自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書專 業(yè)班 級(jí)姓 名設(shè) 計(jì) 起 止 日 期設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)任務(wù)（主要技術(shù)參數(shù)）：指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 簽字：年 月 日雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班 級(jí)：08t自動(dòng)化1學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2011.12.20-2011.12.24目 錄1 課程設(shè)計(jì)的目的 12 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 12.1 系統(tǒng)的組成 12.2 系統(tǒng)的工作原理 22.3 系統(tǒng)的靜特性分析 22.4 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 32.5 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 42.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 72.7 電流環(huán)的仿真 92.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真 112.9 過(guò)電流保護(hù) 163 設(shè)計(jì)結(jié)果分析 173.1 電壓變化和負(fù)載

2、變化引起的擾動(dòng)情況 173.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)及解決方案 183.3 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 193.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理由 194 設(shè)計(jì)心得體會(huì) 21參考文獻(xiàn) 22課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.11 課程設(shè)計(jì)的目的自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)理論課程之后的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目的是使學(xué)生鞏固和加深課程的理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際，融會(huì)貫通。進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力。充分發(fā)掘自身的潛力，開拓思路設(shè)計(jì)雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)。并掌握其系統(tǒng)的組成、工作原理、調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及simulink仿真等內(nèi)容，同時(shí)在計(jì)算、繪圖、編號(hào)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書等方面得到訓(xùn)練，為今

3、后的學(xué)習(xí)工作奠定基礎(chǔ)。2 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2.1 系統(tǒng)的組成如圖1所示，為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（asr）和電流調(diào)節(jié)器（acr），二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）連接，且都帶有輸出限幅電路。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)1。圖中asr為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，acr為電流調(diào)節(jié)器，tg為測(cè)速發(fā)電機(jī)，ta為電流互感器，upe為電力電子變換器，為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速反饋電壓，為電流給定電壓，為電流反饋電

4、壓。圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)沈 陽(yáng) 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.22.2 系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出的電壓的實(shí)際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓u為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器。在啟動(dòng)過(guò)程中由于外環(huán)很快達(dá)到飽和，只有電流負(fù)反饋起作用，此時(shí)相當(dāng)于在最大允許起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下進(jìn)行恒流起動(dòng)，系統(tǒng)能獲得最大的加速度，且電流和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋分別加到兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速環(huán)起作用，系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，此時(shí)電流環(huán)只起跟隨作用，這樣就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制，使系

5、統(tǒng)能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2.3 系統(tǒng)的靜特性分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的pi調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓u決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓u限制了電力電子變換器的最大輸出電壓u1。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限沈 陽(yáng) 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.3幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使

6、該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓u在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)2.4 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓u由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)起動(dòng)過(guò)程如圖4所示。由于在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr歷經(jīng)了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分為圖中標(biāo)明的、三個(gè)階段。第階段是電流上升階段。第階段是恒流升速階段。第階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形沈 陽(yáng) 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)、功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、電流轉(zhuǎn)速控制

7、環(huán)節(jié)共同構(gòu)成，通過(guò)推導(dǎo)可以得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋的作用，分別設(shè)置了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器，在實(shí)際運(yùn)行中可能處于不飽和、飽和兩種狀態(tài)。其次，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)包含可電流、轉(zhuǎn)速兩個(gè)控制回路，所以系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單地用線性控制理論分析2。用工程設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器，應(yīng)按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的一般原則。從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如

8、圖5所示，圖中增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。有測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向文波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用t表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為t的給定濾波環(huán)節(jié)。圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.5 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：220v，136a，1000r/min，=0.192vmin/r，允許過(guò)載倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：k=44；電樞回路總電阻：r=1；沈 陽(yáng) 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.5時(shí)間常數(shù)：t=0.0167s，t=0.075s；電流反饋系數(shù)：=0.0

9、5v/a（10v/1.5i）。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量5%。（1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)t=0.00167s。電流濾波時(shí)間常數(shù)t。三項(xiàng)橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）t=3.33ms，因此取t=2ms=0.002s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和t= t+ t=0.00367。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣型的，因此可用pi型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：w（s）=檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：4.55，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常

10、數(shù)：=0.0167s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時(shí)，應(yīng)取=0.5，因此k=s136.2 s于是，acr的比例系數(shù)為=1.034沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.6（4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：=136.2 s校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件= s199.6 滿足近似條件校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件3=3* s84.8 滿足近似條件校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件=* s182.4 s 滿足近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示，按運(yùn)算放大器取r=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下：1.034*40k=41.36 k 取40 kc=0.41f 取0.4fc=

11、0.2f 取0.2f按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%5% 滿足設(shè)計(jì)要求沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.7圖6 含給定濾波和反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器2.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)除電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中已給出數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.01vmin/r，要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%。（1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，已取=0.5，則=2t=2*0.00367s=0.00734轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)t。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)的波紋情況，取t=0.01s。轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)t。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取t=+ t=0.00734+0.01=0

12、.01734（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：w（s）=（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為=5*0.01734=0.0867s沈 陽(yáng) 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.8轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為k=s399.1 sasr的比例系數(shù)為k=2.5（4）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為=k=399.1*0.0867s34.6 s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件= s64.2 s 滿足簡(jiǎn)化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件= s38.9 s 滿足近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示，取r=40k，則2.5*40k=10

13、0k 取100kc=f0.867f 取1fc=1f 取1f（6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。按asr退保和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.9（7）退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算=2（）（）=2*81.2%*1.5*8.98%10%滿足設(shè)計(jì)要求圖7 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.7 電流環(huán)的仿真電流環(huán)的仿真模型如圖8所示，其中晶閘管整流裝置輸出電流可逆。圖8 電流環(huán)的仿真模型圖9（a）的pi參數(shù)是根據(jù)上述電流環(huán)設(shè)計(jì)的結(jié)果設(shè)定的，參數(shù)關(guān)系是kt=0.5。在此基礎(chǔ)上，利用圖8的仿真模型，可以觀察pi參數(shù)對(duì)跟隨性能指標(biāo)的影響趨勢(shì)，找到符合工

14、程要求的更合適的參數(shù)。以kt=0.25的關(guān)系式按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.517+，很快地得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.10的仿真結(jié)果如圖9(b)所示，無(wú)超調(diào)，但上升時(shí)間長(zhǎng)；以kt=1.0的關(guān)系式得到pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2.068+，同樣得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖9(c)所示，超調(diào)大，但上升時(shí)間短。kt=0.5時(shí)的超調(diào)量=4.2%kt=0.25時(shí)的超調(diào)量=0%kt=1.0時(shí)的超調(diào)量=23.4%圖9（a）、(b)分別給定kt=0.5和kt=0.25時(shí)的階躍響應(yīng)曲線，可以看出，給定量不同時(shí)，對(duì)應(yīng)超調(diào)量過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不相同。給定kt=0.

15、25時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.2s，超調(diào)量為0；而當(dāng)給定kt=0.5時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.4s，超調(diào)量約為4.2%?？梢婋S著kt的增大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和超調(diào)量都變大。kt過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能滿足不了使用要求的需要。圖9(a) 電流環(huán)的仿真結(jié)果沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.11圖9(b) 無(wú)超調(diào)的仿真結(jié)果圖9(c) 超調(diào)量較大的仿真結(jié)果2.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖12所示。圖10 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.12雙擊階躍輸入模塊把階躍值設(shè)置為10。asr調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，最終穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速。圖11（a）的pi參數(shù)是根據(jù)上述轉(zhuǎn)速

16、環(huán)設(shè)計(jì)的結(jié)果設(shè)定的，參數(shù)關(guān)系是kt=0.5。在此基礎(chǔ)上，利用圖10的仿真模型，可以觀察pi參數(shù)對(duì)跟隨性能指標(biāo)的影響趨勢(shì)，找到符合工程要求的更合適的參數(shù)。以kt=0.25的關(guān)系式按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1.25+，很快地得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖11(b)所示；以kt=1.0的關(guān)系式得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為5+，同樣得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖11(c)所示；kt=2.0的關(guān)系式得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為10+，同樣得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖11(d)。kt=0.5時(shí)的超調(diào)量=37.6% kt=0.25時(shí)的超調(diào)量=44.3%kt=1.0時(shí)

17、的超調(diào)量=28.2%kt=2.0時(shí)的超調(diào)量=7.5%圖11（a）、(d)分別給定kt=0.5和kt=2時(shí)的階躍響應(yīng)曲線，可以看出，給定量不同時(shí)，對(duì)應(yīng)超調(diào)量過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不相同。給定kt=2時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.55s，超調(diào)量為7.5%；而當(dāng)給定kt=0.5時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.3s，超調(diào)量約為37.6%。可見隨著kt的減小，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減小，但超調(diào)量增大。kt過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能滿足不了使用要求的需要。沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.13圖11（a） kt=0.5時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動(dòng)波形圖圖11（b） kt=0.25時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動(dòng)波形圖圖11（c） kt=1.0時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起

18、動(dòng)波形圖沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.14圖11（d） kt=2.0時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動(dòng)波形圖雙擊階躍輸入模塊把階躍值設(shè)置為10。把負(fù)載電流的設(shè)置為136，滿載起動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖12(a)所示，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，退飽和超調(diào)量減少。圖12（a）的pi參數(shù)是根據(jù)上述電流環(huán)設(shè)計(jì)的結(jié)果設(shè)定的，參數(shù)關(guān)系是kt=0.5。以kt=0.25的關(guān)系式按典型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1.25+，很快地得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖12(b)所示；以kt=1.0的關(guān)系式得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為5+，同樣得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖12(c)所示；以kt=2.0的關(guān)系式

19、得到了pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為10+，同樣得到了電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖12(d)所示。kt=0.5時(shí)的超調(diào)量=11.2%kt=0.25時(shí)的超調(diào)量=20.0%kt=1.0時(shí)的超調(diào)量=9.0%kt=2.0時(shí)的超調(diào)量=7.5%圖12（a）、(d)分別給定kt=0.5和kt=2時(shí)的階躍響應(yīng)曲線，可以看出，給定量不同時(shí)，對(duì)應(yīng)超調(diào)量過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不相同。給定kt=2時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.55s，超調(diào)量為7.5%；而當(dāng)給定kt=0.5時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為0.3s，超調(diào)量約為11.2%?？梢婋S著kt的減小，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減小，但超調(diào)量增大。kt過(guò)小時(shí)，沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.15系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

20、滿足不了使用要求的需要。圖12（a） kt=0.5時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖圖12（b） kt=0.25時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖圖12（c） kt=1.0時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.16圖12（d） kt=2.0時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖2.9 過(guò)電流保護(hù)要求是在控制電路中檢測(cè)到電流，然后能馬上切斷晶閘管的電壓實(shí)現(xiàn)保護(hù)?？梢赃x擇用穩(wěn)壓管或電壓比較器。下面是選用電壓比較器lm393的設(shè)計(jì)方案，一個(gè)輸入端輸入來(lái)自電流檢測(cè)的電流信號(hào)；另一個(gè)輸入端輸入過(guò)電流設(shè)定值。lm393的電機(jī)保護(hù)電路圖如圖16所示。圖16 lm393的電機(jī)保護(hù)電路圖設(shè)計(jì)思路（1）當(dāng)a點(diǎn)電壓大于

21、b點(diǎn)電壓時(shí)，vout反轉(zhuǎn)，由低電平變?yōu)楦唠娖?，儀器報(bào)警，沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.17以防止電機(jī)過(guò)載損壞；（2）運(yùn)放實(shí)際供電為5.12v（微機(jī)-11型電源+5v輸出）；（3）lm741負(fù)輸入端基準(zhǔn)電壓v=5*r4/（r3+r4）=1.503v；（4）c1,c2濾波；r1為2w、1%金屬膜電阻；r2,r5保護(hù)運(yùn)放lm741正負(fù)輸入端；r3,r4為lm741負(fù)輸入端分壓電阻，精度為1%；r6反饋電阻，保護(hù)芯片；r6保護(hù)輸出端目標(biāo)；（5）電機(jī)用電阻替代，以實(shí)現(xiàn)a點(diǎn)分壓；（6）lm741正輸入端電壓來(lái)自“微機(jī)-11型電源”的+6v26v在r1上的分壓，r1和電機(jī)代替電阻根據(jù)具體情況配置；（7

22、）lm741負(fù)輸入端電壓來(lái)自“微機(jī)-11型電源”的+5v在r4上的分壓，r3和r4根據(jù)具體情況配置；（8）當(dāng)b點(diǎn)分壓為1.5v、1v、0.4v，a點(diǎn)分壓大于或小于b點(diǎn)電壓時(shí)，運(yùn)放輸出均為高電平，不能達(dá)到使用要求；（9）將b點(diǎn)分壓配置為2.476v,調(diào)節(jié)a端分壓： 當(dāng)a點(diǎn)分壓小于2.476v時(shí)，輸出vout為低電平1.795v；當(dāng)a點(diǎn)分壓大于2.476v時(shí)，輸出vout為高電平4.57v。芯片用作比較器正常工作；（10）進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，當(dāng)負(fù)端輸入電壓小于2.0v時(shí)，芯片用作比較器時(shí)不能正常工作。3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)是常見的伺服系統(tǒng).對(duì)于伺服的控制需要對(duì)它的運(yùn)行狀態(tài)驚醒辨識(shí)

23、，而這些狀態(tài)往往無(wú)法直接通過(guò)測(cè)量得到，需要設(shè)計(jì)并通過(guò)相應(yīng)的狀態(tài)觀察器得到。同時(shí)，從實(shí)際觀測(cè)的角度出發(fā)，為消除存在的干擾，需要對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的輸出（從實(shí)時(shí)情況下測(cè)量得到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度）和系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行濾波處理3。3.1 電壓變化和負(fù)載變化引起的擾動(dòng)情況（1）電壓變化引起的擾動(dòng) 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)后，由于增加了電流內(nèi)環(huán)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)里面，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)調(diào)節(jié)，沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.18不必等到它影響到轉(zhuǎn)速后，再由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作出反應(yīng)。因此，在雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓擾動(dòng)所引起的動(dòng)態(tài)速度變化要比在單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中小的多4。（2

24、）負(fù)載變化引起的擾動(dòng)隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩t的變化，asr和acr的輸出電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，負(fù)載變化的過(guò)程是asr調(diào)節(jié)作用的過(guò)程，依靠它的輸出電壓的相應(yīng)變化，使acr和晶閘管整流裝置的輸出電壓的變化來(lái)補(bǔ)償負(fù)載電壓i在主電路電阻上引起的電壓變化，以保證穩(wěn)定狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于給定轉(zhuǎn)速。在整個(gè)過(guò)程中，acr的作用是始終力圖使發(fā)動(dòng)機(jī)電流與asr的輸出電壓相當(dāng)，對(duì)抗負(fù)載擾動(dòng)沒有好處反而有一定不利的影響4。3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)及解決方案由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)得分析可知，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的上升加速度/可以任意控制，起動(dòng)過(guò)程能實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)控制。但是，通過(guò)其起動(dòng)波形發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電

25、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)還存在如下三個(gè)缺點(diǎn)5。（1）轉(zhuǎn)速?gòu)母咚僮兊退贂r(shí)控制系統(tǒng)失控。因?yàn)楫?dāng)可控整流裝置的輸出電壓由大變小時(shí)，電動(dòng)機(jī)所儲(chǔ)存的能量無(wú)法回饋給電網(wǎng)，所以造成控制系統(tǒng)失控。（2）第第階段的電流上升率不能控制。我們希望在第階段的上升率越大越好，因?yàn)殡娏魃仙试酱?，越接近理想的起?dòng)波形，但是晶閘管和大功率三極管不允許有過(guò)大的電流變化率。（3）啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)速必須出現(xiàn)超調(diào)才能使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr退出飽和狀態(tài)。通過(guò)前面的分析我們知道，由于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)給定起動(dòng)電流的可變性，導(dǎo)致上升時(shí)間短，超調(diào)量卻不一定的現(xiàn)象出現(xiàn)，但是還是有超調(diào)。如果生產(chǎn)工藝要求不允許有超調(diào)，如何來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？問(wèn)題關(guān)

26、鍵點(diǎn)已經(jīng)明確，如果能找到一種方法即讓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)極性改變，又要讓實(shí)際轉(zhuǎn)速不超調(diào)，問(wèn)題就會(huì)全面解決。要解決這個(gè)問(wèn)題，就是讓轉(zhuǎn)沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.19速調(diào)節(jié)器提前退飽和，目前廣泛采用兩種方法。一是瞬間降低轉(zhuǎn)速給定電壓，二是自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速反饋電壓。第二種又分為改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋。這里我就不一一介紹。3.3 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓u變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)

27、器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓u（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起即使抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。（4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。3.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，

28、它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用pi控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.20統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)

29、等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。沈 陽(yáng) 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no.214 設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過(guò)了一周的自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，讓我懂得了更多與專業(yè)方面知識(shí)有關(guān)的東西，為下學(xué)期的學(xué)習(xí)打下了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容有很多老師并沒有講過(guò)，書上也沒有，也就是說(shuō)完成了課程設(shè)計(jì)以后我們才算真正的完整的學(xué)完了自動(dòng)