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1、1 概述1.1 目前发展状况对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的。因此就必须对其进行模拟实验研究。当然有些情况下可以构造一套物理装置进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而且在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。【1】【2】 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法，以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产
2、生了各种仿真算法和仿真软件。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLBA中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。【3】【4】Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电
3、子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。直流电机具有良好的起制动性能，易于在较广范围内平滑调速，在许多高性能可控电力拖动系统中得到广泛应用，如轧钢机、龙门刨床、高层电梯、高精度机床等。直流调速系统在理论上与实践上都比较成熟，从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速的基础，但是双闭环调速，双闭环可逆直流调速系统结构复杂，在研究和设计的过程中，许多参数的选择需要反复调试，运用计算机仿真技术对系统进行仿真，将会为研究和设计
4、工作提供有力的支持，在计算机仿真系统时，可以方便地对参数进行设置，得到合理的参数组合，为系统的实现提供条件。【5】【6】1.2 本设计内容及要求本次论文基于MATLAB/Simulink对直流调速系统尤其是单闭环有差、转速电流、双闭环直流调速系统进行了建模与仿真。因此有两个设计需要完成。该文对单闭环，转速、电流双闭环直流调速系统进行了计算机仿真研究。直流调速系统是一个复杂的动控制系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整。运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。随着计算机技术的发展，在软件和硬件方面提供了舯好的设计平台。此次论文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。【7】利用
5、Simulink中仿真功能对系统进行了仿真，仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环直流调速系统设计和调试强度。【8】【9】2.系统方案选择2.1 系统方案选择晶闸管直流电动机调速系统是常用的调压调速系统（V-M），目前发展已较成熟，系统的快速性、可靠性和经济性也不断提高，应用非常广泛。因此，此次论文采用此系统。【10】V-M系统组成：（1）对象：直流电动机M及工作机械； （2）传感器：测速发电机TG，输入n，输出；（3）控制器：R、RC运算放大器；（4）执行器：晶闸管可控整流器（V）。2.1.1晶闸管变流器这是本系统最重要环节。整流器的输入输出特性主要取决
6、于触发器的输入输出特性。而整流器的输出电压，除了与其主电路（单相、三相，半波全波）有关外，主要取决于其输入（移相角）。2.1.2 VM调速系统的特点1 晶闸管的单向导电性由于晶闸管的单向可控导电性，给系统可逆运行带来不便。（1） 半控型整流电路及有续流管的整流电路，只允许系统单象限运行。（2） 全控整流电路可以实现有源逆变，允许带位能负载的电动机工作在制动状态，获得二象限运行。（3） 两组全控整流电路，可实现四象限运行。2 触发脉冲相位控制这是晶闸管整流器最常用的方式，改变控制电压，使触发脉冲移相，改变导通角，调节整流器输出电压。3 平波电抗器实际上是交流电源的一部分，是脉动的，这对机械及电网
7、是不利的。因此，除增加整流电路的相数，必须加平波电抗器以抑制输出电压的脉动。【11】4 电流的连续和断续由于电压的脉动，所以，电流可能出现两种情况：（1）连续：当平波电抗足够大，且电动机负载足够大时。（2）断续：当平波电抗较小，且负载较小时。 电流断续，系统为非线性，运行中会出问题，应加以防范、避免。5 V-M系统的机械特性所谓机械特性就是在电阻电压一定的条件下，转速n与转矩（或电流）的关系n=f(I)。由于电流的连续和断续，故机械特性也昉两种情况：（1） 连续特性：电流连续时，改变移相角，可得一系列平行的斜直线。此时，晶闸管整流器就是一个线性的可控电压源。注意，特性连续的条件是平波电抗器足够
8、大负载足够大。否则，就是断滭的。（2）断续特性：当负载较轻，电流较小时，电流可能出现断续，则机械特性亦断续.当电流断续时，V-M系统的机械特性具有两个特点：1）系统理想空载转速升高。2） 特性变软出现上翘的非线性现象，很小的电流变化可能引起很大的速度变化。【12】【13】2.1.3 控制器控制器就是这里的调节器，常用的有四种：（1）比例调节器（P），构成有静差系统。（2）比例积分调节器（PI），构成无静差系统。（3）比例微分调节器（PD），增加系统阻尼改善平稳性。（4）比例积分微分调节器（PID），全面提高系统品质。2.1.4 传感器调速系统中常用的检测元件有以下几种：1 直流电压检测元件 电
9、量的检测最容易，关键是要解决问题。主电路是高电压，测量与控制电路是低电压，高低电压电路必须隔离。2 交流电压检测元件 交流隔离很简单，采用变压器。而直流必须采用调制器变成交流（方波），其幅值与被测电压相等，再用变压器隔离后，经解调器变成直流电压。调制解调器采用电子开关电路实现。2.1.5 转速检测单元这是调速系统主要的传感器，精度及动态响应要求最高，是反馈系统质量的关键部件，目的是将转速变成与之成比例的电压信号。1 直流测速发电机TG实际上就是一个小型直流发电机。有永磁式和他励式两种，在恒定励磁下，输出电压与转速成正比。2 交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种。
10、（1）优点是能将转速变成比例的交流信号，结构简单，价格便宜，无电刷及电刷压降，维护方便。（2）缺点是存在相角误差及剩余电压，用于直流系统时还需整流，影响反馈信号准确度。2.2 直流调速系统方案2.2.1 直流电动机调速方法由直流电动机转速方程：n= （式2.1 ） 式中：n：转速（r/min）; U：电动机电枢电压（V）;I：电动机电枢回路电流（A）; ：电枢回路电阻（）;C：电动机结构参数决定的电动势常系数；：励磁磁通（Wb）； C：电动势转速比 ,；有转速方程可知，只有三项可变。所以，调速方法有四种。1 降压调速。 使电枢供电压U下降，则电动机转速n下降，由于电动机绕组绝缘有限，电动机电枢
11、不能高于额定电压U，所以是降压调速。使用于额定转速以下一定范围内的无级调速的场合。降压调速属于恒功率调速。2 弱磁调速使励磁磁通超过额定值易饱和。所以，只能弱磁调速。使用于额定转速以上的小范围内无级调速场合。弱磁调速属于恒功率调速。【14】3 变阻调速。使增大（串电阻R），则n下降。由于串电阻R要消耗功率（IR），机械特性变差。所以，只适合用于小功率有级调速的场合。4 调压调磁调速既变压又变磁，互相配合，可以获较宽的无级调速范围。在n以下，降压调速；在n以上，弱磁调速。2.2.2 直流电动机的供电方法由于三相交流电动机MA、驱动直流发电机G及励磁发电机GE，直流发电机的励磁是可变的（可正可负）
12、，经功率放大器AG。所以输出电压是可控的。此系统设备多、体积大、费用高、效率低。但运行可靠、维修方便，在目前的生产设备中尚在应用。这是因为GM系统机械特性是线性的，较硬，且可靠耐用。3 单闭环调速系统31 单闭环调速图3.1 单闭环调速系统原理图3.1.1 系统组成图4-5 直流电机等效图如图3-1，可见单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的如图3.1，可见单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机TG,转出与转速成正比的电压与给定电压比较后，得到偏差电压，经放大器FD，产生触发装置CF的控制电压用以控制电动机的转速。【15】【16】3.2
13、 直流调速系统静特性分析3.2.1各环节传递系数控制器的放大系数为： （式3.1）触发器与晶闸管整流器器比例系数： （式3.2） 电动机输入输出关系： （式3.3） 转速反馈环节传递系数： （式3.4）式中：-反馈电压； -分压比；-测速发电机传递系数。图3.2：系统的静态框图由图3.2可见，调节过程，系统有两个调节过程，即：一个是电动机自身的特性决定的自衡过程；另一个是反馈控制过程，循环往复，直到很小，为止，n达到新的平衡。其过程如图3.2图3.3 系统调节过程3.2.2开环特性与闭环特性比较由静态框图可得开环系统机械特性（静态转速方程）为： (式3.5)闭环静特性： （式3.6）式中：K-开环增益，K=； -开环、闭环理想空载转速，；-开环、闭环静态转速降。（1）闭环特性要比开环特性硬的多。由式3.5，3.6得： （式3.7）式中： -闭环开环转速降。可见，闭环系统转速降是开环系统转速降的1/（1+k）（2）闭环系统比开环系统静差率小的多。闭环系统和开环系统静差率分别为： （式3.8） （式3.9）式中：-闭环开环转差率。但（一定如此）时，可见闭环系统静差率是开环系统的1/1+k。（3）闭环系统调速范围比开环系统调速范围大的多。开环和闭环调速范围分别为：
