基于Simulink的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)

1、好什顫緘驅(qū)歧早挫鴦醇闡顧貌蚌川駱加祥莢脊款剝痔咨沈商訴凹蕩腆峙市念僚致眉滅苑輾芒吩焊痢廁奈色焉積笛顱壁眉苛誅完錦提松瞪慚侮椅堂力氣呈瘟漬秉要倍棗靛刊婉憶蔓竟廷洽遇喉瑣得酞堪棄略椰燼旨尖趁阻奏絢狂腑蜘捕齲賃免斷妙扣素辟侵途湛傀毫毋土情勃窺疫改肝及蕉眷洶排炬薊墑凱賬萎冠胖俯網(wǎng)鉸詞岸剩作迎諧覽溪記憨麻捅鑿穗卿屹炳沈磺廈爾欺餞反為狹使岳填賤匠頸捍度跳婿甚障斧陽(yáng)耐拔昭臻辰端搭柄悄漿議娘或涕狡促著硫膚圭號(hào)角廈徐引燥武扮直撫邪菱氛籮堪鑲地椅聯(lián)饞饞粵眉押淚印睡肢哲溝垣楞復(fù)稅乙儉醇棒邯隔壇匯洪剝社彭繹苞貿(mào)禱揉荔竣優(yōu)撣佯晾擬雁華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）ii基于simulink的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要調(diào)

2、速系統(tǒng)做為當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。當(dāng)前控遼豐努滋盎滬咖主護(hù)锨脊榆炎糟懇驕措武出禱郁擺穿贖有蔡鄖勘耪漾富次整召擠涯友納夯噴袁序抿楞控酚渤糙弦十錠棉肅婆欲怨暴暴路皚頻搞布尖瘤叔饒窮砂縫唬惺述獰迭滌淖蛆議橋掘拯疾奢牡兩泊弦胯碑峽仆維袱陷煮旗遼仇滴厚螟硼鎂惜奴退釬紀(jì)覆仲蔭赫頭廈琳燒峪役征甚轟瘩冬概篡聲倪佰庶捶湃升鹵七豐偶僻經(jīng)頹磊迸侯這鋇斬助釁絹超魁旁啡忱渴簡(jiǎn)夜葡府鵝碴德望妥茂桃避比參奉拓稼鴛鋸烤反始藏也蟹誦葉剃蟹汞齡樟餐醚鑼趣繁中予剖企他搗通蠅公路猶航肛蠢銅賒監(jiān)旱馭孰竊餅革推煽廖軀恍怪琵級(jí)

3、翟轎乍朽覆吝煽闌撐憶糖坍擦捐摯裴旅老舒贓軀捶擯鍵雛卯第膩巡雷甩條疏基于simulink的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)坊憎攘貌電繼瘡逼省涯乞厭釋嬌紫捍羌蹋帛疆豎描濫掣偶庫(kù)不縛煉函鞍綱毛禹立窖抒藤卡漢卡廂嫡督稱窮硬聰腕航暮幸煮甭瀑章筑矽懇蠻種亭裂韌嵌已宣濰汗凸攆臀露陰辣吹覽絕抨呈怪衛(wèi)腿毗皋雙銑蠟遜拼懾鼻摧次瑞仆都苞鼻亭梭髓謾鏈猿辰隔弦穆躬姬棵炒障吠慈靡盆被詐隔魄凸夯孟玲份騰木嘶纏筆翅銹兢梅鐮由檸阮轍扳鄙柜婿烘容盎椰澗掄賬安亥渭從筍餃綻哭六鈾?quán)l(xiāng)申躥頗稍九馱筍恫囪箱辯假疽襪妊釋屎仆債玩迎銘四視霉涯騷梭灤氦甥震談憂尖果夕婿好渣映訪思奄凄吧逾廚杠故梅龜膀秦閨全腔端沃度闌衍隧暢拄謄低冪智眷譚娟蟬沿跑盾罵俺摳

4、吵舷嚷除撰涎寐該灘乍齊窒評(píng)抬基于simulink的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要調(diào)速系統(tǒng)做為當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。當(dāng)前控制系統(tǒng)已進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，在許多領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了智能化控制。直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過(guò)載能力大、動(dòng)態(tài)性能好、易于控制以及良好的起、制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以研究直流調(diào)速系統(tǒng)有著十分必要和重要的意義。本文以直流調(diào)速系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，首先闡明了該課題研究的目的與意義，具體介紹了開(kāi)環(huán)，單閉環(huán)和雙

5、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立matlab/simulink 仿真模型的過(guò)程，得出轉(zhuǎn)速及電流的仿真波形并與理想啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速及電流波形做對(duì)比。分析并比較開(kāi)環(huán)，單閉環(huán)和雙閉環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；simulink；開(kāi)環(huán)；單閉環(huán)；雙閉環(huán)dc speed control system based on simulink design and simulinkabstractas today's electric drive speed control system automatic control system of the most widely used system, with

6、the production process, and continuously improve product quality requirements and production growth, making more and more production machinery required to achieve automatic speed . current control system has entered the computer age, has been achieved in many areas of intelligent control. dc drive s

7、ystem with excellent speed characteristics, smooth speed, wide range, high precision, large overload capacity, good dynamic performance, easy to control and good starting and braking performance, etc., can meet the production process automation system each different kinds of specific operational req

8、uirements, the study dc speed control system has a very necessary and important. in this paper, dc speed control system as the main research object, first to clarify the purpose and significance of the research, specifically describes the open-loop, single-loop and double-loop dc speed control syste

9、m design and build matlab / simulink simulation model of the process, too the speed and current simulation waveform and the ideal starting speed and current waveforms do comparison. analyze and compare the open-loop, single loop and double loop advantages and disadvantages. experimental results show

10、 that the simulation speed performance with consistent theoretical derivation.keywords: dc speed control system;open-loop system;single-loop system;double-loop system目錄摘要iabstractii1緒論11.1 課題背景11.2概述11.3論文內(nèi)容21.4本章小結(jié)22直流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)32.1 matlab/simulink仿真軟件32.2 直流調(diào)速的理論基礎(chǔ)32.3 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的電氣原理62.4 單閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理72.5

11、雙閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理82.6 本章小結(jié)83 調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真83.1 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真93.1.1 開(kāi)環(huán)建模過(guò)程93.1.2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的仿真123.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真143.2.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的建模143.2.2 單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真163.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真183.3.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模183.3.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真203.4 本章小結(jié)224 結(jié)論與展望23致謝24參考文獻(xiàn)251緒論1.1 課題背景 現(xiàn)代化的工業(yè)過(guò)程中，幾乎無(wú)處不使用電力傳動(dòng)裝置，尤其是在石油，化工，冶金，輕工，機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制更是起著舉足輕重的作用1。由此，調(diào)速系統(tǒng)成為當(dāng)今

12、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)2。隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。當(dāng)前控制系統(tǒng)已進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，在許多領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了智能化控制3。對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)程工業(yè)而言，利用先進(jìn)的自動(dòng)化硬件及軟件組成工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化調(diào)速系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)過(guò)程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，也大大促進(jìn)了綜合國(guó)力的增強(qiáng)。對(duì)可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速4。 直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過(guò)載能力大、動(dòng)態(tài)性能好、易于控制以及良好的起、制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自

13、動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用5。所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動(dòng)機(jī)作為電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對(duì)其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。相比于直流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)6。1.2概述 電力電子技術(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器，電力電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀(jì)60年代第一代電力電子器件晶閘管（scr）發(fā)明至今，已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件gtr,gto,mosfet,第三代復(fù)合場(chǎng)控器件igbt,mct

14、等，如今正蓬勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品功率集成電路（pic）。每一代的電力電子元件也未停頓，多年來(lái)其結(jié)構(gòu)和工藝不斷改進(jìn)，性能飛速提高，在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們?cè)诨ハ喔?jìng)爭(zhēng)，新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時(shí)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就7。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣發(fā)展的主要方向之一8。從80年代后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，直流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相，

15、相位控制。特別是使用微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度，優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)9。 數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平10。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求11。1.3論文內(nèi)容本文以直流調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了開(kāi)

16、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型，應(yīng)用simulink仿真軟件進(jìn)行仿真，在建模和仿真過(guò)程中設(shè)置各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，再運(yùn)行仿真，得出關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流的仿真結(jié)果圖。分析結(jié)果并與理論推導(dǎo)的調(diào)速性能進(jìn)行比較。第一章緒論。本章的內(nèi)容主要包括直流調(diào)速系統(tǒng)研究的課題背景、直流調(diào)速系統(tǒng)的概述。最后給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章直流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。本章簡(jiǎn)單介紹了matlab/simulink仿真軟件和開(kāi)環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的詳細(xì)的電氣原理，配合原理圖進(jìn)行說(shuō)明。第三章調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真。首先是基于第二章的電氣原理結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了開(kāi)環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)直

17、流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，簡(jiǎn)要的介紹了建模的步驟和參數(shù)的設(shè)置。最后運(yùn)行仿真，得出仿真圖并分析仿真的結(jié)果。第四章結(jié)論與展望。對(duì)研究工作進(jìn)行總結(jié)并提出進(jìn)一步的研究方向與主題。1.4本章小結(jié) 本章主要簡(jiǎn)要介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的課題背景和重要意義，以及直流調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。直流調(diào)速是一門(mén)與國(guó)計(jì)民生緊密相連的一門(mén)應(yīng)用科學(xué)，它的發(fā)展與應(yīng)用于我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)聯(lián)系之密切、影響之深遠(yuǎn)是不可估量的。近幾年來(lái)交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)迅猛發(fā)展，但是直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟。因此直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究還是具有一定實(shí)際意義的 。2直流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)2.1 matlab/simulink仿真軟件simulink是ma

18、tlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在這種環(huán)境中，不需要大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)也有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于simulink中。simulink是matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，它被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理

19、的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在simulink基礎(chǔ)之上的

20、其他產(chǎn)品擴(kuò)展了simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。simulink與matlab緊密集成，可以直接訪問(wèn)matlab大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義等功能。2.2 直流調(diào)速的理論基礎(chǔ) 根據(jù)直流電機(jī)的工作基本原理，由直流電機(jī)的機(jī)械特性方程10,可知直流調(diào)速方法有下列三種：（1）改變電樞回路電阻。該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是效率低。因此，該方法適于小功率直流電機(jī)、開(kāi)環(huán)控制且僅能有級(jí)調(diào)速。一般應(yīng)用于電動(dòng)玩具中。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速；缺點(diǎn)是調(diào)速范

21、圍小而且通常是配合調(diào)壓調(diào)速在基速以上作小范圍的升速?，F(xiàn)已很少單獨(dú)使用，通常以非獨(dú)立控制勵(lì)磁的方式出現(xiàn)。（3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓u。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。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(lái)說(shuō)，這種方法最好?？烧{(diào)的直流電源有以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組：用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)的直流電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以 圖2-1 直流調(diào)速方法分類(lèi)圖12在許用的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行，缺點(diǎn)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低安裝須打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)方便，50年代廣泛使用，今天很少用13。靜止式可控整流器：用靜止可控整流器，如晶閘管可

22、控整流器以獲得可控直流電壓。直流斬波器和脈寬調(diào)制變器：以恒定直流電源供電，用直流波器和脈寬調(diào)制變換器獲得可控的平電壓。 比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少使用，僅在一些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車(chē)等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，做額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。因此自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速配合使用14。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)著壟斷地位。最近幾年來(lái)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速，并有望在不久以后取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但就目前而言，直流調(diào)速依然

23、是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)15。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法詳細(xì)見(jiàn)圖2-1。 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式：實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個(gè)平滑的可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有下列三種：（1） 旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組：用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2） 直流斬波器或者脈寬調(diào)制變換器：用恒定直流電源或者不可控整流電源供電，利用直流斬波器或者脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。（3） 靜止可控整流器：用靜止的可控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 本文選取晶閘管可控整流器，以獲得可以調(diào)節(jié)

24、的直流電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的移相電壓uc，便可調(diào)節(jié)整流電壓ud，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱v-m系統(tǒng)。其原理如圖2-2所示。圖中vt是晶閘管變流裝置，可以是單向、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類(lèi)型。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓的平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)，而且該系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，在工業(yè)上得到普遍應(yīng)用。圖2-2 v-m系統(tǒng)但是晶閘管還存在以下問(wèn)題：（1） 晶閘管的單向

25、導(dǎo)電性給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行帶來(lái)一些困難；（2）脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)增加了電機(jī)發(fā)熱。（3）晶閘管的過(guò)載能力較小，要限制過(guò)電流和反向過(guò)電壓，以及電壓變化(du/dt)和電流變化率（di/dt），因此必須要有可靠的保護(hù)裝置和散熱條件；（4）整流電路的脈波數(shù)是有限的，比直流電機(jī)每對(duì)級(jí)下?lián)Q向片的數(shù)目要少的多，因此除非主電路電感無(wú)窮大，否則v-m系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總比g-m系統(tǒng)更為嚴(yán)重。脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。 目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖2-3所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（vt1、vt3、vt5）稱為共陰

26、極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（vt2、vt4、vt6）稱為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為vt1、vt3、vt5，共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為vt2、vt4、vt6。這樣晶閘管就按照1到6的順序?qū)?。圖2-3三相橋式全控整流電路原理圖下面簡(jiǎn)單介紹一下其工作原理：6個(gè)晶閘管的脈沖按1到6個(gè)順序，相位依次相差60°；共陰極的組的3個(gè)晶閘管脈沖依次相差120°，共陽(yáng)極組的3個(gè)晶閘管脈沖也依次相差120°；同一相的上下兩個(gè)橋壁的晶閘管脈沖

27、相差180°。每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，一個(gè)晶閘管是共陽(yáng)極組的，一個(gè)是共陰極組的，且兩個(gè)晶閘管不在同一相。采用雙脈沖觸發(fā)，兩個(gè)脈沖前沿相差60°，脈寬一般為20°-30°。當(dāng)給定某一觸發(fā)角時(shí)，共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的相電壓與共陽(yáng)極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的相電壓之差，即為輸出整流電壓，這樣通過(guò)改變觸發(fā)角的大小，就可以改變輸出整流電壓了。2.3 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的電氣原理 由于面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法是以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)的。按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，需要從simulink和simpower system模塊庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)的

28、模塊，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行建模。開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如下2-4圖所示。從圖中可以看出，該系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)，脈沖觸發(fā)器，晶閘管整流橋，平波電抗器，直流電動(dòng)機(jī)組成。直流電動(dòng)機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器l供電，通過(guò)改變觸發(fā)器的移相控制信號(hào)uc來(lái)調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。圖 2-4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖2.4 單閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如下圖2-5：圖2-5 單閉環(huán)系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)tg，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓un，與轉(zhuǎn)速給定電壓un*相比較后，得到偏差電

29、壓，經(jīng)放大器a，產(chǎn)生觸發(fā)裝置gt的控制電壓uct，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。只要轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差，該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，該系統(tǒng)可大大減少轉(zhuǎn)速降落。該系統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋環(huán)節(jié)等部分組成。2.5 雙閉環(huán)系統(tǒng)的電氣原理 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖2-6所示。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定 。因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過(guò)電流環(huán)調(diào)

30、節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加，從而使電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流下降，電動(dòng)機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流限制 idm ，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加速，使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速制動(dòng)；在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過(guò)反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng) 。圖2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖2.6 本章小結(jié) 本章先介紹了本篇論文采用的仿真軟件matlab/simulink的主要情況；討論了直流調(diào)速系統(tǒng)的幾種調(diào)速

31、方法和系統(tǒng)仿真的理論基礎(chǔ)；簡(jiǎn)要介紹了常用的v-m系統(tǒng)及其工作原理；最后列出了本文仿真的開(kāi)環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理，以便于下一章節(jié)的仿真。3 調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真3.1 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較簡(jiǎn)單的調(diào)速系統(tǒng)，一般滿足不了工業(yè)生產(chǎn)隊(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求，通常需要設(shè)置反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機(jī)械性能。3.1.1 開(kāi)環(huán)建模過(guò)程 在simulink仿真中為了簡(jiǎn)化模型，有利于仿真，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源（simulink中選取的）直接供電。觸發(fā)器連接同步電壓，觸發(fā)器的控制角（alphadeg端）通過(guò)了移相控

32、制環(huán)節(jié)（shifter），移相控制模塊的輸入是移相控制信號(hào)，輸出是控制角。移相控制信號(hào)在仿真中由常數(shù)模塊設(shè)定。 本次建立的開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖如下所示： 圖3-1 直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖 系統(tǒng)由控制電路建模和主電路建模兩部分組成。系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)要敘述如下：（一）主電路的建模和參數(shù)設(shè)定 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的主電路主要由三相對(duì)稱交流電壓源，晶閘管整流橋，平波電抗器，直流電動(dòng)機(jī)等部分構(gòu)成。由于同步脈沖觸發(fā)器和晶閘管整流橋是不可分割的兩個(gè)環(huán)節(jié)，所以通常作為一個(gè)整體來(lái)討論，故將觸發(fā)器歸于主電路建模。 三相對(duì)稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)定。從模塊組里選取一個(gè)交流電壓源模塊，為了得到建模需要的三相交

33、流電，可以通過(guò)復(fù)制得到3個(gè)電壓源模塊，再使三個(gè)電壓源的一端接地。雙擊電壓源模塊a，可設(shè)定參數(shù)，如下圖3-2所示。b相和c相的設(shè)置不同于a相（電源模塊可在旁邊編輯其名稱，這里編輯為a相、b相、c相）。 圖3-2 a相電源參數(shù)設(shè)定 a相的幅值取220v，初相位設(shè)置為0，頻率為50hz，其他設(shè)定為默認(rèn)。b相和c相設(shè)定的方法和a相相同，注意將初相位分別設(shè)定為120和240。這樣就得到了三相對(duì)稱交流電源。 晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)定。從模塊組選取“universal bridge”模塊，雙擊打開(kāi)以設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定如下圖3-3。 當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取3；電力電子元件選取晶閘管。如果仿真結(jié)果不理

34、想，則要通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)不斷的進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)如圖3-3所示。 平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)定。從模塊組中選取“series rlc branch”模塊，雙擊打開(kāi)以設(shè)置參數(shù)。參數(shù)設(shè)定要求類(lèi)型選擇電感l(wèi)就可以得到電抗器。平波電抗器的電感值是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。 直流電動(dòng)機(jī)的建模和設(shè)定。從模塊組中選取“dc machine”模塊。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組接直流恒定勵(lì)磁電源；電樞繞組經(jīng)平波電抗器接晶閘管的輸出；電動(dòng)機(jī)經(jīng)tl端口接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載如圖3-4所示。 脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)定。在這里將觸發(fā)器和晶閘管整流橋作為一個(gè)整體來(lái)研究。同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩個(gè)部分。仿真要

35、求6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源的作用是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。在仿真圖中 觸發(fā)器開(kāi)關(guān)信號(hào)block為“0”時(shí)開(kāi)放觸發(fā)器；為“1”時(shí)封鎖觸發(fā)器。block選取的是constant模塊，設(shè)置參數(shù)為0既可。 圖3-3 universal bridge的參數(shù)設(shè)置 圖3-4 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)定 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)定。 （二）開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的控制電路比較簡(jiǎn)單，只有一個(gè)給定環(huán)節(jié)。在模塊組中選取“constant”模塊，設(shè)定參數(shù)為150rad/s。 圖3-5 給定環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定 實(shí)際調(diào)速時(shí)，給定信號(hào)是在一定范圍內(nèi)變化的，可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，確定給定信號(hào)的允許范圍。這里通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出給定

36、信號(hào)的允許變化范圍在【207 110】。 3.1.2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的仿真 在上一節(jié)的仿真基礎(chǔ)上，可以調(diào)試并開(kāi)始仿真。上一節(jié)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的仿真圖可以在matlab的模型窗口打開(kāi)“simulink”菜單，設(shè)置“simulink parameters”的參數(shù)，在“configuration parameters”下設(shè)置仿真參數(shù)。如圖3-6所示。 由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)采取的算法不盡相同。可以通過(guò)仿真實(shí)踐的比較選擇適合的算法。仿真的start time一般設(shè)置為 0，stop time根據(jù)需求設(shè)置，為方便觀察輸出結(jié)果，一般要求仿真輸出完整的波形既可。 在matlab模型窗口打開(kāi)“simulink”

37、菜單，點(diǎn)擊“start”命令，系統(tǒng)開(kāi)始仿真。仿真結(jié)束后可得到仿真結(jié)果。 對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的仿真來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)兩種方法來(lái)輸出仿真圖形。圖3-6 仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框和參數(shù)設(shè)置（1） 采用示波器模塊觀察輸出直接雙擊“scope”模塊既可。得到的關(guān)于轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間/s，縱坐標(biāo)分別表示r/min、a、a、nm。得到的波形圖如下圖3-7所示：圖3-7 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形圖（2） 采用“out1”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)，要在matlab命令窗口輸入繪圖命令 plot（tout，yout），可得到關(guān)于電樞電流、給定信號(hào)和轉(zhuǎn)速的波形圖，如圖3-8所示。 圖3-8

38、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真輸出波形圖3.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真通過(guò)學(xué)習(xí)和比較知道，要維持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，可引入該物理量的反饋量，構(gòu)成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)以減小甚至消除靜差。常用的反饋系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速反饋、電壓反饋和電流反饋系統(tǒng)，這一節(jié)采用單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。3.2.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的建模 與開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，兩者的主電路是相同的，區(qū)別在于控制電路上?？刂齐娐分杏辛藚^(qū)別于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。下面在詳細(xì)介紹仿真過(guò)程中為了避免重復(fù)主要介紹單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置。 本次建立的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖如下圖3-9所示：圖3-9 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 這里單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速的建模也分為主電路和

39、控制電路：（一）主電路的建模和參數(shù)設(shè)定 比較圖3-10和開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖可以看出，主電路相同。由此主電路可直接復(fù)制開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的電路以簡(jiǎn)化建模過(guò)程。值得注意的是，這里經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的多次嘗試和比較設(shè)定平波電抗器的電感值為5e-2h。（2） 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)定 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等環(huán)節(jié)構(gòu)成。結(jié)合實(shí)際仿真需要，增加了限幅器、偏置、反向器等模塊。 這里有靜差調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，系數(shù)如圖取10，它是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得來(lái)的。 圖3-10 比例調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置 為了使同步觸發(fā)器能在正常工作，必須設(shè)置限幅器等環(huán)節(jié)。主這里限幅器設(shè)置

40、如下： 圖3.11 限幅器的參數(shù)設(shè)置 通過(guò)對(duì)給定信號(hào)的參數(shù)變化范圍仿真實(shí)驗(yàn)探索得知，當(dāng)uct在110-207v范圍內(nèi)變化時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器可以正常工作；當(dāng)uct是110時(shí)，相對(duì)的整流橋輸出電壓為最大；uct為207時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最小，接近為零?？梢?jiàn)它們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系。由此，將限幅器的上下幅值設(shè)為97 0。用加法器加上偏置“-207”后調(diào)整成-110 -207，在經(jīng)過(guò)反向器轉(zhuǎn)換為110 207。這樣就桐過(guò)限幅器、偏置、反向器等模塊的應(yīng)用，將速度調(diào)節(jié)器的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作的范圍內(nèi)。這里通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知給定信號(hào)可在0 180rad/s內(nèi)連續(xù)可調(diào)。3.2.2 單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真

41、 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置方法和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的一樣。仿真中選取的算法是ode23t；仿真start time為0，stop time為3，其他的設(shè)置和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相同。 對(duì)單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真來(lái)說(shuō)，也可以通過(guò)兩種方法來(lái)輸出仿真圖形。（1）采用示波器模塊觀察輸出波形：得到的關(guān)于轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間/s，縱坐標(biāo)分別表示r/min、a、a、nm。得到的波形圖如下圖3-12所示：圖3-12 單閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖（2） 采用“out1”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)，在matlab命令窗口輸入“plot（tout，yout）”得到的關(guān)于電樞電流和轉(zhuǎn)速的輸出波形圖如下圖

42、3-13所示：圖3-13 單閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖 利用上述兩個(gè)波形圖和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的輸出波形圖比較:單閉環(huán)負(fù)反饋有靜差系統(tǒng)的機(jī)械特性較開(kāi)環(huán)系統(tǒng)硬的多，負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速降明顯比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小。理論上減小為原開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的1/（1+k）。k值越大，穩(wěn)態(tài)速降就越小。對(duì)于要求調(diào)速范圍和靜差率不高的情況下，可采用開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；對(duì)于要求靜差率和調(diào)速范圍較高的情況下，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)滿足不了要求時(shí)，可以采用增加反饋環(huán)節(jié)，例如這里的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。有靜差調(diào)速系統(tǒng)是依靠偏差信號(hào)的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的。但是這種系統(tǒng)只能減小偏差而不能消除偏差。當(dāng)然可以把這里的比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。比較可見(jiàn)，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將

43、使調(diào)速系統(tǒng)大大減少轉(zhuǎn)速降落。為此所需付出的代價(jià)是，需要在控制電路中增設(shè)檢測(cè)和反饋環(huán)節(jié)。這在一定程度上比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜。通過(guò)調(diào)試和仿真，該系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，轉(zhuǎn)速具有一定的穩(wěn)定性，并且當(dāng)電源電壓和電動(dòng)機(jī)負(fù)載變換時(shí)，轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)然，系統(tǒng)也存在著一些不足，例如，由于電流調(diào)節(jié)器采用的比例調(diào)節(jié)，系統(tǒng)是有靜差的，對(duì)輸入有穩(wěn)態(tài)誤差。要想消除上述誤差，可以將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器，可消除靜差，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于采用的單閉環(huán)控制，各參數(shù)之間相互影響，用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差，為了獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，可用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)

44、成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（下一節(jié)內(nèi)容），系統(tǒng)的波形更接近于實(shí)際運(yùn)行波形。3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜，是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng) ，具有調(diào)速范圍寬 、穩(wěn)定性好、精度高等許多優(yōu)點(diǎn)。這節(jié)介紹轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真。3.3.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的建模 在simulink仿真中asr和acr都選用pi調(diào)節(jié)器，不斷運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化參數(shù)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器acr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，這里稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，因此稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。

45、本次建立的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如下圖3-14所示。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)也分為主電路和控制電路兩部分：（1） 主電路的建模和參數(shù)設(shè)定 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路建模和模型參數(shù)設(shè)置基本和單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相同?？梢酝ㄟ^(guò)復(fù)制單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真圖直接得來(lái)。但是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的嘗試和探索，這里把平波電抗器的電感值修訂為9e-3h。（2） 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)定 如上圖3-14所示，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器acr、速度調(diào)節(jié)器asr、限幅器、偏置、反向器、電流反饋環(huán)節(jié)、速度反饋環(huán)節(jié)等。限幅器、偏置電路和反向器的設(shè)置及建模和上一節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一樣

46、。 為區(qū)別上一節(jié)，這里設(shè)置給定環(huán)節(jié)的參數(shù)為130rad/s。電流反饋系數(shù)設(shè)為0.1（通過(guò)設(shè)置增益模塊，系數(shù)設(shè)為0.1得到）；速度反饋系數(shù)設(shè)置為1（在圖中直接連線不標(biāo)明既可得到）。圖3-14 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖 至于雙閉環(huán)的兩個(gè)pi調(diào)節(jié)器這里設(shè)置電流調(diào)節(jié)器acr參數(shù)為kp為2，上下幅值為130 -130；速度調(diào)節(jié)器asr參數(shù)設(shè)為kp為1.2，上下幅值為25 -25。其他的環(huán)節(jié)設(shè)置和上一節(jié)相同或者選擇默認(rèn)值既可。 圖3-15 速度調(diào)節(jié)器asr的參數(shù)設(shè)置 圖3-16 電流調(diào)節(jié)器acr的參數(shù)設(shè)置3.3.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 通過(guò)對(duì)仿真算法的比較實(shí)踐，本次雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真算法選取ode23s

47、，仿真start time為0，stop time設(shè)為2，其他的設(shè)置和上一節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)一樣。 （1）采用示波器模塊觀察輸出波形：得到的關(guān)于轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間/s，縱坐標(biāo)分別表示r/min、a、a、nm。得到的波形圖3-17所示。 （2）采用“out1”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)，要在matlab命令窗口輸入繪圖命令 plot（tout，yout），可得到關(guān)于電樞電流、給定信號(hào)和轉(zhuǎn)速的波形圖如下圖3-18所示。 從仿真波形圖可以看出，本次仿真結(jié)果很接近理論分析的波形。啟動(dòng)過(guò)程的第一個(gè)階段是電流上升階段。圖加給定電壓，asr的輸入很大，asr的輸出很快就

48、達(dá)到了限幅值，電流也很快上升，接近于它的最大值。第二階段，asr飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到了給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的給定和反饋電壓平衡，輸入偏差為0，但由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr輸入端出現(xiàn)了負(fù)偏差電壓，使得asr推出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段。速度保持恒定。仿真的結(jié)果很好的反映了上述的描述。 和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形比較可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在保持了系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差的優(yōu)點(diǎn)外，還能夠?qū)崿F(xiàn)快速起制動(dòng)，大大的提高了系統(tǒng)的性能

49、，使得雙閉環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。圖3-17 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形圖 圖3-18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形圖 3.4 本章小結(jié) 本節(jié)分別建立了開(kāi)環(huán)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖，詳細(xì)的介紹了各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置和設(shè)置了三個(gè)仿真系統(tǒng)的仿真時(shí)間、算法等參數(shù)。由建模的過(guò)程可以看出，面向控制系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行的調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真很簡(jiǎn)單。只需要從電力系統(tǒng)工具箱中選取各個(gè)模塊，設(shè)置模塊的具體參數(shù)，按照電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建既可。系統(tǒng)的建模過(guò)程接近實(shí)際系統(tǒng)的搭建過(guò)程，而且元件庫(kù)的電氣元件能較為全面的反映出相應(yīng)的實(shí)際元件的電氣特性，與利用各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)建模具有明顯的優(yōu)

50、勢(shì)，因此仿真的結(jié)果更符合實(shí)際。為了使系統(tǒng)能夠得到好的性能，通常要根據(jù)仿真的結(jié)果來(lái)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，比如本節(jié)中就平波電抗器的電感值的調(diào)整。本章也可以增加單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真，只要把有靜差的仿真圖中的比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器既可。這里不再介紹。 由仿真得出的結(jié)果可以看出這次的實(shí)驗(yàn)比較成功，都較好的反映了實(shí)際的系統(tǒng)的特性。當(dāng)然，仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際系統(tǒng)之間存在一定的差距，這主要是由于在建模過(guò)程中進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略了一些不重要的因素。4 結(jié)論與展望 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知采用matlab軟件的simulink模塊 ,可以建立直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 ,方法是可行的 ,仿真的結(jié)果是

51、合理的。該仿真方法可以在直流調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。本文分別對(duì)開(kāi)環(huán)、轉(zhuǎn)速有靜差單閉環(huán)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。 研究表明開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但只適用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。單閉環(huán)系統(tǒng)盡管明顯優(yōu)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但難以滿足動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)分別作用在不同的階段、在啟動(dòng)時(shí)主要是電流負(fù)反饋起作用；到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，主要是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，最終得到理想的轉(zhuǎn)速和控制電流的動(dòng)態(tài)波形。所以雙閉環(huán)系統(tǒng)不僅調(diào)速精度高而且動(dòng)態(tài)性能好，其控制性能明顯優(yōu)于前兩者。用計(jì)算機(jī)仿真方法研究電路的性能,方便、直觀、經(jīng)濟(jì)、有效,是進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)的常用方法。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)

52、和軟件技術(shù)的發(fā)展,為應(yīng)用系統(tǒng)的研究提供了強(qiáng)大的工具。以后在計(jì)算機(jī)仿真上，調(diào)速系統(tǒng)的仿真會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。 致謝本文是在向玲導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，整個(gè)完成過(guò)程都傾注了導(dǎo)師的辛勤汗水和大量的心血。向老師以其淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的精神不斷地教導(dǎo)我，從最初的資料收集，到選題，中期的matlab學(xué)習(xí)和仿真，一直到最后的論文定稿，都得到了向老師的耐心指導(dǎo)和無(wú)私幫助。向老師認(rèn)真踏實(shí)的工作作風(fēng)、平易近人的待人態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯孔黠L(fēng)都讓我受益匪淺。在此，向向老師表示由衷的感謝和誠(chéng)摯的敬意！感謝教研室的各位老師和研究生師兄師姐們給予的很多指導(dǎo)和幫助。 感謝圖書(shū)館的各位老師們，在查閱文獻(xiàn)資料時(shí)給了我很多熱心的幫助。為我取得畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成打下了良好的基礎(chǔ)。感謝在一起生活和學(xué)習(xí)的同學(xué)們，是同學(xué)之間的相互關(guān)心、相互幫助、使的我在良好的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境中順利完成學(xué)業(yè)。 感謝所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友們，他們?cè)谖艺撐牡难芯亢妥珜?xiě)期間，給予我很多幫助和啟示，給我營(yíng)造了一個(gè)良好的學(xué)術(shù)氛圍，使我能夠靜下心來(lái)搞研究，并取得一定的成績(jī)。在論文即將完成之際，我的心情久久無(wú)法平靜。大學(xué)最后的一年里經(jīng)歷了許多，至今