單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)和穩(wěn)定性

1、鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 ：?jiǎn)伍]環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)和穩(wěn)定性指導(dǎo)教師 ： 職稱：副教授學(xué)生姓名 ： 學(xué)號(hào) ：專 業(yè) ：自動(dòng)化 班級(jí) ：一班院（系） ：電子信息工程學(xué)院電子工程系完成時(shí)間 ：2009年4月25日閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靜態(tài)分析摘要本文主要研究直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和穩(wěn)定性，在研究過程中，轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)速變換后接到速度調(diào)節(jié)器的輸入端，與給定的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，用作控制整流橋的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。本

2、設(shè)計(jì)的目的主要是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上來研究和分析閉環(huán)控制的性能指標(biāo)，進(jìn)而和開環(huán)控制進(jìn)行比較。為了更具體的分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)，將解析法與實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合建立閉環(huán)控制的數(shù)字模型。在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行分析；然后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行了驗(yàn)證；證明本系統(tǒng)完全符合實(shí)驗(yàn)要求。并且驗(yàn)證了閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定這一事實(shí)。在實(shí)驗(yàn)過程中，速度調(diào)節(jié)器采用了比例積分調(diào)節(jié)，消除了在比例調(diào)節(jié)器因階躍輸入產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，從而達(dá)到精確控制的目的。關(guān)鍵詞 直流電機(jī)調(diào)速/速度反饋/閉環(huán)控制/穩(wěn)定性Closed-Loop DC Speed Control System irrevers

3、ible stability and static analysis AbstractThis paper studies the closed-loop DC motor control system of static characteristics and stability, in the course of the study, changes in speed feedback voltage signal as a signal received by the speed of the speed of transformation input regulator and giv

4、en by the voltage comparison After amplification, the phase shifter control voltage , rectifier bridge to control the trigger circuit, the trigger pulse by the amplifier is added after the thyristor between the gate and cathode to change the “three-phase full-controlled rectifier the output voltage

5、This constitutes a negative feedback closed-loop system speed. The main purpose of this design is the basis of experimental research and analysis of closed-loop control performance indicators and then compares the open-loop control. To be more specific analysis of performance indicators, will be ana

6、lytical method combined with the experimental establishment of closed-loop control of the digital model. On this basis the system of steady-state error, overshoot and settling time for analysis; and then the closed-loop system through experiments on the steady-state error, overshoot and settling tim

7、e are verified; prove that the system is fully in line with the experimental requirements. And verify the closed-loop system stability than open-loop system that fact. In the experimental process, the speed regulator using a proportional-integral regulation, eliminating the regulator in the proporti

8、on of step input generated by steady-state error, so as to achieve the purpose of precise control.Key words DC motor speed control / speed feedback / closed-loop control / stability目 錄摘要IAbstractII1. 緒論11.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念11.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法11.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式21.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆直流調(diào)速的基本原理22 單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)各部分介紹42.1 晶

9、閘管的介紹42.2 開環(huán)與閉環(huán)的靜特性分析比較52. 3 調(diào)節(jié)器73 單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的研究103.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求103.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆直流調(diào)速的基本原理及線路圖113.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型123.4.閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷153.5 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)153.6 動(dòng)態(tài)指標(biāo)184試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果194.1穩(wěn)態(tài)誤差超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間的測(cè)定194.2誤差分析214.3調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及穩(wěn)定性分析215結(jié) 論23致 謝25參考文獻(xiàn)261. 緒論1957年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡(jiǎn)稱可控硅）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生根本性的變革

10、，開始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。到今天，晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在工程中應(yīng)用廣泛，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產(chǎn)行業(yè)，為達(dá)到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調(diào)速范圍等要求，又由于交流調(diào)速在當(dāng)時(shí)尚未解決好調(diào)速控制問題，調(diào)速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標(biāo)不滿足生產(chǎn)工藝的要求，所以當(dāng)時(shí)大量使用的是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它具有調(diào)速性能好，范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，雖然隨著控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，制造工藝技術(shù)的提高，大量出現(xiàn)交流調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，但直流傳動(dòng)所具有的優(yōu)點(diǎn)特

11、征，至今仍大量廣泛地使用直流調(diào)速。在此本人將對(duì)單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念電氣傳動(dòng)主要分為直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)兩大類，它們分別采用直流、交流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的傳動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)雖不如交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、維護(hù)容易、價(jià)格便宜等，但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能和調(diào)速性能，可以方便地在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、大型起重機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等調(diào)速性能要求較高的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，而直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流

12、調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以掌握好直流調(diào)速系統(tǒng)是很重要的。1.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可用下式表示式中 n轉(zhuǎn)速；單位r/min 。 Ud電樞電壓； Id電樞電流； Rd電樞回路電阻； 勵(lì)磁磁通； Ke由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。 由此可見，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）改變電樞電壓調(diào)壓調(diào)速。（2）改變電樞回路電阻串電阻調(diào)速。（3）改變勵(lì)磁磁通弱磁調(diào)速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方式。1.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。早在20世紀(jì)40年代，采用

13、電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組（又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)）向直流電動(dòng)機(jī)供電。但它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等。為了克服這些缺點(diǎn)，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。其主要缺點(diǎn)是污染環(huán)境，危害人體健康。60年代初，大功率晶閘管投入使用，采用晶閘管可控整流器向直流電動(dòng)機(jī)供電，隨著晶閘管變流技術(shù)的日漸成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。目前，用晶閘管變流器控制的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。1.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆直流調(diào)速的基本原理在調(diào)速系統(tǒng)中增加了轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)（測(cè)速發(fā)電機(jī)TG和反饋電位器RP2）和放大環(huán)節(jié)。測(cè)速發(fā)電機(jī)TG和電動(dòng)機(jī)同軸連接，TG檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，

14、并變換成與之成正比的電壓，再經(jīng)電位器衰減為反饋電壓Ufn，引至放大器的輸入端與轉(zhuǎn)速給定電壓Usn比較，得到偏差電壓U，經(jīng)過放大器放大后得到輸出電壓Uk，用Uk控制晶閘管觸發(fā)器的控制角，使晶閘管整流裝置變換出不同的直流電壓Udo，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)橹挥修D(zhuǎn)速反饋環(huán)，所以稱為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。圖1為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)1、 系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n由于某種原因（例如機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL增加）而下降時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)將進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過程如下：TLn Ufn U=Usn-Ufn Uk 脈沖前移Ud n由此可見，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)是通過轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn的下降，使偏差電壓

15、U增加，經(jīng)過放大后，提高晶閘管的輸出電壓Ud，使轉(zhuǎn)速n回升，從而減小穩(wěn)態(tài)速降。當(dāng)放大器為比例調(diào)節(jié)器時(shí)，觸發(fā)器的控制電壓Uk整流平均電壓Ud0由偏差量U決定，如果穩(wěn)態(tài)誤差為零，則U=0，因而Uk、Ud0均為零，電動(dòng)機(jī)就不可能旋轉(zhuǎn)。所以具有比例放大器的調(diào)速系統(tǒng)一定是有差的。2、 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型（1） 穩(wěn)態(tài)框圖單閉環(huán)系統(tǒng)中的各種穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 放大器：U=Usn-Ufn Uk=KpU式中 Kp為放大器的放大倍數(shù) 觸發(fā)器和晶閘管整流裝置：Udo=KtrUk式中 Ktr為觸發(fā)器和晶閘管整流裝置的放大倍數(shù) 電動(dòng)機(jī)：其中， 反饋環(huán)節(jié)：Ufn=nn圖2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)框圖式中 n為速度負(fù)反饋系數(shù)

16、。根據(jù)上述關(guān)系式，得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖上圖所示。2 單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)各部分介紹2.1 晶閘管的介紹目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖4所示是V-M系統(tǒng)的原理框圖，圖中V是晶閘管可控整流器，它可以是任意一種整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流輸出電壓平均值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流相比，晶閘管整流不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)大約在，

17、控制功率小，有利于微電子技術(shù)引入到強(qiáng)電領(lǐng)域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫чl管整流器的電流是不允許反向的，這給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。（2）晶閘管元件對(duì)于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的

18、可靠運(yùn)行。（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對(duì)交流電源來說相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段

19、特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。圖3 晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖圖4開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.2 開環(huán)與閉環(huán)的靜特性分析比較1系統(tǒng)的組成1）直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的電路，一個(gè)是電樞回路，另一個(gè)是勵(lì)磁回路。直流電動(dòng)機(jī)各物理量間的基本關(guān)系式如下： 當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，did/dt=0，dn/dt=0，上式可寫成 或 圖4是最簡(jiǎn)單的晶閘管直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其中，UC是系統(tǒng)的給定輸入信號(hào)，經(jīng)過觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使外界交流電源整流出直流電壓Udo供給直流電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)以一定的速度旋轉(zhuǎn)。改變控制電壓UC就可觸發(fā)器的脈沖控制角及整流電壓Udo

20、，相應(yīng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （1）其中 系統(tǒng)的開環(huán)穩(wěn)態(tài)速降。 開環(huán)系統(tǒng)當(dāng)給定輸入信號(hào)一定時(shí)，經(jīng)過觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使交流電源整流出直流電壓Udo也是恒定的，電動(dòng)機(jī)就以恒定的速度旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)外界有擾動(dòng)（例如負(fù)載波動(dòng)）時(shí)，轉(zhuǎn)速就有較大的波動(dòng)，而開環(huán)系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。為了滿足技術(shù)指標(biāo)要求，這時(shí)應(yīng)考慮采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)圖2所示轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖可得到系統(tǒng)的靜特性方程式為 （2）式中的nc為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降，Kn=KpKtrKmn為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。比較系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)靜特性方程式，即式（1）和式（2）可以得出結(jié)論：

21、加轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，由IdR引起的轉(zhuǎn)速降nc是開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降no的1/（1+Kn）倍，這是閉環(huán)系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)。適當(dāng)提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)Kn，可以把系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降減小到允許范圍內(nèi)，提高機(jī)械特性硬度。下面分析閉環(huán)后使機(jī)械特性變硬的物理實(shí)質(zhì)。直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降是由電樞回路中電樞電阻R壓降引起的，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)后這個(gè)壓降并沒有改變。在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大后時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨電樞回路電阻壓降的增大而降低。而在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，轉(zhuǎn)速稍有下降，反饋電壓也隨之減少，通過放大器的比較和放大，提高晶閘管整流裝置的輸出電壓Udo，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速能有所回升，使得閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)

22、態(tài)速降比開環(huán)時(shí)小得多。由于這種自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，每增加一點(diǎn)負(fù)載，就相應(yīng)提高一點(diǎn)整流電壓，也就改變一條開環(huán)機(jī)械特性。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性就是在每條開環(huán)機(jī)械特性上取得一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，再由這些點(diǎn)集合而成。如圖5所示。圖5閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性關(guān)系2. 3 調(diào)節(jié)器1 比例（P）調(diào)節(jié)器電路如圖6a所示。（1）輸入與輸出關(guān)系 Kp=R1/R0圖6比例調(diào)節(jié)器輸入與輸出特性曲線如圖6b所示。（2） 特點(diǎn) 輸出電壓與輸入電壓成正比。圖7比例系數(shù)可調(diào)的比例調(diào)節(jié)器 輸出量立即響應(yīng)輸入量的變化。（3） 比例系數(shù)可調(diào)的比例調(diào)節(jié)器電路如圖7所示。把A點(diǎn)看作虛地，根據(jù)模擬電子技術(shù)知識(shí)可得由ifi0 得由分壓電路知整理上面兩式

23、得 其中通過上式可見，調(diào)節(jié)電位器R2可使增益在K1(1+R2/R3)K1之間變化。2比例積分（PI）調(diào)節(jié)器電路如圖8a所示。（1）輸入與輸出關(guān)系 其中U01為初始值輸入與輸出特性曲線如圖8b所示。圖8比例積分調(diào)節(jié)器 圖9 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用（2）特點(diǎn) 輸出量立即響應(yīng)輸入量的變化響應(yīng)快。當(dāng)輸入不等于零時(shí)，其輸出量將不斷增長(zhǎng)，直到輸入為零，輸出恒定為止消除偏差。由于比例積分調(diào)節(jié)器中含有積分環(huán)節(jié)，所以當(dāng)偏差電壓U不為零時(shí)，積分環(huán)節(jié)將會(huì)使輸出量繼續(xù)隨時(shí)間積累下去，系統(tǒng)仍將處于調(diào)節(jié)過程之中，直到偏差電壓U=0時(shí)，系統(tǒng)才能重新處于平衡狀態(tài)。也就是說，此系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其偏差電壓U=0。系統(tǒng)的抗擾動(dòng)調(diào)節(jié)過程

24、如圖9：穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)于給定電壓Usn1及負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl1 ，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為n1，此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸入電壓U=Usn1-Ufn1=0，而調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uk由于積分作用保持在Uk1，使晶閘管輸出電壓為Ud01，以維持電動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速n1下運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增至TL2時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，反饋電壓Ufn也要下降，PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)了偏差電壓U=Usn-Ufn。它的輸出端有兩個(gè)分量，其中比例輸出分量的數(shù)值與U成正比，等于KpU，使晶閘管整流輸出電壓Ud0有了較大的增長(zhǎng)，它首先阻止轉(zhuǎn)速n的下降，并繼而使轉(zhuǎn)速n回升。隨著轉(zhuǎn)速n的回升，U也隨之減少，比例的作用開始減小。調(diào)節(jié)器的積分分量是U的積分。開始時(shí)

25、由于經(jīng)歷的時(shí)間較短，所以積分部分比較小，隨著時(shí)間的積累也隨之加大。它使晶閘管輸出電壓逐漸增加，它將使轉(zhuǎn)速n進(jìn)一步回升。而且只要轉(zhuǎn)速n還沒有回升到原值，則將繼續(xù)增加，直到轉(zhuǎn)速回復(fù)到原值，U=0為止。由此可見，在擾動(dòng)調(diào)節(jié)過程的初、中期，速降n較大，U也較大，與U成正比的比例分量起主要作用，它首先阻止轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，使轉(zhuǎn)速回升。中間階段，兩個(gè)分量同時(shí)起作用，到了調(diào)節(jié)過程的后期，轉(zhuǎn)速已逐漸回升，速降n已減小，比例部分幾乎不起作用，而積分部分經(jīng)過一段時(shí)間的積累，逐漸增大，起主要作用，并依靠它最后消除偏差。3 單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的研究3.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求各類不同的生產(chǎn)機(jī)械，由于其具體的生產(chǎn)

26、工藝過程不同，對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求也是不同的。但歸納起來有以下三個(gè)方面。（1） 調(diào)速方式：在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有級(jí)或無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向若要求正、反轉(zhuǎn)，則為可逆調(diào)速系統(tǒng)，若只要求單向運(yùn)轉(zhuǎn)，則為不可逆調(diào)速系統(tǒng)。（2） 穩(wěn)定性：以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能不受外部或內(nèi)部擾動(dòng)的影響，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。（3）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：良好的起、制動(dòng)性能 對(duì)于頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡可能快地加、減速，以提高生產(chǎn)效率。不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡可能地平穩(wěn)。對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，主要是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，穩(wěn)定是第一要素，所以本設(shè)計(jì)對(duì)穩(wěn)定性的要求是，務(wù)必使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差e

27、ss5%；靜差率S30%；對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求為超調(diào)量控制在5%范圍內(nèi)；調(diào)節(jié)時(shí)間在5%誤差帶范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)時(shí)間ts3s；3.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆直流調(diào)速的基本原理及線路圖為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。在本裝置中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)“轉(zhuǎn)速變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，用作控制整流橋

28、的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。圖3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖圖10 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖3.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)建模是一種數(shù)學(xué)的思考方法，是運(yùn)用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言和方法，通過抽象、簡(jiǎn)化建立能近似刻畫并解決實(shí)際問題的

29、一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段。數(shù)學(xué)模型一般是實(shí)際事物的一種數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化。具體來說，數(shù)學(xué)模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)學(xué)及其它數(shù)學(xué)符號(hào)建立起來的等式或不等式以及圖表、圖像、框圖等描述客觀事物的特征及其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式。為了進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，必須搞清楚組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性，建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，最終建立起整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。下面我們針對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。（1）直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)圖11繪出了額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路，其中電樞回路電阻R和電感L包含整流裝置內(nèi)阻和平波電抗器的電阻與電感在內(nèi)，規(guī)定在正方向如圖中所示。圖11 直流電動(dòng)機(jī)等效電路

30、由圖11可列出微分方程如下：在電流連續(xù)的條件下，直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程式為 （3）式中：e-電動(dòng)機(jī)電樞反電勢(shì)； R-電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻； L-電動(dòng)機(jī)電樞回路電感； id-電動(dòng)機(jī)電樞回路電流；因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)e與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，故：ed=Cen，M= 式中：Ce-電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)；n-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；M-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；GD2-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是點(diǎn)數(shù)電流的函數(shù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為M=Cm id （4）式中：Cm-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，并且有Cm=9.55Ce，得id=和 （5）整理得電動(dòng)機(jī)的微分方程為：+n= (6)在本實(shí)驗(yàn)求電樞電阻Rd中測(cè)得數(shù)據(jù)如下表所示：取

31、三次測(cè)量的平均值作為實(shí)際冷態(tài)電阻值 表 室溫 23 序號(hào)U（V）I（A）R（ 平均）（）Ra（）Raref（）11.270.03Ra11=42.3Ra1=42.342.38511.27Ra12=42.31.27Ra13=42.321.700.04Ra21=42.5Ra2=42.51.70Ra22=42.51.70Ra23=42.532.110.05Ra31=42.2Ra3=42.42.12Ra32=42.42.12Ra33=42.5表中：計(jì)算基準(zhǔn)工作溫度時(shí)的電樞電阻由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得電樞繞組電阻值，此值為實(shí)際冷態(tài)電阻值。冷態(tài)溫度為室溫。按下式換算到基準(zhǔn)工作溫度時(shí)的電樞繞組電阻值： 式中Raref

32、換算到基準(zhǔn)工作溫度時(shí)電樞繞組電阻。（）。Ra電樞繞組的實(shí)際冷態(tài)電阻。（）。ref 基準(zhǔn)工作溫度，對(duì)于E級(jí)絕緣為75 。a實(shí)際冷態(tài)時(shí)電樞繞組的溫度。（）其中電感量Ld=20mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2=4.5N.m2，Cm=9.55Ce=,額定電壓UN=220V，額定電流Id=1.2A，有此可算得上微分方程0.28+10.52+n=11.53ud (7)上式求拉普拉斯變換為（0.28S2+10.52S+1）N(s)=11.53U(s)所以G(s)= =，本實(shí)驗(yàn)中用到其結(jié)構(gòu)模型為其中K為與調(diào)節(jié)器、觸發(fā)電路、正橋功放、三相橋式整流等效的比例放大器的放大倍數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如下：轉(zhuǎn)換電壓（V）0.3080.8

33、921.862.543.093.744.124.815.56調(diào)節(jié)器輸出（V）4.24.565.065.425.706.026.326.707.18此放大倍數(shù)求平均值得K=3；所以，此系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為=化為標(biāo)準(zhǔn)形式可得由上式的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以得出系統(tǒng)的特征方程為：0.28S+10.52S+35.59=03.4.閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷根據(jù)勞斯判據(jù)得到：根據(jù)上式可以得出：S 0.28 35.59 S 10.52 S 35.59因?yàn)榈谝涣卸际钦龜?shù)，所以特征方程的根都在S左平面，所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的3.5 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

34、時(shí)調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。其中最顯著的靜態(tài)指標(biāo)就是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，它是指當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)的偏差，是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)的重要的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高，若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無(wú)差系統(tǒng)，若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。（1）穩(wěn)態(tài)誤差ess對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，由于調(diào)速系統(tǒng)為恒值系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差是指擾動(dòng)（例如負(fù)載變化）作用下，被控量（例如轉(zhuǎn)速）在穩(wěn)態(tài)下的變化量。下面將結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與系

35、統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具體討論分析本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。本設(shè)計(jì)所用到的系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)為：與上一節(jié)中建立的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)相比較得123.5Hz2，所以=11Hz ,2=10.52;解得=0.956穩(wěn)態(tài)誤差ess=lim（t）e（t）=lim（s0）Se（s）=lim（s0）S（U（s）N（s）=lim（s0）SU（s）（1N（s）=S=2.52%（2）調(diào)速范圍D生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即 其中nmax和nmin一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通

36、常視nmax為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nnom。閉環(huán)加大給定電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：給定（V）-0.17-0.46-0.94-1.29-1.56-1.88-2.43-2.80轉(zhuǎn)速(n)83245508690840101213041502根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出D= =18 （3）靜差率S當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，稱為靜差率S，即n 圖11 負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得 S=26.3%顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。（4）調(diào)壓調(diào)速

37、系統(tǒng)中D，S和之間的關(guān)系 在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，就是電動(dòng)機(jī)的額定速度nnom，若額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，即 而額定負(fù)載時(shí)的最低轉(zhuǎn)速為 考慮到上式可以寫成 而調(diào)速范圍為 得： 3.6 動(dòng)態(tài)指標(biāo)上面我們討論了單閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，通過引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋并且有了足夠大的放大倍數(shù)K后，就可以減少穩(wěn)態(tài)速降，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求。但是，放大系數(shù)過大的可能引起閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須采取適當(dāng)校正措施才能使系統(tǒng)正常工作并滿足動(dòng)態(tài)性能要求。為此，我們必須討論系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，從而使我們?cè)谠O(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)能兩者兼顧，達(dá)到我們最滿意的要求。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在過

38、渡過程中的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。由于跟隨性能指標(biāo)最能說明一個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)分析系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)。在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)）R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況用跟隨性能指標(biāo)來描述。對(duì)于不同變化方式的給定信號(hào)，其輸出響應(yīng)不一樣。通常，跟隨性能指標(biāo)是在初始條件為零的情況下，以系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)（稱為單位階躍響應(yīng)）為依據(jù)提出的，具體的跟隨性指標(biāo)有下述幾項(xiàng)：（1） 超調(diào)量p%動(dòng)態(tài)過程中，輸出量超過輸出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即：p%=e超調(diào)量用來說明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性上式表明超調(diào)量p%是阻尼

39、比的函數(shù)，越大，超調(diào)量越小，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性越高，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。本設(shè)計(jì)中由于=0.956，可算得超調(diào)量p%=3%（2）調(diào)節(jié)時(shí)間ts調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是系統(tǒng)從給定信號(hào)階躍變化起，到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間，對(duì)于線性控制系統(tǒng)，理論上要到才真正穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的誤差進(jìn)入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的5%或2%）所需的最小時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。t=0.57s4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果4.1穩(wěn)態(tài)誤差超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間的測(cè)定前面在數(shù)學(xué)模型中已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)指標(biāo)做了系統(tǒng)的分析，而試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證理論

40、與實(shí)際情況的差距，找出出現(xiàn)誤差的原因，從而在實(shí)際運(yùn)用中做到準(zhǔn)確控制。調(diào)節(jié)給定電壓大小，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?調(diào)至1200rmin后，調(diào)節(jié)改變負(fù)載電阻。閉環(huán)系統(tǒng)（比例調(diào)節(jié)器）測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù).在試驗(yàn)過程中，u給定為負(fù)，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)化出來的電壓為正，u為負(fù)這樣才能保證系統(tǒng)為負(fù)反饋。給定Ug（V）-0.45-1.3-1.8-2.2-2.6-2.7-2.7-2.7-2.7轉(zhuǎn)速n（rmin）9846572592411351256124312351188轉(zhuǎn)換電壓（V）0.1721.3632.452.853.133.763.693.623.58調(diào)節(jié)器輸出（V）4.124.584.865.265.455.725

41、.695.645.62閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋（比例積分調(diào)節(jié)器）對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)：給定Ug（V）-0.37-0.56-0.87-1.39-1.56-1.75-1.75-1.75-1.75轉(zhuǎn)速n（rmin）7344570891011401222121712111191轉(zhuǎn)換電壓（V）0.3080.891.862.543.093.744.214.815.56調(diào)節(jié)器輸出（V）4.24.565.065.475.706.026.326.707.18由上表數(shù)據(jù)可得閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋（比例調(diào)節(jié)）特性曲線為：圖12比例特性曲線由圖12可得穩(wěn)態(tài)誤差ess=4.22%，超調(diào)量=2.8%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=1s閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋（比例積分調(diào)節(jié)器）：圖

42、13比例積分特性曲線由圖13知穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.68%，超調(diào)量=1.53%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=1.4s由上兩圖可以看出如果考慮到動(dòng)態(tài)校正問題則PI調(diào)節(jié)器要好，如果單純從調(diào)試到調(diào)試速度上考慮，則用比例調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器存在滯后矯正，如果對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。4.2誤差分析 通過建模求得的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定差別，分析誤差的來源：首先，數(shù)學(xué)建模求得的數(shù)據(jù)是理論值，忽略了電動(dòng)機(jī)本身和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一些誤差的影響，而這些是無(wú)法避免的，我們只能通過改善

43、系統(tǒng)來盡量減小而不能消除；其次，由于建立的數(shù)學(xué)模型中，用到的C，Cm，是按常數(shù)來計(jì)算的，他們分別代表電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，在實(shí)際中，它們是變化的，造成了理論值與實(shí)際值的不統(tǒng)一；另外，測(cè)量時(shí)的讀數(shù)誤差也對(duì)這種不統(tǒng)一有一定的影響。由此可以看出實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)際情況是有差距的，這就要求我們?cè)趯?shí)際工作中預(yù)先考慮到這些誤差和影響，做到盡量把誤差降到最低，做到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差最小，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的。4.3調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及穩(wěn)定性分析1.電樞電壓不變時(shí)的直流電機(jī)開環(huán)外特性的測(cè)定按圖10的接線圖接線，DJK02-1上的移相控制電壓Uct由DJK04上的“給定”輸出Ug直接接入，直流發(fā)電機(jī)接負(fù)載電阻R，

44、Ld用DJK02上200mH，將給定的輸出調(diào)到零。先閉合勵(lì)磁電源開關(guān)，按下DJK01“電源控制屏”啟動(dòng)按鈕，使主電路輸出三相交流電源，然后從零開始逐漸增加“給定”電壓Ug，使電動(dòng)機(jī)慢慢啟動(dòng)并使轉(zhuǎn)速 n 達(dá)到1200rpm。改變負(fù)載電阻R的阻值，使電動(dòng)機(jī)的電樞電流從空載直至Ied。即可測(cè)出在Uct不變時(shí)的直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)外特性n = f(Id)，測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)于下表： n120011941188116811521120110011651100Id(MA)35639041645056670079495611702.轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)按圖10接線，在本實(shí)驗(yàn)中，DJK04的“給定”電壓Ug為負(fù)給定，

45、轉(zhuǎn)速反饋為正電壓，將“調(diào)節(jié)器I”接成P（比例）調(diào)節(jié)器或PI（比例積分）調(diào)節(jié)器。直流發(fā)電機(jī)接負(fù)載電阻R，Ld用DJK02上200mH，給定輸出調(diào)到零。直流發(fā)電機(jī)先輕載，從零開始逐漸調(diào)大“給定”電壓Ug，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近n=l200rpm。由小到大調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)負(fù)載R，測(cè)出電動(dòng)機(jī)的電樞電流Id，和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，直至Id=Ied，即可測(cè)出系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線n =f(Id)。表二為比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)的閉環(huán)特性數(shù)據(jù)：n120012001200120011991198119711961195Id(MA)34039041043052066079011001170圖14 電動(dòng)機(jī)增加負(fù)載的機(jī)械特性其中A為閉環(huán)增加

46、負(fù)載的機(jī)械特性，B為開環(huán)增加負(fù)載的機(jī)械特性。由圖可以看出閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試的優(yōu)越性。開環(huán)改變電動(dòng)機(jī)負(fù)載的機(jī)械特性：n120011771148112410611007Id(MA)340410570660740890閉環(huán)改變電動(dòng)機(jī)負(fù)載的機(jī)械特性： n12001200120011991199119911991198Id(MA)3404205706507708809501120圖15電動(dòng)機(jī)突然較大負(fù)載時(shí)的變化其中A為閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化，B為開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化由此可以看出閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)要穩(wěn)定。5結(jié) 論 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓作為反饋信號(hào)與給定信號(hào)做比較來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，在整個(gè)系統(tǒng)

47、中，主要涉及到晶閘管，晶閘管驅(qū)動(dòng)部分，控制部分，晶閘管主要負(fù)責(zé)把380伏的電壓變成供直流電機(jī)的電樞電壓，而晶閘管控制部分，主要通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的弱電信號(hào)對(duì)晶閘管控制，在這部分牽扯到信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要是把正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)來控制晶閘管的工作。閉環(huán)控制最重要的部分是反饋信號(hào)，在此課題中反饋信號(hào)是由轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓與給定信號(hào)進(jìn)行比較，而這些都是從調(diào)節(jié)器里面實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)器不但負(fù)責(zé)電壓信號(hào)的比較，而且還負(fù)責(zé)控制信號(hào)的比例和積分，從而達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定，快速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的順利實(shí)施。（1）在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中通過實(shí)驗(yàn)法和解析法對(duì)系統(tǒng)做了系統(tǒng)的分析。得到閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （2）通過閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函

48、數(shù)可以用勞斯判據(jù)初步判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因?yàn)樘卣鞣匠痰母荚赟左平面，所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的（3）通過閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)經(jīng)過分析得到系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)A：靜態(tài)指標(biāo)：1. 穩(wěn)態(tài)誤差ess =2.52% 2. 調(diào)速范圍D = 20 3. 靜差率S=26.3%B：動(dòng)態(tài)指標(biāo)：1. 超調(diào)量p% = 3% 2.調(diào)節(jié)時(shí)間t =0.57s (4)通過實(shí)驗(yàn)可以得到系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)A：靜態(tài)指標(biāo)：1. 穩(wěn)態(tài)誤差ess =1.53% 2. 調(diào)速范圍D = 18 3. 靜差率S=26.3%B：動(dòng)態(tài)指標(biāo)：1. 超調(diào)量p% = 1.53% 2.調(diào)節(jié)時(shí)間t =1.4s對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，主要是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不可逆調(diào)速系統(tǒng)，所以

49、設(shè)計(jì)要求務(wù)必使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess5%；靜差率S30%；對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求為超調(diào)量控制在5%范圍內(nèi)；調(diào)節(jié)時(shí)間在5%誤差帶范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)時(shí)間ts3s；靜態(tài)指標(biāo)中的調(diào)速范圍是跟電機(jī)本身有管，對(duì)系統(tǒng)的控制關(guān)系不是太大，而靜差率是對(duì)了系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器來說的，如果是比例調(diào)節(jié)器存在靜差率，而且比例積分調(diào)節(jié)器增強(qiáng)了穩(wěn)定裕量，但是采用比例積分對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間有延遲。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。致 謝 在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，雖然遇到很多問題，因?yàn)閺膩頉]有接觸過控制系統(tǒng)的部分，在閉環(huán)控制中，有很多中，如電流控制，電壓控制，而這次我只用轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)來控制電機(jī)，對(duì)于閉環(huán)控制來說，這個(gè)控制系統(tǒng)很簡(jiǎn)單，只有一個(gè)閉環(huán)

50、，但是通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我學(xué)到很多東西，把自己的知識(shí)聯(lián)系到了一塊。同樣作為一個(gè)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，我能在畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候做跟自己專業(yè)有關(guān)的課題而高興。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到了很多問題，如實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不熟，不知道怎么樣調(diào)試等等，但是通過老師和同學(xué)的幫助，順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，在這對(duì)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中幫助我的老師和同學(xué)說聲謝謝。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成代表著我們大學(xué)的四年本科生活將要畫上句號(hào)。既有一種喜悅感，又有一種失落感，喜悅的是我們能學(xué)以致用，將老師授予我們的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，能夠走入社會(huì)為國(guó)家創(chuàng)造財(cái)富，不辜負(fù)老師、家長(zhǎng)、國(guó)家對(duì)我們的培養(yǎng)；失落的是我們即將于一同生活、一同學(xué)習(xí)了四年的老師和朋友分別，即將各走他鄉(xiāng)。然而無(wú)

51、論如何本次畢業(yè)設(shè)計(jì)代表著我四年的努力，代表了我四年的歷程。在此，我要衷心的感謝這四年來辛勤培養(yǎng)我的老師們，你們辛苦了，謝謝你們！參考文獻(xiàn)1.William H. Hayt, Jr. Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin. Engineering circuit analysis. Sixth edition 北京：電子工業(yè)出版社，2002 2. James W. Nilsson Susan A. Riedel 電路（第六版）（Electric Circuits, Sixth edition）。電子工業(yè)出版社，2002 3. Charles K. Alexanger and Matthew N. O. Sandiku. Fu