帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系

帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系/帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系《運動控制系統(tǒng)》課程設計報告設計題目：帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計與實踐指導教師：劉學 號：2006550405設計時間：2009.9.14—2009.9.22目錄摘要…………………2一、概述…………………………2

二、設計任務與要求……………32.1設計任務……………………32.2設計要求……………………3三、理論設計…………………43.1方案論證…………………43.2系統(tǒng)設計……………………43.2.1電流調(diào)節(jié)器設計………………………43.2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡……………53.2.1.2確定時間常數(shù)………………………63.2.1.3選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)……………63.2.1.4校驗近似條件………………………63.2.1.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容……………63.2.2速度調(diào)節(jié)器設計………………………73.2.2.1確定時間常數(shù)………………………83.2.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)………………93.2.2.3檢驗近似條件………………………93.2.2.4計算調(diào)節(jié)器電阻和電容……………93.2.2.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量……………………93.2.3轉(zhuǎn)速微分負反饋設計………………10四、系統(tǒng)建模與仿真實驗……………………114.1MATLAB仿真軟件介紹…………………114.2仿真建模與實驗…………114.2.1單閉環(huán)仿真實驗………………………124.2.2雙閉環(huán)仿真實驗………………………144.2.3帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)仿真實驗………………164.2.4仿真波形分析…………17五、實際系統(tǒng)設計與原理………………………195.1系統(tǒng)組成與工作原理……………………195.2設備與儀器………………195.3實驗過程…………………205.3.1實驗內(nèi)容………………205.3.2實驗步驟………………20六、總結(jié)與體會…………………21參考文獻…………………………22.摘要從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應等優(yōu)點而得到廣泛應用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以與缺相和過流保護電路等．給定信號為0～10V直流信號，可對主電路輸出電壓進行平滑調(diào)節(jié)。采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設計成典型Ⅱ型系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計方法，用Simulink做了帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真波形圖。另外本文還介紹了實物制作的一些情況。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速微分負反饋一、概述

我們都知道，對于調(diào)速系統(tǒng)來說，閉環(huán)調(diào)速比開環(huán)調(diào)速具有更好的調(diào)速性能。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)又要比單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能和抗擾性能?；镜碾p環(huán)就是轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，相應的要運用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在V-M調(diào)速系統(tǒng)中設計兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。略有不足之處就是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，而且抗擾性能的提高也受到限制。解決這個問題的一個簡單的有效的方案就是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設轉(zhuǎn)速微分負反饋，加入這個環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅超調(diào)，同時可以大大降低動態(tài)速降。二、設計任務與要求2.1設計任務設計一個帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)，要求利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路。直流電動機：額定功率3KW，額定電壓220V，額定電流17.5A，額定轉(zhuǎn)速1950r/m，=0.13Vmin/r，允許過載倍數(shù)=2.1晶閘管裝置放大系數(shù)：=30電樞回路總電阻：Ra=1.25Rrec=1.3RL=0.3L=200mH時間常數(shù)：機電時間常數(shù)=0.162s，電磁時間常數(shù)=0.07s電流反饋系數(shù)：=0.36V/A（10V/Inom-10V/1.5Inom）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.0067vmin/r（10V/nnom-10V/1.5nnom）轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：=0.01s，=0.002s總飛輪力矩：GDeq\o(\s\up7(2),\s\do3())=3.53N.mh=5di/dt=10Inom/s2.2設計要求⑴調(diào)速范圍D=10，靜差率S≤5％；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量σi≤5%,電流脈動系數(shù)Si≤10％；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量σn≤10％，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的過渡過程時間ts≤0.5s。

⑵系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護。

⑶觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。

⑷對拖動系統(tǒng)設置給定積分器。三、理論設計3.1方案論證按照設計多環(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，逐步向外擴展設計原則（本課題設計先設計電流內(nèi)環(huán)，后設計轉(zhuǎn)速外環(huán),再設計轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)）。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應該首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個內(nèi)環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。然后在此基礎上加入轉(zhuǎn)速微分負反饋,這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設計和調(diào)試方便，達到本課程設計的要求?，F(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深人的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當做預期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設計過程就要簡便得多。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。3.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖3.1:圖3.1圖3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E3.2系統(tǒng)設計3.2.1電流調(diào)節(jié)器設計電流調(diào)節(jié)器的設計一般來說包含：時間常數(shù)的確定、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算、近似條件的檢驗和實際電路中電阻和電容的計算。本設計中考慮到電流檢測信號中常含有交流分量，為了使它不影響到調(diào)節(jié)器的輸入，我們按要求在反饋通道中加了低通濾波器。為了平衡該調(diào)節(jié)器的延遲作用，我們又在電流調(diào)節(jié)器的前面加了一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，為的是將延遲抵消。3.2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡參閱參考文獻{1}的76、77頁，為了解決反電動勢與電流反饋的作用的相互交叉，簡化設計過程，我們將系統(tǒng)的作用過程做一定的簡化處理。首先我們可以得到，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化緩慢的擾動，因此，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即有。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，我們可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖一(a)所示。其條件是。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)變等效成單位負反饋，如圖一(b)所示。最后，由于和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖一(c)。簡化的近似條件為。ACRACR(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響ACRACR(b)等效成單位負反饋系統(tǒng)ACRACR(c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖3.2電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與其化簡3.2.1.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：=（3-1）檢查對電源電壓的抗擾性能：（3-2）符合典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，并且各項性能指標都是可以接受的。3.2.1.3確定時間常數(shù)(1)整流裝置滯后時間常數(shù)。按書表1-2，三相電路的平均失控時間：=0.0017s（3-3）(2)電流濾波時間常數(shù)。=0.002s（3-4）(3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.0037s(3-5）3.2.1.4計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：==0.07s（3-6）電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應取=0.5，因此：（3-7）于是，ACR的比例系統(tǒng)為：（3-8）3.2.1.5校驗近似條件電流環(huán)截至頻率：（3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為：（3-10）忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件為：（3-11）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：（3-12）3.2.1.6計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取得。各電容和電阻值為：、、（3-13）Ri=40k（3-14）按照上面計算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為=4.3%<5%,滿足課題所給要求。Ri=99.51KCi=0.7uFCoi=0.2uF取Ri=100KCi=0.68uFCoi=0.2uF3.2.2速度調(diào)節(jié)器設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計類似電流調(diào)節(jié)器的設計過程，其詳細過程參閱文獻[1]的第80頁到83頁，以下僅給出轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的化簡與傳遞函數(shù)。如圖3.3(a)，即為未經(jīng)化簡的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中=+則轉(zhuǎn)速換結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖3.3(b)所示。校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.3(c)所示。ASRASR—(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)ASRASR——(b)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理——(c)校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與其簡化3.2.2.1確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)。取=0.5，則：s（3-15）(2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，?。?0.01s。（3-16）(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，?。簊（3-17）3.2.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：（3-18）3.2.2.3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：（3-19）并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：（3-20）則可得ASR的比例系數(shù)為：（3-21）3.2.2.4校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為：（3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：（3-23）轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時間常數(shù)近似處理條件為：(3-24)3.2.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運算放大器取=40。各電容和電阻值為：（3-25）（3-26） （3-27）取0.47uF3.3Uf3.2.2.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=4時，由書可以查得：=77.5%，這并不能滿足課題所給要求。實際上，由于表2-6是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。如下：=37.6%（3-27）3.2.3轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)設計 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設計和調(diào)試方便，實踐證明，它是一種性能很好、應用最廣的調(diào)速系統(tǒng)。然而，略有不足之處就是，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)，而且抗擾性能的提高也受到限制。 解決這個問題的一個簡單有效的方案是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設轉(zhuǎn)速微分負反饋。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示圖3.4它是在轉(zhuǎn)速負反饋的基礎上疊加了轉(zhuǎn)速微分負反饋信號,在轉(zhuǎn)速變化過程中,只要有轉(zhuǎn)速超調(diào)和動態(tài)速降的趨勢,微分負反饋就開始進行調(diào)節(jié)。這種方法可以抑制甚至消除轉(zhuǎn)速超調(diào),同時也可以降低負載擾動引起的動態(tài)速降,但過強的微分負反饋會使系統(tǒng)的響應速度變慢。其中取則只要求出，則微分電容和微分電阻就可求出。按《電力拖動自動控制系統(tǒng)》中的工程設計方法，當時，得 四、系統(tǒng)建模與仿真實驗4.1MATLAB仿真軟件介紹MATLAB是MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以與數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎.除內(nèi)部函數(shù)外,所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包.

4.2仿真建模與實驗4.2.1為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，如圖4.4所示。ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器TG-測速發(fā)電機TA-電流互感器UPE-電力電子變換器圖4.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.4中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設計要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設計，如圖4.9所示：圖4.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊搭建轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖4.6所示。圖4.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型波形如圖4.7和圖4.8所示：圖4.7雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速仿真波形圖4.8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流波形經(jīng)過雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時間最小波形對比可知：限幅值越大上升時間越小，限幅值越小上升時間越大；同時值越大，超調(diào)越??；值越小，超調(diào)越大。在符合設計要求的情況下，經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表4.2和圖4.13所示：表4.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)晶閘管放大系數(shù)Ks機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)允許過載倍數(shù)300.162s0.07s0.36V/A0.0067vmin/r2.1RASR限幅值0.01s0.002s0.13Vmin/r2.550.0055s8.4VACRASRACR限幅值8.7V0.087s2.48135.115.3396.46120.140.07s由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。4.2.2帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)仿真實驗圖4-10為帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)仿真實驗的MATLAB仿真模型圖，與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)比較，帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速外環(huán)上增加了一個微分負反饋環(huán)節(jié)，以消除轉(zhuǎn)速超調(diào)，增強抗干擾能力。圖4.10帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真模型如下圖為上圖所示仿真模型的運行結(jié)果，很直觀的，我們可以看出，增加轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)之后，轉(zhuǎn)速沒有了超調(diào)。。圖4.11帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速仿真波形(b)圖4.12帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)電流仿真波形4.2.2主要模擬電網(wǎng)電壓波動、負載變化、電動機勵磁變化、測速電機勵磁變化等。電網(wǎng)電壓波動、負載變化、電動機勵磁變化這些擾動均在反饋環(huán)內(nèi)，故系統(tǒng)能克服擾動.1、改變Ks=33，仿真結(jié)果如下圖所示圖4.13從圖中可以看出，波形每什么變化，證明系統(tǒng)能克服電網(wǎng)電壓波動2、改變Ce=0.15，仿真結(jié)果如下圖所示圖4.14從圖中可以看出，波形每什么變化，證明系統(tǒng)能克服電動機勵磁擾動。3、負載擾動的模擬。在網(wǎng)上搜到挖土機的負載特性，下圖為其挖掘臂遇到堅硬石壁時的負載特性。圖4.15在SignalBuider里面模擬如如下圖4.16負載電流有一段時間大于額定電流17.5A.系統(tǒng)響應波形如下圖4.17從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速降落在10%以內(nèi)，符合要求。4、測速電機勵磁擾動模擬測速電機勵磁擾動會造成電壓反饋系數(shù)的變化，由于擾動在反饋環(huán)上，不在反饋包含的前向通道上，故系統(tǒng)不能克服其干擾。勵磁擾動模擬仿真如下圖所示：圖4.184.2.3從圖4.12的波形中，我們分析可知其起動過程可分三個階段來分析：第Ⅰ階段：電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第Ⅱ階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值

n*為止，這是起動過程中的重要階段。在這個階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達到最大值后，轉(zhuǎn)速達到峰值。此后，電機才開始在負載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為：1).轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2).電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起與時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程（4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。五、實際系統(tǒng)設計與實驗5.1系統(tǒng)組成與工作原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個調(diào)節(jié)器控制，由于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要參量是轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，而電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，可以與時抑制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速的影響。實際系統(tǒng)的組成如圖5.1所示 圖5.1實物連接圖主電路采用三相橋式全控整流電路供電。系統(tǒng)工作時，首先給電動機加上額定勵磁，改變轉(zhuǎn)速給定電壓可方便地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR均設有限幅電路，ASR的輸出作為ACR的給定，利用ASR的輸出限幅起限制啟動電流的作用；ACR的輸出作為觸發(fā)器GT的移相控制電壓，利用ACR的輸出限幅Ucm起限制電力電子變換器的最大輸出電壓的作用。當突加給定電壓時，ASR立即達到飽和輸出*，使電動機以限定的最大電流加速啟動，直到電動機轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速并出現(xiàn)超調(diào)，使ASR退出飽和，最后穩(wěn)定運行在給定轉(zhuǎn)速上。5.2設備與儀器DJK01電源控制屏（含“三相電源輸出”、“勵磁電源”等模塊）DJK02三相變流橋路（含“觸發(fā)電路”、“正橋功放”、“三相全控整流”模塊）DJK04電機調(diào)速控制（含“給定”、“電流調(diào)節(jié)器”、“速度變換”等模塊）DJK08可調(diào)電容DD03-2電機導軌、測速發(fā)電機與轉(zhuǎn)速表（或DD03-3電機導軌、光碼盤測速系統(tǒng)與數(shù)顯轉(zhuǎn)速表）DJ14直流他勵電機銘牌參數(shù)：額定功率0.185KW，額定電壓220V，額定電流1.2A，額定轉(zhuǎn)速1600r/m，Ce=0.113Vmin/r，DK04滑線變阻器（串聯(lián)形式0.65A/2KΩ；并聯(lián)形式1.3A/500Ω）慢掃描示波器萬用表5.3實驗過程5.3.1實驗內(nèi)容1．理論設計：根據(jù)所學的理論知識和實踐技能，了解帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，解決積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題；采用工程設計方法設計一個帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(含主電路和控制電路,選擇的元器件，系統(tǒng)的電氣原理圖)。2．仿真實踐：根據(jù)所設計系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink建立各個組成部分相應的數(shù)學模型，并對系統(tǒng)仿真模型進行綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，并進行校正，得出正確的仿真實驗波形和合適控制器參數(shù)，為搭建實際系統(tǒng)提供參考。3．動手實踐：根據(jù)所設計系統(tǒng)，完成單元電路安裝、系統(tǒng)組裝、單元與系統(tǒng)調(diào)試（可利用實驗臺的某些掛件），得出實物實驗波形和系統(tǒng)動、靜態(tài)性能