雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)課程設計(matlab仿真設計)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調速系統(tǒng)調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是直流調速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強

2、等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)的調速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超

3、過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡</p><p>　　隨著社會化大生產的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現(xiàn)制動調速，因此我們

4、就要對這樣的自動調速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢測等部分。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理1</p><p>　　

5、1．1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹1</p><p>　　1．2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成2</p><p>　　1．3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構和靜特性2</p><p>　　1．4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型3</p><p>　　1．5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)兩個調節(jié)器的作用3</p><p>　　2 雙閉

6、環(huán)直流調速系統(tǒng)啟動過程分析4</p><p>　　2．1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形4</p><p>　　2．2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程4</p><p>　　2．3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能5</p><p>　　2．3. 1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的抗負載擾動5</p><p>　　2．

7、3. 2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的抗電網(wǎng)電壓擾動5</p><p>　　3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的主電路各器件的選擇和計算6</p><p>　　3．1主電路參數(shù)的選擇與確定6</p><p>　　3．1. 1 直流電機的基本參數(shù)6</p><p>　　3．1. 2 設計指標6</p><p>　　3．2.參數(shù)的選

8、取和計算6</p><p>　　3．2. 1 模塊參數(shù)設置6</p><p>　　3．2. 2 電流調節(jié)器的設計7</p><p>　　3．2. 3 轉速調節(jié)器的設計7</p><p>　　4 MATLAB/SIMULINK仿真軟件7</p><p>　　4．1仿真軟件介紹7</p>&l

9、t;p>　　4．2 仿真軟件操作過程8</p><p>　　4．2. 1 建立自控系統(tǒng)的數(shù)學模型8</p><p>　　4．2. 2建立自控系統(tǒng)的仿真模型8</p><p>　　4．2. 3 編制自控系統(tǒng)仿真程序8</p><p><b>　　5． 仿真設計9</b></p><p&g

10、t;　　6. 仿真結果分析11</p><p>　　6．1 電機轉速曲線11</p><p>　　6. 2 電流電流曲線12</p><p>　　7． 設計結論12</p><p><b>　　總結與體會13</b></p><p><b>　　參考文獻14</b&g

11、t;</p><p>　　1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　1．1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的介紹</p><p>　　雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負

12、反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。</p><p>　　在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)

13、波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖1-（a）所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉

14、入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖1-（b）所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。</p><p>　　(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程</p><p>　　圖1 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形</p><p>　　實際

15、上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反

16、饋作用又能使它們作用在不同的階段。</p><p>　　1．2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這

17、樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p>　　該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。</p><p>　　圖2

18、 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)</p><p>　　圖中U*n、Un—轉速給定電壓和轉速反饋電壓 U*i、Ui—電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR—轉速調節(jié)器 ACR—電流調節(jié)器 TG—測速發(fā)電機 TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器</p><p>　　1．3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)太結構圖和靜特性</p><p&g

19、t;　　首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)太特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值；不飽和——輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。</p><p><b>　　圖3</b></p><p

20、>　　實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。</p><p>　　1．4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖4所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反

21、饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖4：</p><p>　　1．5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)兩個調節(jié)器的作用</p><p>　　1） 轉速調節(jié)器的作用</p><p>　　使轉速n跟隨給定電壓變化，當偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差；</p><p>　　對負載變化起抗擾作用；</p><p>　　其輸

22、出限幅值決定允許的最大電流。</p><p>　　2)電流調節(jié)器的作用</p><p>　　在轉速調節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化；</p><p>　　對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；</p><p>　　起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動；</p><p>　　當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞

23、電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。</p><p>　　2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)啟動過程分析</p><p>　　2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形</p><p>　　突加給定電壓U*n時，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在帶有負載IdL 條件下起動過程的電流波形和轉速波形。</p><p>　　2

24、.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程</p><p>　　在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和（ I ）、飽和（ II ）、退飽和（ III ）三個階段。 </p><p>　　第I階段 電流上升的階段 （0 --t1） </p><p>　　突加給定電壓 U*n 后，Id 上升，當 Id 小于負載電流 IdL 時，電機還不能轉動。</p>&

25、lt;p>　　當 Id ≥ IdL 后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大， ASR很快進入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。特點：ASR由不飽和進入飽和狀態(tài)，轉速增加較慢、電流快速上升到Idm。</p><p>　　第 II 階段 恒流升速階段 （t1 --t2） </p><p>　　ASR

26、始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)為在恒值電流U*im 給定下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長，直到n =n* 。電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。當ACR采用PI調節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id

27、應略低于 Idm。特點：ASR處于飽和狀態(tài)－－轉速環(huán)開環(huán)；電流無靜差系統(tǒng)；轉速線性上升；Id略小于Idm </p><p>　　第 Ⅲ 階段轉速調節(jié)階段（ t2 以后） </p><p>　　ASR和ACR都不飽和，ASR起主導作用，ACR力圖使 Id 盡快地跟隨 U*i ，或者說，電流內環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。當n =n*時，ASR輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持

28、在限幅值U*im ，所以電機仍在加速，使n>n*。 ASR輸入偏差電壓變負，開始退出飽和， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負載電流 IdL ，轉速就繼續(xù)上升。</p><p>　　直到Id = IdL時，轉矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉速n才到達峰值（t = t3時）。此后，電動機在負載的阻力下減速，在一小段時間內（ t3 ~ t4 ）， Id < IdL ，直

29、到穩(wěn)定Id = IdL ， n =n* 。如果調節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，會有振蕩過程。特點：ASR不飽和，起主要調節(jié)作用；ACR起跟隨作用；轉速有超調。</p><p>　　起動過程的三個特點：（1）飽和非線性控制；（2）轉速超調；（3）準時間最優(yōu)控制(有限制條件的最短時間控制)</p><p>　　2．3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能</p><p>　　2．3

30、. 1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的抗負載擾動</p><p>　　擾動作用位置：電流環(huán)之外抗擾作用調節(jié)器：轉速調節(jié)器ASR，對ASR的設計要求：應要求有較好的抗擾性能指標。</p><p>　　2．3. 2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的抗電網(wǎng)電壓擾動</p><p>　　擾動作用位置：電流環(huán)內的前向通道，抗擾作用的調節(jié)器：電流調節(jié)器ACR，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可

31、以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。</p><p>　　3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的主電路各器件的選擇和計算</p><p>　　3．1主電路參數(shù)的選擇與確定</p><p>　　3．1．1直流電機的基本參數(shù)</p><p>　　某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)

32、如下：</p><p>　　額定電壓:Un=220V </p><p>　　額定電流:In=136A</p><p>　　額定轉速 :Nn=1460r/min (4極)</p><p>　　電樞電阻：Ra=0.21Ω </p><p>　　GD^2=22.5N*m^2</p><p>　　勵磁

33、電壓：Uf=220V</p><p>　　勵磁電流：If=1.5A</p><p>　　電動機電勢系數(shù) :Ce=0.132V*min/r </p><p>　　采用三相橋式整流電路，整流器內阻Rrec=1.3Ω，電抗器：Lp=200mH</p><p>　　3．1．2設計指標：</p><p>　　動態(tài)指標：1．電流超

34、調量δ%≤5% </p><p>　　2.空載起動到額定轉速時的轉速超調量：δ%≤10% </p><p>　　3.允許過載倍數(shù):λ=1.5 </p><p><b>　　4.中頻寬h=5</b></p><p>　　3．2 參數(shù)的選取和計算</p><p>　　取電流反饋濾

35、波時間常數(shù)Toi=0.002s；</p><p>　　轉速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.01s；</p><p>　　取轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉速時轉速給定Un*=10V。</p><p><b>　　3．2．1參數(shù)設置</b></p><p><b>　　供電電源電壓為

36、：</b></p><p>　　U2=（Unom+Rrec*In）/2.34cosαmin =（220+0.21*136）/2.34*cos30 V=123V</p><p><b>　　電機參數(shù)設置：</b></p><p><b>　　勵磁電阻為：</b></p><p>　　Rf=

37、Uf/If=220/1.5=146.7Ω,(說明：勵磁電阻在恒定磁場中可取零)</p><p>　　電樞電阻Ra=0.21Ω，電樞電感由下式估計：</p><p>　　La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In =19.1*0.4*220/2*2*1460*136 =0.00021H</p><p>　　電樞繞組和勵磁繞組互感Laf為：</p>

38、<p>　　因為：Ce=0.132V*min/r</p><p>　　Ke=60*Ce/2*π =60*0.132/6.28 =1.26</p><p>　　所以： Laf=Ke/If =1.26/1.5 =0.84H</p><p><b>　　額定負載轉矩為：</b></p><p>　　Tl=9.55C

39、e/Inom =9.55*0.132*17.5 =22N*m</p><p>　　3．2．2電流調節(jié)器的設計</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)：</b></p><p>　　β=Uim/λ*Inom =10/1.5*136 =0.05</p><p>　　電動機轉矩時間常數(shù)：</p><p&g

40、t;　　Tm = GD^2*R∑/375*Ce*Cm =3.53*2.85/375*9.55*0.132 =0.161s</p><p>　　電動機電磁時間常數(shù)：</p><p>　　Ti =L∑/R∑ =(200+16)*0.001/2.85 =0.076s</p><p>　　三相晶閘管整流電路平均失控時間：</p><p>　　Ts=0

41、.0017s</p><p>　　根據(jù)電流超調量σi％≤5％的要求，電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計，點樓調節(jié)器選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　Wacr（s）=Ki*(1+τS)/τS </p><p>　　其中：τ=Ti=0.076s</p><p>　　Ki=τ*R/2*T*β*Ks =0.076*2.85/2*0.0037*

42、0.272*37.84 =2.84</p><p>　　Kli=τ/Ki =0.076/2.84 =0.0268</p><p>　　3．2．3轉速調節(jié)器的設計</p><p><b>　　轉速反饋系數(shù)：</b></p><p>　　α=Unom/Nnom =10/1500 =0.00667V*min/r</p&g

43、t;<p>　　為加快轉速的調節(jié)速度，轉速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計，并選中頻帶寬度h=5，轉速調節(jié)器的傳遞函數(shù)：</p><p>　　Wasr（s）=Kn*(1+τS)/τS </p><p>　　其中 τ=h*T=h*(2*TΣi+Ton) =5*92*0.0037+0.01) =0.087s</p><p>　　Kn=(h+1)*βCe*Tm/2*h*

44、α*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49</p><p>　　Kin=τ/Kn=0.087/10.84 =0.0083</p><p>　　4 MATLAB/SIMULINK仿真軟件</p><p><b>　　4.1仿真軟件介紹</b></p><p&

45、gt;　　利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。掌握了強大的SIMULINK工具后，會大大增強用戶系統(tǒng)仿真的能力。</p><p>　　MATLAB下的SIMULINK軟件具有強大的功能，而且在不

46、斷地得到發(fā)展，隨著它的版本的更新，各個版本的模塊瀏覽器的表示形式略有不同，但本書所采用的都是基本仿真模塊，可以在有關的組中找到，在進一步地學習和應用SIMULINK軟件的其它模塊后，會為工程設計帶來便捷和精確。</p><p>　　在工程設計時，首先根據(jù)典型I型系統(tǒng)或典型Ⅱ型系統(tǒng)的方法計算調節(jié)器參數(shù)，然后利用MATLAB下的SIMULINK軟件進行仿真，靈活修正調節(jié)器參數(shù)，直至得到滿意的結果。也可用MATLAB仿

47、真軟件包的設計工具箱設計其它各種控制規(guī)律的調節(jié)器，鑒于篇幅不一一展開。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學技術的巨大成就之一。它對科學計術的幾乎一切領域，特別對數(shù)值計算，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析，人工智能以及自動控制等方面產生了極其深遠的影響。熟練掌握利用計算機進行科學研究和工程應用的技術，已經(jīng)成為廣大科研設技人員必須具備的基本能力之一。大部分從事科學研究和工程應用的讀者朋友可能都已經(jīng)注意到并為之所困擾的是，當我們的計算涉及矩陣運算或畫圖時，利用

48、FORTRAN和C語言等計算機語言進行程序設計是一項很麻煩的工作。Matlab正是為了免除無數(shù)類似上述的尷尬局面而產生的。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)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(jīng)過</p><p>　　4.2 仿真軟件操

49、作過程</p><p>　　4.2.1建立自控系統(tǒng)的數(shù)學模型</p><p>　　系統(tǒng)的數(shù)學模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系的數(shù)學表達式。描述系統(tǒng)諸變量間靜態(tài)關系的數(shù)學表達式，稱為靜態(tài)模型；描述自控系統(tǒng)諸變量間動態(tài)關系的數(shù)學表達式，稱為動態(tài)模型。常用最基本的數(shù)學模型是微分方程與差分方程，</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的實際結構與系統(tǒng)各變量之間所遵

50、循的物理、化學基本定律，例如牛頓定律、克?；舴蚨?、運動動力學定律、焦耳楞次定律等來列寫出變量間的數(shù)學模型。這是解析法建立數(shù)學模型。</p><p>　　對于很多復雜的系統(tǒng)，則必須通過實驗方法并利用系統(tǒng)辨識技術，考慮計算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能準確地反映系統(tǒng)的動態(tài)本質，又能簡化分析計算的工作。這是實驗法建立數(shù)學模型。</p><p>　　控制系統(tǒng)的數(shù)學模型是系統(tǒng)仿真的主要

51、依據(jù)。</p><p>　　4.2.2建立自控系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　原始的自控系統(tǒng)的數(shù)學模型比如微分方程，并不能用來直接對系統(tǒng)進行仿真。還得將其轉換為能夠對系統(tǒng)進行仿真的模型。</p><p>　　對于連續(xù)控制系統(tǒng)而言，有像微分方程這樣的原始數(shù)學模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換，求得自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學模型。以傳遞函數(shù)模型為基礎，等效變換為狀態(tài)空間

52、模型，或者將其圖形化為動態(tài)結構圖模型，這些模型都是自控系統(tǒng)的仿真模型。</p><p>　　對于離散控制系統(tǒng)而言，有像差分方程這樣的原始數(shù)學模型以及類似連續(xù)系統(tǒng)的各種模型，這些模型都可以對離散系統(tǒng)直接進行仿真。</p><p>　　4.2.3編制自控系統(tǒng)仿真程序</p><p>　　對于非實時系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級語言，例如Basic、Fortran或C等語言

53、編制仿真程序。對于快速的實時系統(tǒng)的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當然也可以直接利用仿真語言。</p><p>　　如果應用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成環(huán)境作仿真工具，這就是MATLAB仿真?？刂葡到y(tǒng)的MATLAB仿真是控制系統(tǒng)計算機仿真一個特殊軟件工具的子集。</p><p>　　第四步，進行仿真實驗并輸出仿真結果</p><p&g

54、t;　　進行仿真實驗，通過實驗對仿真模型與仿真程序進行檢驗和修改，而后按照系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結果。</p><p><b>　　5 仿真設計</b></p><p>　　可根據(jù)老師的要求設置參數(shù)，書上有列題，設計后的數(shù)學模型結構圖如下：</p><p>　　由于本文只進行了理論性設計，故在系統(tǒng)安裝與調試階段只對控制電路部分進行了MATLAB

55、仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統(tǒng)在階躍輸入和負載擾動情況下的動態(tài)響應（主要為轉速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結構圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。</p><p>　　根據(jù)例題修改的gain gain1 step step1 </p><p><b>　　仿真后波形</b

56、></p><p><b>　　6 仿真結果分析</b></p><p>　　圖上部為電機轉速曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉速換起主要作用，保持轉速的穩(wěn)定。</p><p>　　6．1 電機轉速曲線</p

57、><p>　　在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，電流調節(jié)器ACR起主要作用。轉速一直上升。當?shù)竭_恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統(tǒng)在最短時間內完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值

58、，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉速超調。轉速超調后，極性發(fā)生了變化，，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉速在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉速有所下降，此時經(jīng)過ASR和ACR的調節(jié)作用后，轉速又恢復為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負載能力很強。</p><p>　　6．2 電機電流曲線<

59、/p><p>　　直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，達到限幅值，迫使電流急速上升。當電流值達到限幅電流時，由于電流調節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當負載突然增大時，由于轉速下降，此時轉速調節(jié)器ASR起主要的調節(jié)作用，因此，電流調節(jié)器ACR電流有所下降，同啟動時一樣，當轉速調節(jié)器ASR飽和，達到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達到限幅電流時，電流調節(jié)器ACR的作用

60、使電流不再增加。當擾動取電以后，電流調節(jié)器ACR電流又有所增加，此后，電動機在負載的阻力作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。</p><p><b>　　7 設計結論</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)啟動時，轉速和電流的動態(tài)過程如仿真波形所示。由于在啟動過程中轉速調節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，即電流

61、上升階段、恒流升速階段和轉速調節(jié)階段。從啟動時間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉速必超調。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉速的抗擾調節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)是無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓的波動。通過仿真可知：啟動時，讓轉速外環(huán)飽和不

62、起作用，電流內環(huán)起主要作用，調節(jié)啟動電流保持最大，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環(huán)跟隨電流外環(huán)調節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流。</p><p><b>　　8 總結與體會</b></p><p>　　通過本設計，我對自動控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對自動控制系統(tǒng)設計步驟、思路、

63、有一定的了解與認識。在課程設計過程中，我都按照自動控制系統(tǒng)課上學到的設計步驟來做，首先熟悉系統(tǒng)的工藝，進行對象的分析，設計總體方案，其間與同學進行幾次方案的討論、修改，再討論、再修改，最后定案，確定最終方案，然后設計硬件部分，通過查資料選取適當?shù)挠布嫵鰧碾娐穲D，接著設計控制器，以及各部分的功能模塊的實現(xiàn)。</p><p>　　在設計完成后進行仿真，我們利用MATLAB仿真，把電路連好設定好參數(shù)就可以進入?yún)?/p>

64、數(shù)調試，仿真。調試的主要任務是排除系統(tǒng)的故障和錯誤。調試階段，找出硬件、參數(shù)間不相匹配和有錯的地方，反復修改，直到符合設計要求。</p><p>　　本次設計的時間比較倉促，但我在***老師的指導下和同學們得幫助下，克服了很多困難圓滿完成這次設計。通過這個設計我同時也體會到了團隊合作的樂趣。但是，通過設計我也明白一點，我們上課所學到的知識在做本設計時是遠遠的不夠的，只是設計的一點皮毛而已。平常我們應該擴大自己得知

65、識面。</p><p>　　經(jīng)過這次的課程設計，不僅在書上學到的知識得到了鞏固，而且還在設計過程中拓展了其他沒有學過的知識。這次的課程設計從查找資料，到確定方案，最后再到用軟件仿真，我們組都團結協(xié)作，互相幫助，并且得到老師的關懷。我們以前學習的知識都漸漸離我們遠去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。這次課程設計，通過自己查找資料，了解情況，讓我們清楚我們學的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產之間的聯(lián)系，使得我

66、們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時，在團隊的協(xié)作中使我們在與人共事之中學會交流學會合作。因為在今后的工作中一個人獨立完成不與別人合作，是基本不可能的，所以在這次課程設計中也鍛煉了我們的團隊的協(xié)作精神，為今后的學習和工作積累了經(jīng)驗，是一筆難得的財富。</p><p><b>　　9 參考文獻</b></p><p>　　[1]王兆安，等.電力電子技術[M].北京：機械工

67、業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[2]張廣溢，等.電機學[M].重慶：重慶大學出版社，2002.</p><p>　　[3]王軍.自動控制原理[M].重慶：重慶大學出版社，2008.</p><p>　　[4]導向科技.Protel DXP電子電路設計培訓教程[M].北京：人民郵電大學出版社，2003.</p><p>　　[5]周