转速﹑电流双闭环直流调速系统

第一章 双闭环控制的直流调速系统简介 1.1V—M系统简介 晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。 优点：通过调节触发装置GT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。 缺点： 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．元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。 因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。 图1 V—M系统 1.2转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面： 1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或 平滑地（无级）调节转速； 2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起﹑制动尽量平稳。 1.3 直流调速系统的性能指标 根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。 一、静态性能指标 1）．调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速 与最低转速 之比，称为调速范围，用符号D表示 （2—2） 2）．静差率 静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落 与理想空载转速 之比，用百分数表示为 （2—3） 显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大， 越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。 然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落 = ，但由于 ，因此 。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果 只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。 由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。 图2—1 事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。 1.4 动态性能指标 生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 一、跟随性能指标 在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值 的偏差越小越好，达到 的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间： 1）上升时间 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。 图2—2 2）超调量 在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量： （2—4） 超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 3）调节时间 调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取 的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2—2。 二、抗扰性能指标 一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间： 1）动态降落 系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值 叫做动态降落，用输出量原稳态值 的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值 是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落 。 2）恢复时间 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值 之差进入某基准量 的 范围之内所需的时间，定义为恢复时间 ，其中 称为抗扰指标中输出量的基准值。 实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。 图2—3 1.5 转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 1.5.1 转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接,如图2-2所示。图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 图2-2 转速﹑电流双闭环直流调速系统 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器 —转速给定电压 —转速反馈电压 —电流给定电压 —电流反馈电压 1.5.2 转速﹑电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性 为了双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2-4所示。它可以很方便地根据原理图（见图2-3）画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压 在稳态时总为零。 图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 —转速反馈系数; —电流反馈系数 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 1．转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此 由第一个关系式可得 (2-1) 从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知 。这就是说，CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。 2．转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值 ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 (2-2) 其中，最大电流 是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(2-2)所描述的静特性对应于图2-5中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 的情况，因为如果 ，则 ，ASR将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。 图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 1.6限流保护——电流截止负反馈 起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压 ，差不多是其稳态工作值的（1+K）倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压 一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 堵转电流——有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。 以上就是关于转速负反馈闭环直流调速系统的一些内容，为了实现更好的控制效果，我们需要让电流负反馈和转速负反馈分别起作用，这就是我要设计的转速﹑电流双闭环直流调速系统。 2.1 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 (1) 额定励磁下的直流电动机模型 假设电机补偿良好，忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响，并设励磁电流恒定，得直流电机数学模型和运动方程分别为 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为: 式中, TL: 包括电机空载转矩在内的负载转矩(N·m)； GD2 :电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(N·m2) Cm :电机额定励磁下的转矩系数(N·m/A) 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数： 电流与电动势间的传递函数 在额定励磁下 ，其中 为电动机的转矩系数（N.m/A） 额定励磁下直流电动机的动态结构图如下： 晶闸管触发和整流装置模型 晶闸管触发和整流装置的传递函数 构成系统的主要环节是晶闸管触发和整流装置和直流电动机。不同晶闸管触发和整流装置的传递函数，它们的表达式都是相同的 晶闸管触发与整流装置动态结构 比例放大器和测速发电机模型 直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即 放大器 测速反馈 运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P调节器），如图4， 为放大器的输入和输出电压， 为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响 放大系数为 图4 P调节器原理图 图5 P调节器输出特性 直流测速发电机模型 测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系，如图3-1 所示。在自动控制系统和计算装置中通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等 对于不同的负载电阻L R ，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图3-4 中实线所示。 第四章 双闭环直流调速系统的整体设计 4.1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 3.1.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 由双闭环控制的结构（见图2-4），即可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图3-1所示。图中 和 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 显露出来。 图3-1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 系统开环传递函数为： 系统的动态校正----PI调节器设计 转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2-1所示： 图2-1 双闭环直流调速系统动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为 的给定滤波环节。 系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 4.1.1电流调节器的设计 1.电流环结构框图的化简 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E≈0。这时，电流环如图2-2所示。 图2-2电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响） 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 式中ωc-------电流环开环频率特性的截止频率。 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) / ，则电流环便等效成单位负反馈系统。 图2-3电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统） 最后，由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T∑i = Ts + Toi 简化的近似条件为 电流环结构图最终简化成图2-4。 图2-4电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理） 2．电流调节器结构的选择 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，再从动态要求看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。其传递函数可以写成 (4-1) 式中 K ——电流调节器的比例系数； ——电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 (4-2) 则电流环的动态结构框图便成为图4-3所示的典型形式。 (3-3) 图4-3 校正成典型Ⅰ性系统的电流环动态结构框图 图4-4绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。上述结果是在一系列假定条件下得到的。 2电流调节器结构的选择 根据设计要求：稳态无静差,超调量 ，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为： 式中 Ki — 电流调节器的比例系数； i — 电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi=Tl 则电流环的动态结构图便成为图2-5所示的典型形式，其中 a) b) 图2-5 校正成典型I型系统的电流环 a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性 2.2转速调节器的设计 1.电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-5a可知 忽略高次项，上式可降阶近似为 近似条件可由式 求出 式中 cn ----- 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 2.转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为 用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-7所示。 图2-7转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环） 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/，再把时间常数为1/KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。 则转速环结构框图可简化为图2-8 图2-8转速换的动态结构框图及其化简 （等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理） 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn ---- 转速调节器的比例系数； n ---- 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为 令转速环开环增益为 则 不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-9 图2-9转速换的动态结构框图及其化简 （校正后成为典型Ⅱ型系统） 4.2 转速环与电流环的关系 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。本章就是对转速﹑电流双闭环直流调速系统的设计过程。 2、双闭环调速系统的稳定性分析 第六章 参数整定以及仿真 6.1 双闭环直流调速系统仿真的相关数据 直流电机的主要参数如下： 额定电压： V 额定电流： A 额定转速： r∕min 电势系数： V.min∕r 允许过载倍数 ,晶闸管放大倍数 电流反馈系数： V∕A 转速反馈系数： V 电磁时间常数： s 机电时间常数： s 电枢回路总电阻： 转速滤波时间常数： s 电流滤波时间常数： s 中频宽：h=5，超调量： 6.1.1 PI控制算法的参数整定 一.电流环的计算 1．确定时间常数 ① 整流装置滞后时间常数Ts， 三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.00167s 0.0017s ② 电流滤波时间常数 ： ③ 电流环小时间常数之和 ,按小时间常数近似处理，取 2．选择电流调节器结构 根据设计要求电流超调量 ，并保证稳态电流无差，在根据控制系统的要求，决定把电流环校正成哪一类系统。从稳态上看，希望电流环做到无静差;从动态上看，希望在启动过程中电流不要超过允许值，也不要有超调量，或者超调量越小越好。从这两点出发，则应该把电流环校正成典型I型系统。因此按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数见式 式中 ——电流调节器的比例系数； ——电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能 3．计算电流调节器参数 ① 电流调节器超前时间常数: ② 电流环开环增益：要求i ≤5%，按附表1，应取 =0.5，因此 于是，ACR的比例系数为 ③ 代入数据得到电流调节器的传递函数为 4．校验近似条件 电流环截止频率： ① 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。 ② 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。 ③ 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。 5．计算调节器电阻和电容 根据图4-5，取 ，各电阻和电容值为 ，取 ， 取 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 ，满足设计要求。 二．转速环的计算 1. 确定时间常数 ① 电流环等效时间常数 由 知 ② 转速滤波时间常数 ③ 转速环小时间常数 2．转速调节器选择结构 按照设计要求，选用PI调节器，生产工艺一般要求转速调节系统稳态时为无静差，动态性能具有良好的抗扰性能。典型Ⅱ型系统能满足这些要求，所以转速环按典型Ⅱ型系统进行设计。其传递函数为 式中 ——转速调节器的比例系数； ——转速调节器的超前时间常数。 3．计算转速调节器参数 ① 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 ② 由式(4-14)可求得转速环开环增益 K = 于是，由式可得ASR的比例系数为 ③ 代入数据得到转速调节器的传递函数为 4．检验近似条件 转速环截止频率 ① 校验电流环传递函数简化条件是否满足 满足简化条件。 ② 校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足 满足近似条件。 5．计算转速调节器的电路参数 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器原理图如图4-8所示。取 ，各电阻和电容值计算如下 ，取 ，取 ，取 6．校核转速超调量 当h=5时，查附表3得 ,不能满足 。实际上，附表3是按线性系统计算的超调量，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，具有饱和非线性特性。所以，应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 三. 按退饱和超调量的计算方法计算转速超调量 设理想空载起动时 ，当 时，查附表2得： 则 能满足设计要求。 6.1.2 双闭环直流调速系统仿真 一.电流环的仿真 1．电流环的输出特性分析 图6-1电流环Simulink动态结构图 由图6-2可以看出超调量 ，系统曲线迅速上升，峰值时间 ，非常短，电流立即下降至恒定并在0.07s内响应即结束，这样的阶跃响应是很理想的。这正好验证了按典型Ⅰ型系统设计电流环其超调量会很小的事实。我们知道超调量可以反映系统的相对稳定性，超调量越小，相对稳定性越好，由此可见电流环还是比较稳定的。它的上升时间是0 .0183s，上升时间是用来反映动态响应的快速性的，同样，电流环的动态响应是比较快的。可见，系统的跟随性能是很好的。 2．电流环抗扰性能分析 可知其性能指标： 最大动态降落： 最大动态降落时间： 同理，图6-3b）为电流环在扰动作用点3施加单位阶跃信号的扰动响应曲线，由图可知其性能指标： 最大动态降落： 最大动态降落时间： 对大多数机器设备，控制系统的抗扰性能指标是至关重要的，它比系统的跟随性能指标更为人们所关注。对于电流环，通过上面的仿真图可以看出，它的抗扰性能有如下几点： 1）由于电流环的存在，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，抗扰性能大有改善。 2）同样由上图也可以看出系统对负载的大幅度突变也有良好的抗扰能力。 3）从图中还可以看出，当扰动作用发生时，系统在0.1s内即可达到稳定，可见它的响应速度是非常快的，这也是我们设计此系统的原因之一。 3．电流环频域分析 根据自动控制原理，频域分析的特点是运用闭环系统的开环频域特性曲线来分析闭环系统的响应及其性能，频域分析的主要内容是画Bode图与计算频域性能指标。 图6-4 电流闭环系统的开环结构图 下 由图6-5得出电流环的频域性能指标： 幅值裕度：Gm =10.7dB； 相角裕度：Pm = 46.5deg； 幅值穿越频率：Wcp =153.9906 ； 剪切频率：Wcg =66.6105 。 实际工程上，一般要求幅值裕度 ，相角裕度 。可见电流环有足够的稳定裕量，其频域性能是很好的。 图6-8 转速环阶跃响应Simulink曲线 通过编程运行出的转速图如上图，由图6-8可以看到曲线单调上升，完全无超调，并且在3s内达到稳态。我们设计时要求超调小于10%。这与设计要求吻合。 2．转速环的抗扰性能的分析 在分析了电流环的抗扰性能后，再来分析一下转速环的抗扰性能。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。按照图6-7分别在扰动信号作用点2和3加阶跃扰动信号后进行仿真，它们的阶跃响应曲线如图6-9a）和图6-9b）所示。 阶跃最大动态降落： 最大动态降落时间： 同理由图6-9b）也可得到阶跃扰动响应性能指标有： 最大动态降落： 最大动态降落时间： 由上面的仿真图可以看出它的抗扰性能有如下几点： 1）由于负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。负载扰动可以通过转速反馈得到比较及时的调节，抗扰性能大有改善。 2）同样由上图也可以看出系统对电网电压的大幅度突变也有良好的抗扰能力。 3）从图中还可以看出，当扰动作用发生时，系统在0.3s内即可达到稳定，可见它的响应速度也是非常快的，同样，这也是我们设计此系统的原因之一。 3．转速环频域分析 图6-10 转速闭环系统的开环结构图 得出电流环的频域性能指标： 幅值裕度：Gm =23.6dB； 相角裕度：Pm = 94.9deg； 幅值穿越频率：Wcp =77.62 ； 剪切频率：Wcg =2.08 。 实际工程上，一般要求幅值裕度 ，相角裕度 。可见转速环有足够的稳定裕量，其频域性能是很好的。 4．起动过程电动机的转速输出仿真分析 图6-12是模拟电动机的起动过程转速的仿真曲线。在图中我们可以看到，电动机起动时转速逐渐增加，经过一段时间转速基本达到稳定。由此可见，它与我们前面第三章所叙述的起动过程的转速波形基本上是一致的，仿真结果与理论分析较为吻合。 结 论 随着近代电力电了技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进，以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 本文设计的是转速﹑电流双闭环直流调速系统，在设计中，使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静特性和动态性能有了总体的认识，并对调节器的工程设计方法有了本质上的把握，从而才具备了清晰的设计思路来完成本次设计。对工程设计方法有了一定的了解后，结合教材所学内容，就可以对设计进行选择。在对转速环和电流环作了相应的简化后，依据设计所需要的静特性与动态性能确定系统的型别及选用的调节器类型。 该系统是在单闭环的基础上加以改进后完成的，通过对电力拖动自动控制系统的学习，我们了解到了单闭环系统在运用中存在一些缺点和不足，为了弥补这个不足，我们引入了转速﹑电流双闭环系统，它是通过转速负反馈和电流负反馈两个环节分别起作用来设计的。进而达到我们所期望的效果。 通过这次设计，我具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，在这次毕业设计中我又一次重新学习了 MATLAB及系统的控制仿真，使我对MATLAB有了进一步的了解和认识。同时也对比例积分调节器的功能有了进一步的认识。 本次毕业设计使我受益非浅，这对我今后会有很大的帮助。 谢 辞 本文是在张嘉英老师的悉心指导下完成的。在整个课题研究过程中，张老师给予我耐心、细致的指导，每一次我遇到不会的问题张老师都及时的帮我解决，在设计此文的过程中，张老师帮助我解决了很多实际问题。她那扎实的专业知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风和平易近人的长者风范，不仅使我的专业知识得到提高，也将影响我今后的工作和生活，督促我不断进步，使我终生受益。值此论文完成之际，谨向尊敬的张老师表示我最诚挚的谢意和崇高的敬意! 在我做毕业设计论文的过程中，也得到了其他同学的耐心指导和悉心帮助，还对本文提出很多宝贵意见。在此表示由衷的谢意!感谢她们对我的帮助。课题设计中的一些问题是在和她们进行讨论之后得到了启发。这才使我能够顺利的完成本次毕业设计论文。 最后，还要特别感谢我的父母和我的朋友们，在近二十年的求学生涯中，家人和朋友们给予了我无微不至的关心和全力支持，我的成长凝聚了他们的心血和汗水。