　3.比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　用比例積分

44、調節(jié)器控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖14。</p><p>　　圖13 給定為0時采用積分調節(jié)器圖 圖14 給定為0時采用比例積分調節(jié)器</p><p>　　的閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖 的閉環(huán)調速系統(tǒng)工程結構圖</p><p><b>　　則穩(wěn)態(tài)速差為</b></p><p>　　因

45、此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調速系統(tǒng)。</p><p>　　4.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結構的關系</p><p>　　上述分析表明，就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來說，比例控制系統(tǒng)有靜差，而積分控制和比例積分控制系統(tǒng)都沒有靜差。顯然，只要調節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用點以前含有積分環(huán)節(jié)，則外擾動便不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　3

46、 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真</p><p>　　3.1參數(shù)設計及計算</p><p><b>　　3.1.1參數(shù)給出</b></p><p>　　1.電動機：額定數(shù)據(jù)為10kW,220V,52A,1460r/min,電樞電阻 =0.5Ω，飛輪力矩GD2=10Nm2。 </p><p>　　2.晶閘管裝置：三相橋式可

47、控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結，二次電壓 =230V，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù) =40。</p><p>　　3.V—M系統(tǒng)主電路總電阻R=1.0Ω</p><p>　　4.測速發(fā)電機：永磁式，ZYS231/110型；</p><p>　　額定數(shù)據(jù)為23.1W,110V,0.18A,1800r/min。</p><p>　　5.生產機械要求調

48、速范圍D=10，靜差率s≤5%.</p><p>　　3.1.2 參數(shù)計算</p><p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計算參數(shù)如下：</p><p>　　1.為了滿足D=10，s≤5%，額定負載時調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為</p><p>　　2.根據(jù) ，求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)</p><p>　　式中 &l

49、t;/p><p>　　3.計算測速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和參數(shù)</p><p>　　測速反饋系數(shù)α包含測速發(fā)電機的電動勢轉速比 和電位器的分壓系數(shù) ，即</p><p><b>　　α= </b></p><p>　　根據(jù)測速發(fā)電機數(shù)據(jù)，</p><p>　　試取 ，如測速發(fā)電機與主電動機直接聯(lián)接，則在電

50、動機最高轉速成1460r/min下，反饋電壓為</p><p>　　相應的最大給定電壓約需用18V。若直流穩(wěn)壓電源為±20V，可以滿足需要，因此所取的值是合適的。于是，測速反饋系數(shù)為</p><p>　　電位器的選擇方法如下：考慮測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的確20%，這樣，測速機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小，于是</p><p>　　

51、此時 所消耗的功率為</p><p>　　為了使電位器溫度不是很高，實選瓦數(shù)應為消耗功率的一倍以上，故選 為10W，3kΩ的可調電位器。</p><p>　　4.計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)</p><p><b>　　實取 </b></p><p>　　按運算放大器參數(shù)，取 </p><p>

52、　　則 </p><p><b>　　5.反饋電壓</b></p><p>　　3.2有靜差調速系統(tǒng)</p><p>　　3.2.1有靜差調速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖(如圖3),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉速給定電壓，ramp模塊作為

53、負載擾動，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號綜合點，最后加上示波器。由此建立有靜差調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行仿真（注意：在接線時，如果出現(xiàn)錯誤，提示顏色為紅色）。</p><p>　　圖15 有靜差調速系統(tǒng)</p><p>　　3.2.2主要元件的參數(shù)設置</p><p><b&g

54、t;　　1.轉速給定電壓</b></p><p>　　由于觸發(fā)裝置GT的控制電壓是由給定電壓 和反饋電壓的差經過放大器后產生的，所以二者的差不會很大，于是取 ，即常量值（constant value）設為18。采用斜坡函數(shù)，并加上staturation模塊作為限幅。</p><p>　　在電路圖的Simulink 菜單選項中，選擇Simulintion Parameter 中。

55、</p><p>　　對仿真參數(shù)進行如下設置：Start time:0.1; stop time:2.0</p><p>　　3.2.3仿真結果及分析</p><p>　　1.Kp的值不同時其輸出特性如圖16所示，a)為 ，b）為 。</p><p>　　(1） (2） </

56、p><p>　　圖16 有靜差調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性</p><p>　　上圖——轉速 下圖——負載電流</p><p>　　(1)圖中轉速為1449.75r/min，隨著負載電流的增加，轉速有所下降，在0.63s時，電流達到額定值52A，這時的轉速降為1442.5r/min，系統(tǒng)的轉速降為Δn=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min

57、。</p><p>　　(2)圖中為 時系統(tǒng)的特性，從轉速曲線可以看到，隨著放大倍數(shù)的增加，系統(tǒng)的轉速降減小，靜特性的硬度增加，抗負載能力提高。</p><p>　　2.不同給定值下系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)特性，如圖17。</p><p>　　(1）為 ，轉速降為n=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min。</p><p>

58、;　　(2)為 ,轉速降為n=1433.75-1426.25r/min=7.6r/min。</p><p>　　通過對比可以得出，單閉環(huán)調速系統(tǒng)具有很好的跟隨特性。</p><p>　　(1） (2） </p><p>　　圖17 有靜差調速系統(tǒng)不同給定作用時的穩(wěn)態(tài)輸出特性</p><p

59、>　　3.2.4 動態(tài)穩(wěn)定的判斷，校正和仿真</p><p>　　按保證最小電流 時電流連續(xù)的條件(三相橋式整流電路 )計算電樞回路電感量，由于 </p><p>　　取L=18mH=0.018H</p><p><b>　　計算系統(tǒng)時間常數(shù)：</b></p><p>　　電樞回路電磁時間常數(shù) </p&g

60、t;<p>　　電力拖動機電時間常數(shù) </p><p>　　失控時間常數(shù) </p><p>　　為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應有</p><p>　　代入具體數(shù)值并計算后得K<124.5,滿足K>60.1，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性在這里不矛盾。</p><p>　　下面從原始系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特

61、性來分析研究閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　在一般情況下， ，因此項有兩個負實根，令其為 和 。也就是說，可將該項分解為兩個因式</p><p>　　于是開環(huán)傳遞函數(shù)變成</p><p>　　， ， ，在這里， 是成立的。代入上式并分解因式，得</p><p>　　根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算的結果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已取為</p>

62、<p>　　于是閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　相應的開環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性如圖，其中三個轉折頻率分別為</p><p>　　利用margin命令函數(shù)</p><p>　　n1=[0 62.53];d1=[0.174 1];s1=tf(n1,d1);</p><p>　　n2=[0 1];d2=[0.016 1];s2

63、=tf(n2,d2);</p><p>　　n3=[0 1];d3=[0.00167 1];s3=tf(n3,d3);</p><p>　　sys=s1*s2*s3;</p><p>　　margin(sys)</p><p>　　得出原始閉環(huán)調速系統(tǒng)的頻率特性如圖18：</p><p>　　圖18 原始系統(tǒng)的伯德圖

64、</p><p>　　由圖可見，相角裕度γ=12.9deg，幅值增益裕度GM=6.14dB，都是正值，所以閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　3.3無靜差調速系統(tǒng)</p><p>　　3.3.1 PI串聯(lián)校正的設計</p><p>　　本系統(tǒng)的PI調節(jié)器設計如下。根據(jù)原始系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性圖可知：</p><p>

65、;　　因此 </p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)，得</b></p><p>　　按上述方法，取 ，并使 ，取 ，在特性上查得相應的 ，因而 。</p><p><b>　　從圖上看出</b></p><p><b>　　已知 ，因此 </b

66、></p><p>　　而 </p><p>　　PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　最后，選擇PI調節(jié)器的參數(shù)。已知 ，</p><p><b>　　則 ，取 。</b></p><p><b>　　,取 ,</b></p&g

67、t;<p>　　驗證晶間管和整流裝置的傳遞函數(shù)是否滿足近似成一階慣性環(huán)節(jié)的條件，這個條件是： ?，F(xiàn)在，校正后系統(tǒng)的截止頻率 ，而</p><p>　　顯然，上述近似條件是成立的，設計有效。</p><p>　　根據(jù)上述分析，加上PI校正后整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得</b></p>

68、<p>　　圖19 校正后的伯德圖</p><p>　　從圖可知，GM=24dB和γ=56.5deg都是正值，系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　圖20 閉環(huán)調速系統(tǒng)的PI調節(jié)器串聯(lián)校正</p><p>　　(1)原始系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性 </p><p>　　(2)校正環(huán)節(jié)添加部分的對數(shù)幅頻和相頻特性 </p>

69、<p>　　(3)校正后系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性</p><p>　　從圖20的對比中可以看出：校正后的系統(tǒng)的仰臥頻段的斜率變陡，說明校正后的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度變好了（即靜差率變?。?；校正后的截止頻率變小了，說明PI校正犧牲了系統(tǒng)的快速性。</p><p>　　3.3.2無靜差調速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　從上面的分析可以知，只要系統(tǒng)中含有積分環(huán)節(jié)

70、，該系統(tǒng)就是無靜差的。無靜差調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖21，仿真模型如圖22。</p><p>　　圖21 無靜差調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖(如圖21),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉速給定電壓，ramp模塊作為負載擾動，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號綜合點，integrator模塊作

71、為積分器，最后加上示波器。由此建立有靜差調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行仿真。</p><p>　　圖22 無靜差調速系統(tǒng)的MATLAB仿真模型</p><p>　　3.3.3主要元件的參數(shù)設置</p><p>　　轉速給定電壓、負載擾動、限幅值、傳遞函數(shù)、信號綜合點等模塊的參數(shù)設置與有靜差調速系統(tǒng)的參數(shù)設置相同。</p><

72、p>　　將有靜差調速系統(tǒng)系統(tǒng)中的Kp比例環(huán)節(jié)換成積分環(huán)節(jié)，參數(shù)設置：分子為[0.174 1], 分母為[0.385 0]。stop time為3.0。</p><p>　　3.3.4仿真結果及分析</p><p>　?。?）其中給定為18V，給定和負載同時作用時的輸出波形如圖23所示</p><p>　　圖23 有靜差調速系統(tǒng)給定和負載

73、 圖24無靜差調速系統(tǒng)給定和負載</p><p>　　同時作用時的穩(wěn)態(tài)特性 同時作用時的穩(wěn)態(tài)特性</p><p>　　與有靜差調速系統(tǒng)輸出波形圖相比較可知，加入無積分環(huán)節(jié)后，波形變得平滑了。</p><p>　　3.4有靜差調速系統(tǒng)和無靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)分析設計</p><p>　　3.4.1有靜差調速系統(tǒng)

74、的仿真模型</p><p>　　有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖25所示，將前述靜態(tài)比例環(huán)節(jié)Ks換為。</p><p>　　圖25 采用比例調節(jié)器的閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)結構圖</p><p>　　仿真模型如圖26，其中微分環(huán)節(jié)的設置如圖所示。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖(如圖25),選擇仿真模塊：使用constant模塊作為轉速給定電

75、壓，ramp模塊作為負載擾動，并用staturation模塊限幅，選擇Gain模塊作為傳遞函數(shù)模塊，sum模塊作為信號綜合點，Derivative模塊作為微分器，最后加上示波器。由此建立有靜差調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行仿真。圖26為添加恒定負載時的仿真模型。</p><p>　　圖26 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)添加恒定負載時的動態(tài)仿真模型</p><p><b>

76、;　　3.4.2參數(shù)設置</b></p><p>　　轉速給定電壓、負載擾動、傳遞函數(shù)、信號綜合點等模塊的參數(shù)設置與有靜差調速系統(tǒng)的參數(shù)設置相同。其它參數(shù)設置如圖所示。</p><p>　　3.4.3仿真結果及分析</p><p>　　1.圖27為給定電壓時的輸出特性。</p><p>　　圖28為給定電壓時的輸出特性。</

77、p><p>　　圖27有靜差調速系統(tǒng)當給定作為 圖28有靜差調速系統(tǒng)當給定作為</p><p>　　時的動態(tài)輸出特性 時的動態(tài)輸出特性</p><p>　　2.從圖27和圖28中可以看出有靜差調速系統(tǒng)的轉速對于給定電壓具有很好跟隨性，給定電壓越大，最終轉速越高。且動態(tài)模型中，轉速會慢慢趨于穩(wěn)定。</p>&

78、lt;p>　　3., , 時的轉速輸出如圖29所示。此時仿真參數(shù)stop time 設為1.0s。從圖中可以看出，速度趨于穩(wěn)定的時間約為0.5s。但是當Kp增大到40時，波形變得發(fā)散，說明Kp不能一直增大，否則會變得不穩(wěn)定。</p><p>　　圖29 給定為18V額定電流下的有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)特性</p><p>　　4. 圖30為用Ramp模塊加上staturation模塊限幅

79、作為負載擾動。</p><p>　　圖30 給定為階躍函數(shù)時的有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)</p><p>　　5.圖31為給定電壓時的輸出特性。</p><p>　　圖32為給定電壓時的輸出特性。</p><p>　　圖31有靜差調速系統(tǒng)當給定作為 圖32有靜差調速系統(tǒng)當給定作為</p><p&g

80、t;　　時的動態(tài)輸出特性 時的動態(tài)輸出特性</p><p>　　6.從圖31和圖32中也可以看出有靜差調速系統(tǒng)的轉速對于給定電壓具有很好跟隨性，給定電壓越大，最終轉速越高。且動態(tài)模型中，轉速會慢慢趨于穩(wěn)定。</p><p>　　7., , 時的轉速輸出如圖33所示。此時仿真參數(shù)stop time 設為0.5s。從圖中可以看出，速度趨于穩(wěn)定的時間約為0.45

81、s。但是當Kp增大到40時，波形變得發(fā)散，說明Kp不能一直增大，否則會變得不穩(wěn)定。</p><p>　　圖33 給定為階躍函數(shù)下的有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)特性</p><p>　　8. 無靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型如圖34所示。將有靜差調速系統(tǒng)的比例控制器換成比例積分控制器。有靜差調速系統(tǒng)的輸出特性如圖35所示無靜差調速系統(tǒng)的輸出特性如圖36所示。此時仿真參數(shù)stop time 設為2.0s

82、。 </p><p>　　圖34 無靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型</p><p>　　圖35 有靜差調速系統(tǒng) 圖36 無靜差調速系統(tǒng)</p><p>　　與有靜差調速系統(tǒng)的輸出特性對比可知，由于無靜差調速系統(tǒng)中將比例環(huán)節(jié)改為積分環(huán)節(jié)，波形波動不大，能夠較快達到穩(wěn)定速度。</p><p>　　綜上所述，對于單閉

83、環(huán)直流調速系統(tǒng)，為了達到較高的調速性能，需采用PI調節(jié)器，使波形在較短時間內達到穩(wěn)定速度。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳伯時. 電力拖動自動控制. 北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[2] 馮信康，楊興瑤. 電力傳動控制系統(tǒng)原理與應用. 北京：水利水電出版社，1985</p

84、><p>　　[3] 周德澤. 電氣傳動控制系統(tǒng)的設計. 北京：機械工業(yè)出版社，1989</p><p>　　[4] 林瑞光. 電機與拖動基礎. 杭州：浙江大學出版社，2007</p><p>　　[5] 李華德. 電力拖動控制系統(tǒng) . 北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[6] 閻治安，崔新藝，蘇少平. 電機學. 西安

85、：西安交通大學出版社，2006</p><p>　　[7] 孫亮，楊鵬. 自動控制原理. 北京：北京工業(yè)大學出版社，2006</p><p>　　[8] 王兆安，黃俊. 電力電子技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[9] (美)卡西   譯者:戴文進. 電機原理與設計的MATLAB分析. 北京：電子工業(yè)出版社，2006&l

86、t;/p><p>　　[10] 李維波. MATLAB在電氣工程中的應用. 北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　[11] 潘曉晟，郝世勇. MATLAB電機仿真精華50例. 北京：電子工業(yè)出版社 2007</p><p>　　[12] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真. 北京：機械工業(yè)出版社，2006</p><

87、p>　　[13 ] 周淵深. 電力電子技術與MATLAB仿真. 北京：中國電力出版社，2005</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在本論文的寫作過程中，我的導師老師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴格把關，循循善誘，在此我表示衷心感謝。她嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的