毕业设计（论文）-直流调速系统性能仿真.doc

浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第1页共43页直流调速系统性能仿真直流调速系统性能仿真摘摘要要文中所做的主要工作如下：分析开环直流调速与单闭环直流调速系统的原理、组成结构；利用matlab软件主要单元部件，搭建直流调速系统，进行调试，测试系统各性能波形，比较开环、闭环方式下的转速性能差异。1）开环系统与单闭环系统的总体方案设计，画出功能模块联接图并阐述原理。2）各功能模块设计或原理阐述。3）搭建开环直流调速系统。4）有静差单闭环直流调速与无静差单闭环直流调速波形仿真。关键词关键词：开环系统；单闭环系统；性能；测试浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第2页共43页目目录录摘要.11绪论.4直流调速系统概述4MATLAB简介.4第1章晶闸管直流调速系统开环特性.51.1直流调速系统的动态指标51.2晶闸管电动机直流调速系统存在的问题.71.3晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性8第2章晶闸管开环直流调速系统仿真.122.1系统的建模和参数设置.122.2系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析.17第3章单闭环控制的直流调速系统简介.203.1转速控制闭环调速系统的调速指标.203.2闭环调速系统的组成及静特性.213.3反馈控制规律.223.4主要部件.223.4.1比例放大器.223.4.2比例积分放大器.233.4.3额定励磁下直流电动机.243.5稳定条件.253.6稳态抗扰误差分析.25第4章单闭环直流调速系统的设计及仿真.284.1参数设计及计算.284.1.1参数给出.284.1.2参数计算.28浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第3页共43页4.2有静差调速系统.294.2.1有静差调速系统的仿真模型.294.2.2主要元件的参数设置.304.2.3仿真结果及分析.304.2.4动态稳定的判断，校正和仿真.314.3无静差调速系统.334.3.1PI串联校正的设计.334.3.2无静差调速系统的仿真模型.354.3.3主要元件的参数设置.364.3.4仿真结果及分析.364.4有静差调速系统和无静差调速系统的动态分析设计.374.4.1有静差调速系统的仿真模型.374.4.2参数设置.374.4.3仿真结果及分析.37第五章结论.41参考文献.42致谢.42浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第4页共43页11绪绪论论直流调速系统概述直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。MATLABMATLAB简介简介在1980年前后，美国的Cleve博士在NewMexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrixLABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。MATLABSGI由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。本文通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较开环系统和闭环系统的差别，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第5页共43页第第11章章晶闸管直流调速系统开环特性晶闸管直流调速系统开环特性1.11.1直流调速系统的动态指标直流调速系统的动态指标对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。动态指标代表了系统发生过渡过程时的性能，动态指标分跟随指标和抗扰动指标。（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量，超调时间ts和震荡次数N三个指标来衡量，图2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。一般调速系统可允许10%35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%5%，；而在张力控制的卷曲机系统（造纸机），则不允许有超调量。调整时间ts反映了系统的快速性。例如，连轧机ts为0.2s0.5s，造纸机为0.3s。振荡次数也反映了系统的稳定性。例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨与轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。图2.1突加给定作用下的动态响应曲线（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。一般用最大动态速降nmax，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。由于最大动态速降与扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。恢复时间反映了系统的抗扰动能浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第6页共43页力和快速性。振荡次数N同样代表系统的稳定性与抗扰动能力图1.2突加负载时的动态响应曲线跟随指标与抗扰指标都表征系统过渡过程的性能，之所以要分别列出，时由于对同一个调速系统，其跟随指标和抗扰动指标并不相同，不同的生产机械对这两类指标的要求也是不一样的。此外，当系统过渡过程结束后，稳态误差反映了系统的准确性。一般来说，总是希望最大超调和最大动态速降小一点，振荡次数少一些，调整时间及恢复时间短一点，稳态误差小一点，即希望能达到稳，快，准。事实上，这些指标要求，在同一系统中往往是相互矛盾的，因此需要具体对象所提出的要求，首先满足主要方面的性能指标要求，而适当降低其他方面的指标。3，直流调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系：在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速nN作为最高转速，若额定负载下的转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即snsnsnnNNN)1(min于是，最低转速为：NNNnnnnnsminmin0而调速范围为：minminmaxnnnnDN将上面的代入上式中，得minn浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第7页共43页（式2.1）)1(snsnDNN式（2.1）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，值一定，由式（2.1）可见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。1.2晶闸管电动机直流调速系统存在的问题晶闸管电动机直流调速系统存在的问题图1.3V-M系统的运行范围晶闸管整流器也有它的缺点。首先，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。由半控整流电路构成的V-M系统只允许单象限运行（图1.3a），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图1.3b）。必须进行四象限运行时（图1.3c），只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增加一倍。晶闸管的另一个问题是对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，其中任一dtdudtdi指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏器件，因此必须有可靠的保护电路和符合要求的散热条件，而且在选择器件时还应留有适当的余量。现代的晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐备，晶闸管装置的运行是十分可靠的。最后，谐波与无功功率造成的“电力公害”是晶闸管可控整流装置进一步普及的障碍。当系统处于深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第8页共43页很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，这就是所谓的“电力公害”。在这种情况下，必须添置无功补偿和谐波滤波装置。1.31.3晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性图1.4晶闸管直流调速系统电气原理图图1.5闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。在本系统中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调电压，以实现直流电动机的调速。系统原理如图1.4。1，系统的组成及调节原理系统的组成图如2.5，调节改变移相角改变Udn改变nU2，触发脉冲的相位控制浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第9页共43页调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，瞬时电压平衡方程：（式2.2）dtdiLRiEuddd0式中E为电动机反电动势；id为整流电流瞬时值；L为主电路总电感；R主电路等效电阻；对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示：（式2.3）amUmUmdcossin0式中a为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um为=0时的整流电压波形峰值；m为交流电源一周内的整流电压脉波数；对于三相全波整流电路，其中U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值，Um=，m=6，。26UaUUdcos34.220当00，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当2max时，Ud00，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。3，晶闸管-电动机系统的机械特性：当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为n=(Ud0-IdR)=(Um-sincosa-IdR)（式2.4）Ce1Ce1mm式中Ce=KeN电机在额定磁通下的电动势系数。式（2.4）等号右边Ud0表达式的适用范围如触发脉冲相位控制中所述。（1）电流连续情况：改变控制角，得一组平行直线，这和G-M系统的特性很相似，如图2.6所示。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（2.4）已经不适用了。上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第10页共43页图1.6电流连续时V-M系统的机械特性（2）电流断续情况：当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示：n=（式2.5）)1()6sin()6sin(cos2cotcot2eCeaaUeId=cos()-cos(+)-n（式2.6）R2232Ua6a622UCe式中=arctan；为一个电流脉波的导通角。Rl（3）电流断续机械特性计算：当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一组电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到=23为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于=23的曲线是电流断续区与连续区的分界线。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第11页共43页图1.7完整的V-M系统的机械特性图图1.8断续段特性的近似计算（4）V-M系统机械特性的特点：图2.7绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。机械特性的近似处理方法：在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。n=（Udo-IdR）=n0-n（式2.7）eC1其中：n为转速降，n越小，机械特性的硬度越大。n=IdRCe，n取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。图1.9断续段特性的近似计算浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第12页共43页第第2章章晶闸管开环直流调速系统仿真晶闸管开环直流调速系统仿真2.1系统的建模和参数设置系统的建模和参数设置p晶闸管开环直流调速系统的原理在本文第三章已经介绍过了。本系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。图2.1是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。图2.1晶闸管开环直流调速系统仿真模型1，各模块的提取路径直流电源：SimulinkSimpowerSystemElectricalSourcesDCVoltageSource交流电源：SimulinkSimpowerSystemElectricalSourcesACVoltageSource接地源：SimulinkSimpowerSystemElementsGround电压测量：SimulinkSimpowerSystemMeasuremantsVoltagemeasurement通用整流桥：SimulinkSimpowerSystemPowerElectronicsUniversalBridge同步6脉冲发生器：SimulinkSimpowerSystemExtralibrarySynchronized6PulseGenerator直流电机：SimulinkSimpowerSystemMachinesDCMachin常量输入：Simulinksourcesconstant阶跃信号模块：Simulinksourcesstep分路器：SimulinkCommonlyUsedBlocksDemux浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第13页共43页示波器：SimulinkSinksscope由图2.1可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成，由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥式不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论。2，三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先从电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为“A相”，“B相”、“C相”，然后从连接器模块组中分别选取“Ground”元件和“BusBar”，元件。为了得到三相对称交流电压源，双击A相交流电压源图标，打开电压源参数对话框，在A相交流电源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0，频率为50Hz，其他未默认值，如图2.2所示。B、C相交流电源参数设置方法与A相基本相同，除了将初相位设置成互差120外，其他参数与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。3，平波电抗器建模和参数设置。首先从元件模块组中选取“SeriesRLCBranch”模块，然后打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置，平波电抗器电感式通过仿真实验比较后得到的优化参数。4，晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选取“UniversalBridge”模块，然后双击模块图标，打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图6.4。当采用三相整流桥时，桥臂数取3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子元件选择晶闸管。参数设置的原则如下，如果是针对某个具体的变流装置进行参数设置，对话框中的、应取该装置中晶闸管元件的实际值，如果是一般情sRsCRononLfV况，不针对某个具体的变流装置，这些参数可以取默认值进行仿真。若仿真结果理想，就可认可这些设置的参数，若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。这一参数设置原则对其他环节参数设置也适用的。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第14页共43页图2.2A相电源参数设置图2.3平波电抗器参数设置浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第15页共43页图2.4SCR整流桥参数设置5，直流电动机的建模和参数设置。首先从电机系统模块组中选取“DCMachine”模块。直流电动机的励磁绕组“F+F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，电枢绕组“A+A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL端口接转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te，通过示波器模块观察仿真输出图形。电动机参数设置步骤如下，双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机参数设置如图2.5所示。参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。6，同步脉冲触发器的建模和参数设置。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两个部分。6脉冲触发器可以从附加控制（ExtraControlBlocks）子模块获得。6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压，6脉冲触发器必须接有两个常量输入信号，一个为一项控制信号，即触发角。另一个为开关信号，当开关信号为“0”时，开放触发器，开关信号为“1”时，封锁触发器。6脉冲触发器的设置如图2.6所示。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第16页共43页图2.5直流电动机参数设置图2.66脉冲触发器参数设置7，控制电路的建模和参数设置：电动机经TL端口接负载转矩信号。本系统中负载转矩1s前为50Nm，1s后为100Nm。触发角的输入为50之后改为30加以对比。晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可从输入源模块组中选取“constant”和“Step”模块，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为50rads或浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第17页共43页者用阶跃信号给定。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的。8，系统的仿真参数设置：在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，单击该菜单下的“ConfigurationParameters”，选项进行设置。仿真时间设为2s，仿真算法采用Ode23tb。其他为默认参数。Simulink仿真参数的设置如图2.7所示。2.2系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。在MATLAB的模型窗口，单击“StartSimulation”命令后，系统开始仿真，仿真介绍后可输出仿真结果。单击“示波器”命令后，通过“示波器”模块观察仿真输出图形，图6.8为电机转速波形，图6.9为电枢电流波形，图6.10为电机转矩波形，6.11为改变触发角后的转速波形。图2.7Simulink仿真参数设置浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第18页共43页图2.8晶闸管开环直流调速系统的转速波形图2.9晶闸管直流调速系统的电枢电流波形浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第19页共43页图2.10晶闸管开环直流调速系统的转矩波形图2.11改变触发角后的转速波形浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第20页共43页第第33章章单闭环控制的直流调速系统单闭环控制的直流调速系统简介简介3.1转速控制闭环调速系统的调速指标1调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调maxnminn速范围，用字母D表示，即minmaxnnD其中和一般都指电机额定负载时的转速。maxnminn2静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即nomn0n0nnsnom静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。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。3调速范围、静差率和额定速降的关系以电动机的额定转速为最高转速，若带额定负载时的转速降落为，则该系nomnnomn统的静差率应该是最低速时的静差，即min0nnsnom于是，而调速范围为snsnsnnnnnomnomnomnomo)1(minminminminmaxnnnnDnom将上面的式代入，得minn)1(snsnDnomnom上式即为调速范围、静差和额定速降之间所应满足的关系。对于一个调速系统，它的特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是s越小，系统能够允许的调nomn浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第21页共43页速范围也越小。3.2闭环调速系统的组成及静特性转速反馈控制的闭环调速系统，其原理如图。图2采用转速负反馈的闭环调速系统1忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都是线性的；2假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段；3忽略直流电源和电位器的内阻。电压比较环节：nnnUUU放大器：nPcKUU晶闸管整流与触发装置：csdUKU0VM系统开环机械特性：eddCRIUn0测速发电机：nUtg放大器的电压放大系数；PK晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数；sK测速反馈系数，单位为Vminr因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式)1()1(KK1(KCRIKCUCKKCRIUKKnedenspespednsp）式中为闭环系统的开环放大系数，这里是以作为电espCKKKUneC1动机环节的放大系数的。静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第22页共43页根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结构图，如图3所示：图3转速负反馈闭环调速系统稳态结构图3.3反馈控制规律从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳定性影响很大，K越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。总之K越大，稳态性能就越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为)1(KCRInedcl只有K=才能使，而这是不可能的。0cln3.4主要部件3.4.1比例放大器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exUUin和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balR放大系数为01RRUUKinexp图图4P调节器原理图调节器原理图图图5P调节器输出特性调节器输出特性浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第23页共43页3.4.2比例积分放大器在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高、中、低三个频段，频段的界限是大致的。图6为一种典型伯德图的对数幅频特性。一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器。采用运算放大器的PI调节器如图7。图6典型控制系统的伯德图图7比例积分（PI）调节器PI调节器的传递函数为ssKsKsUsUsWpipiincxpi11)()()(PI调节器比例放大部分的放大系统；01RRKpiPI调节器的积分时间常数。CR0此传递函数也可以写成如下的形式ssKsssWpipi11111)(式中PI调节器的超前时间常数。111CRKpi反映系统性能的伯德图特征有以下四个方面：1.中频段以-20dBdec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好；2.截止频率越高，则系统的快速性越好；3.频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小，调速范围宽）；4.频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声的能力越强。用来衡量最小相位系统稳定程度的指标是相角裕度和以分贝表示的幅值裕度Lg。稳定裕度能间接的反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着振荡弱、超调小。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如图8：浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第24页共43页图8阶跃输入时PI调节器的输出特性图9PI校正装置在原始系统上添加部分的对数幅频特性将P调节器换成PI调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为sKsKsWppipip1)(K1其对数幅频特性如图9所示。由图8可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。3.4.3额定励磁下直流电动机（主电路，假定电流连续）EdtdILRIddd0U（额定励磁下的感应电动势）nCEe（牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦）dtdnGDTTLe3752（额定励磁下的电磁转矩）dmeICT式中包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；LT电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为；2GD2Nm电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为NmA；emCC30定义下列时间常数：电枢回路电磁时间常数，单位为s；RLTl浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第25页共43页电力拖动系统机电时间常数，单位为；memCCGDT3752得电压与电流间的传递函数11)()()(Is0sTRsEsUsdd电流与电动势间的传递函数为sTRsIsIsEmdld)()()(额定励磁下直流电动机的动态结构图如下：图图10额定励磁下直流电动机的动态结构图额定励磁下直流电动机的动态结构图3.5稳定条件反馈控制闭环调速系统的特征方程为0111)(13sKTTKTTTsKTTTsmslmslm稳定条件为0111)(TKTTTKTTKTTslmsmslm整理后得slsslmTTTTTT2)(K上式右边称作系统的临界放大系统，K值超出此值，系统就不稳定。根据上面的分析可知，可能出现系统的临界放大系数都比系统稳态时的比放大系数小，不能同时满足稳态性能指标，又保证稳定和稳定裕度。为此必须再设计合适的校正装置，以改造系统，才能达到要求。3.6稳态抗扰误差分析1.比例控制时的稳态抗扰误差浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第26页共43页采用比例调节器的闭环控制有静差调速系统的动态结构图如图11。当时，只0nU扰动输入量，这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差n，可将动态结构图改画的dlI形式如图12。图11采用比例调节器的闭环有静差图12给定为0时采用比例调节器的调速系统结构图的一般情况闭环有静差调速系统结构图负载扰动引起的稳态速差：)1()1)(1()1)(1()(lim)(lim200KCRIKsTsTTsTsTsTCRsIsnsnedlmlmslsedlss这和静特性分析的结果是完全一致的。2.积分控制时的稳态抗扰误差将图12比例调节器换成积分调节器如图13突加负载时，于是sIsIdldl)(esmlmsslsedlCKsTsTTTssTsTCRIsn)1)(1()1)(1()(2负载扰动引起的稳态速差为0)1)(1()1)(1(lim)(lim)(200esmlmslsedlssCKsTsTTsTssTsTCRIsnssn可见，积分控制的调速系统是无静差的。3.比例积分控制时的稳态抗扰误差用比例积分调节器控制的闭环调速系统的动态结构如图14。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第27页共43页图13给定为0时采用积分调节器图图14给定为0时采用比例积分调节器的闭环调速系统结构图的闭环调速系统工程结构图则稳态速差为0)1()1)(1()1)(1(lim)(lim)(200sKCKsTsTTsTssTsTsCRIsnssnpiesmlmslsedlss因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。4.稳态抗扰误差与系统结构的关系上述分析表明，就稳态抗扰性能来说，比例控制系统有静差，而积分控制和比例积分控制系统都没有静差。显然，只要调节器中有积分成份，系统就是无静差的。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，则外扰动便不会引起稳态误差。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第28页共43页第第44章章单闭环直流调速系统的设计单闭环直流调速系统的设计及仿真及仿真4.1参数设计及计算4.1.1参数给出1.电动机：额定数据为10kW220V52A1460rmin电枢电阻=0.5，飞轮力矩aRGD2=10Nm2。2.晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器YY联结，二次电压=230V，触2tE发整流环节的放大系数=40。sK3.VM系统主电路总电阻R=1.04.测速发电机：永磁式，ZYS231110型；额定数据为23.1W110V0.18A1800rmin。5.生产机械要求调速范围D=10，静差率s5%.4.1.2参数计算根据以上数据和稳态要求计算参数如下：1.为了满足D=10，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降为min68.7min)05.01(1005.01460)1(rrsDsnnnomcl2.根据，求出系统的开环放大系数cln1.6011.61168.71329.02.1521clenomnCRIK式中rVrVnRIUCnomanomnomemin1329.0min1460)5.052220(3.计算测速反馈环节的放大系数和参数测速反馈系数包含测速发电机的电动势转速比和电位器的分压系数，即etgC2=2etgC根据测速发电机数据，rVrVetgmin0611.0min1800110C试取，如测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速成1460rmin下，2.02浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第29页共43页反馈电压为VrVrUn84.172.0min0611.0min1460相应的最大给定电压约需用18V。若直流稳压电源为20V，可以满足需要，因此所取的值是合适的。于是，测速反馈系数为rVrVCetgmin.01222.0min0611.02.02电位器的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的确20%，这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是247818.02.014600611.0%202nomtgnometgRPInCR此时所消耗的功率为2RPWInCnomtgnometg12.318.0%2014600611.0%20为了使电位器温度不是很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选为10W，3k2RP的可调电位器。4.计算运算放大器的放大系数和参数34.164001222.01329.01.60sepKKCK实取17pK按运算放大器参数，取KR400则KKRKRp6804017015.反馈电压VVnUnomn8.1701222.014604.2有静差调速系统4.2.1有静差调速系统的仿真模型根据系统稳态结构图(如图3)选择仿真模块：使用constant模块作为转速给定电压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为传递函数模块，sum模块作为信号综合点，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用MATLAB软件对系统进行仿真（注意：在接线时，如果出现错误，提示颜色为红色）。浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第30页共43页图15有静差调速系统4.2.2主要元件的参数设置1.转速给定电压由于触发装置GT的控制电压是由给定电压和反馈电压的差经过放大器后产生的，nUnU所以二者的差不会很大，于是取，即常量值（constantvalue）设为18。采用VUn18斜坡函数，并加上staturation模块作为限幅。在电路图的Simulink菜单选项中，选择SimulintionParameter中。对仿真参数进行如下设置：Starttime:0.1stoptime:2.04.2.3仿真结果及分析1.Kp的值不同时其输出特性如图16所示，a)为，b）为。17pK40pK(1(1）(2(2）17pK40pK图16有静差调速系统的稳态特性上图转速下图负载电流浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第31页共43页(1)图中转速为1449.75rmin，随着负载电流的增加，转速有所下降，在17pK0.63s时，电流达到额定值52A，这时的转速降为1442.5rmin，系统的转速降为n=1449.75rmin-1442.5rmin=7.25rmin。(2)图中为时系统的特性，从转速曲线可以看到，随着放大倍数的增加，系40Kp统的转速降减小，静特性的硬度增加，抗负载能力提高。2.不同给定值下系统的输出稳态特性，如图17。(1）为，转速降为n=1449.75rmin-1442.5rmin=7.25rmin。VUn18(2)为转速降为n=1433.75-1426.25rmin=7.6rmin。VUn8.17通过对比可以得出，单闭环调速系统具有很好的跟随特性。(1(1）(2(2）VUn18VUn8.17图图1717有静差调速系统不同给定作用时的稳态输出特性有静差调速系统不同给定作用时的稳态输出特性4.2.4动态稳定的判断，校正和仿真按保证最小电流时电流连续的条件(三相桥式整流电路dnomdII%10min)计算电枢回路电感量，由于min2693.0dIULVEEl8.1323230322mHmHIELd7.1752%108.132693.0693.0min2取L=18mH=0.018H计算系统时间常数：电枢回路电磁时间常数ssRLTl015.02.1018.0浙江机电职业技术学院电气工程系毕业设计说明书第32页共43页电力拖动机电时间常数ssCCRGDTmem19.0301329.01329.03752.1103752失控时间常数)(00167.0三相桥式电路sTs为保证系统稳定，开环放大系数应有slsslmTTTTTTK2)(代入