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1、 摘要 本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。说明了双闭环直流调速系统的原理和转速、电流两个调节器的性能，详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink进行直流电动机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真，分析转速和电流的波形，并进行调试，使系统趋于完善，合理。关键词：转速环 电流环 调节器 SimulinkAbstract This article describes the design of the DC drive system based on the method of engineering des
2、ign, and the most commonly used speed and current dual-loop speed control system design methods are also derived in detail. In this article, the double-loop DC Speed Control System and the speed of the current performance of the two regulators are illustrated, and a detailed analysis of the system w
3、hich starts the design process and parameters is also made. In this process, using Simulink of DC Motor Speed Governing System Modeling and Simulation, I make a analysis of speed and current waveforms, and debugging to improve the system tends and make it more reasonable.Key words: loop of revolutio
4、n rate loop of current regulator Simulink目 录第一章 前言11.1 直流拖动控制系统1第二章 直流调速系统的闭环控制32.1 直流调速系统用的可控直流电源32.1.1 静止式可控整流器32.1.2 晶闸管-电动机系统的机械特性42.1.3 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数52.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析72.2.1 转速控制的要求和调速指标72.2.2 限流保护电流截止负反馈92.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析102.3.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型112.3.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件13第三章
5、转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法153.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性153.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成163.1.2 稳态结构图和静特性173.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算193.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析203.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型203.3 调节器的工程设计方法203.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器213.4.1 电流调节器的设计223.4.2 转速调节器的设计243.4.3 转速环与电流环的关系27第四章 Matlab仿真及结果分析294.1 工程设计举例294.1.1 电流环的
6、设计294.1.2 转速环的设计314.2 在Simulink环境下的仿真及分析324.2.1 电流、转速双环324.2.2 起动过程分析344.2.3 电流环364.2.4 转速环384.2.5 开环调速系统及其存在的问题404.2.6 反馈闭环控制的优越性404.2.7 比例调节424.2.8 比例积分控制规律434.3 仿真结果分析总结44参考文献46致 谢47 第一章 前言 转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它可以在保证系统
7、稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。 转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 本设计就要求结合给定的初始条件来完成直流
8、双闭环调速系统的设计，要求绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理进行分析，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。1.1 直流拖动控制系统 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为式中 转速（r/min）； 电枢电压（）； 电枢电流（）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（）； 由电机结构决定的电动势常数。在上式中，
9、是常数，电流是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法:1）调节电枢供电电压。2）减弱励磁磁通。3）改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。第二章 直流调速系统的闭环控制2.1 直流调速系统用的可控直流电源 改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种： 1）旋转变流机组。
10、用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。本设计选用第二种静止可控整流器。2.1.1 静止式可控整流器 图2-1所示是晶闸管-电动机调速系统（简称-系统，又称静止的Ward-Leonard系统）原理图。图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。图2-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（-系统）-系统的
11、问题：1）由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。2）晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。3）由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。2.1.2 晶闸管-电动机系统的机械特性当电流连续时，-系统的机械特性方程式为 （2-1）式中， 电机在额定磁通下的电动势系数，n = Id R / CenaIdILOa图2-2电流连续时V-M系统的机械特性，改变控制角，得一族平行直线，图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（2-1）已经不适用了。只要电流连续，晶
12、闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。 图2-2 电流连续时-系统的机械特性当电流断续时，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的-系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 （2-2) （2-3)式中， 阻抗角，； 电流脉波的导通角。 当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于= 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。图2-3 完整的-系统机械特性图2-3绘出了完整的-系统机械特性，其中包含了整流状态 （）和逆变状态（），电流连续区和电流断续区。
13、当电流连续时，特性比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。2.1.3 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。图2-4 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，图2-4是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是
14、 （2-4）如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO图2-5 晶闸管触发与整流装置的失控时间 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。图2-5晶闸管触发与整流装置的失控时间，失控时间是随机的，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定： （2-5）式中， 交流电源频率； 一周内整流电压的脉波数。表2-1 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）整流电路形式最大失控时间（ms）平均失控时间（ms）单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.67在一般情况下，可取其统计平均值 ，并认为是常数。或者按最严重的情况考虑，取。用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 (2-6)按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为
