调速系统转速反馈系数的整定毕业论文.doc

调速系统转速反馈系数的整定毕业论文目 录引言31 直流电机调速系统61.1 直流电机调速系统发展61.2 转速反馈控制的概念82 转速反馈调速系统的基本构成102.1 DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验台102.2 实验所需挂箱、电机等设备11 2.3 导线193 转速反馈调速系统的实验过程203.1 开环直流调速系统实验203.2 基于P调节器的闭环调速系统实验313.3 基于PI调节器的闭环调速系统实验384 实验结果与分析444.1 开环调速系统实验结果分析444.2 基于P调节器的转速反馈调速系统实验结果分析454.3 基于PI调节器的转速反馈调速系统实验结果分析48结论51致谢53参考文献56沈阳大学毕业设计（论文）引 言现代运动控制技术均是以各类电动机为基础，通过微机和逻辑电路控制电动机，用电力电子装置作为弱电控制强电的纽带，以自动控制系统和电力电子技术为基础的。直流调速系统作为运动控制系统最基本的内容，在当代生产生活中起着无法替代的作用1。随着近些年来我国经济的迅速发展和加速现代化，工业，农业生产，人们的日常生活水平提高导致的高需求的出现，使得电机调速系统的精确度要求也越来越高。如何设计出高效，稳定，节能，成本低廉的直流电机控制系统，成为了工业生产中的重要环节2。 目前，直流调速系统已经在几代人的研究和发展之下具有比较完整的理论和相对成熟的实践。在一些调速性能指标要求不高的场合，开环调速系统就能满足要求，但是开环系统并不具备自我调节的功能，遇到扰动时，会因其系统局限性引起比较大的转速的变化，其机械特性比较“软”，调速范围也较窄，静差率比较差。因此，对于有着较高要求的传动装置或机械化生产设备，开环调速是无法满足要求的，运行过程中会产生这样或那样的误差，结果总是不尽人意。因此我们需要采取某些措施以提高系统的静特性和调速性能，使系统响应变得更加快速，更加稳定地运行3。为了设计出可以稳定运行的直流调速系统，更加深入理解其原理以及从发展中创新，针对工程中需要高性能的控制系统，就必须要引入反馈控制环节，这里，稳定转速的话就需要引入转速负反馈，使机械特性变“硬”4。此次设计的思路是，根据自动控制原理，分析得出设计思路。由于反馈闭环控制系统是按照被控制对象的实际状态与期望状态的偏差被放大后进行控制的系统，因此只要系统出现偏差，其电路就会自动根据偏差进行相应的自我调节。转速变化的原因是负载的变化，这些变化直接造成系统的波动，表现为转速偏差，显然闭环调速系统能够减少转速降落5。本系统中发电机与电动机同轴连接，从而形成与电动机转速成正比的负反馈电压，并将之与给定电压按照一定途径进行比较后得出所谓的偏差电压，此偏差电压经过放大器放大后作为触发装置的控制电压，从而使转速间接控制整流装置的输出电压，实现输出间接控制输入的闭环控制的特点。这种系统可以减小负载引起的转速降落，可有效抑制甚至消除扰动对系统产生的影响，维持系统电动机转速稳定6。本实验在人类生产生活的很多领域都具有重要意义。因直流电动机的结构决定了其可以实现快速启动和快速制动，其非常适合在较宽广的范围内平滑地调速，在电动汽车、矿厂挖掘机、隧道钻机、切割机、3D打印机、多功能电梯等需要高性能自动控制系统的领域中均得到了普遍的应用7。而自改革开放以来，外来技术的引入使直流电机传动装置的发展经历了重大的变革，首先实现了整流器等陈旧落后设备的更新换代，比如晶闸管整流装置慢慢取代了长久以来占据国内直流调速系统市场的水银整流装置，使直流电机调速系统完成了一次大的跃进。同时，调速系统中的控制器电路也已经慢慢实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本8。以上这些先进技术的应用，使直流调速系统的各项性能指标大幅度提高，同时也使其应用范围扩展到国民经济生产中的各个领域。直流调速技术在开放的交流和公平竞争中不断发展和完善，一直在向高度集成小型化、多功能化、模块化和节能的方向发展。在当代的国民生产和科技创新中仍然难以被替代。由于直流调速系统的研究和应用已经慢慢趋近成熟，并且应用得相当普遍，成本低廉，尤其是全数字控制的直流调速系统的出现，又是大大提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，在可预测的期限内，在调速要求较高的场合，如电动汽车、民用飞机发动机等的研发中，直流调速仍然处于主要地位。因此，对于直流电动机控制系统的研究，将对现在甚至未来的人类生产生活起着至关重要的作用9。本次毕业设计的宗旨，是在前人的基础上研究转速反馈直流调速系统，以加深对系统的理解，通过理论联系实践，真正动手完成一次直流调速系统的研究。在重复前人实验之后，努力进行一些创新，并取得一定的成果。由于转速反馈直流调速系统的性能与调节器有着直接的关系，为了使系统更加稳定、快速响应，调节器内部的各项参数，比如转速反馈系数的选择就显得非常重要。先建立开环直流调速系统，多次运行得到负载和转速变化的数据。然后分别在使用P调节器和PI调节器情况下，观察转速受负载的影响并与开环调速系统作比较，分析其优势。同时几组不同的反馈系数，使系统在不同的反馈系数下慢慢增加负载，记录下各组转速等数据的变化，对比得出较优反馈系数，以得到更加稳定、响应快的转速负反馈直流调速系统10。这不仅仅是一次简单的毕业设计，也是我在大学四年学习生涯中的一次学业检测，是对自己实际操作能力的锻炼。不仅是对所学内容的巩固，更是发展和创新。在实验过程中，或多或少遇到这样那样的问题，慢慢通过自己独立解决，体会到很大的成就感。将来或许能在此实验的基础上进行更加深入的研究，获得具有创新性的成果，并将其应用到生产生活中的某些领域，如与自动化密切相关的电梯、电动汽车控制系统，矿井升降机控制系统等。希望自己能对社会做一些贡献，同时也是对我学业的肯定和鼓励11。1 直流电机调速系统1.1 直流电机调速系统发展直流调速系统已经成为国民经济生产中所必须掌握的最重要的技术之一。随着电力电子技术和自动控制系统的发展，目前对调速性能要求较高的各类生产、生活机械比如电梯传动装置，电车控制均采用直流传动，简称直流调速系统12。由于直流电机最早在200多年前被科学家们发明，所以在相当长的一段时间内，直流电动机传动是惟一的电气传动方式。随着一些新型电子元件，尤其是半导体硅二极管的发明，直流传动系统中的可控变流装置也在不断地发展和完善。早在20世纪40年代采用的是旋转变流机组，即发电机-电动机系统，该系统的原理、结构比较简单，简称VC-M系统，原理如图1。图1 旋转变流机组供电的直流调速系统它由交流电动机M1(异步电动机或同步电动机)拖动直流发电机C实现变流功能，由G给所需要调速的直流电动机供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n；改变发电机励磁电流的方向，可以改变发电机输出电压的极性以实现电动机的正传和反转。这种系统常用交磁放大机作为功率放大器直接对发电机的励磁绕组供电，所以又被称为放大机控制的发电机-电动机组系统(简称G-M系统) 13。 这种系统在上个世纪中期就已被广泛地使用。由于这种系统必须包含两台以上与被控制电动机容量相当的旋转电机，因而设备采购多、占地面积大、安装效率低、运行费用昂贵、安装需打地基、运行噪音大、维护时间长且费用高。于是，很快有人开始采用水银整流器作为可控变流装置，以克服以上缺点，用静止的变流器取代旋转的变流机组。由于水银对环境的污染非常严重且难以进行处理，对人畜健康危害极大，因而到了上个世纪末又被相继出现的晶闸管(大功率半导体器件)变流装置所取代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的电动机调速系统，被称为晶闸管电动机调速系统(简称VC-M系统，又称为静止的Word-Leonard系统)，如图2所示。这种系统已成为直流调速系统的主要形式，在世界各主要工业国已得到普遍应用。 当前，我国的实际情况是晶闸管直流调速技术通过引进国外先进技术开发，已日趋成熟，所使用的主要器件在国内都能提供，每年生产的超大功率直流传动装置，广泛应用到国民经济的各个部门，为我国工业技术进步和节能事业做出了很大贡献。例如，1990年为太原钢铁集团轧机提供的大功率晶闸管直流传：动装置，其最大直流输出电流12900A、最大直流输出直流电压860V、调速范围250:1、正反向换向时间5ms-7ms。图2 晶闸管变流装置供电的直流调速系统总之直流供电装置由于电力电子器件的出现，已经有了巨大的进步。发电机电动机组、电机放大机、磁放大器、水银整流器等直流供电装置渐渐被淘汰，现在用得较多的则是晶闸管变流器、直流斩波器等供电电子装置。在小功率范围内，新型的电力电子器件用得越来越多14。而其中一种非常实用的调速系统，就是我们现在要研究的转速反馈直流调速系统。如图3所示。图3 采用转速负反馈的单闭环调速系统此调速系统已经利用了反馈这一概念来对电动机进行控制。引入了转速负反馈的直流调速系统，在稳定性、快速性、精确度等性能方面都有较大的提升，它也因此成为目前工业生产中最常见的运动控制系统。1.2转速反馈控制的概念举一十分简单的例子，我们想把一壶水烧开，最直接的办法是将水壶放在煤气炉上加热。如果只采用开环控制的方法，则一壶水在烧开后继续加热，将直至水全部被汽化，并将对水壶产生破坏。在电动水壶中，我们由某种方式检验壶中水的汽化程度，在烧开后会自动关闭加热器。可以看出，电动水壶的控制还是比较理想的，至少会节约能源。另外，还可避免事故发生15。自然界中系统是没有多少现象可以满足这里所谓的理想条件的。例如，外界可能对系统有某些扰动信号，比如电动机负载的增加和骤变，这些变化对开环调速系统的控制输入并不产生影响，开环控制器对被控对象的控制行为不会产生变化，与无扰动情况下的控制行为一样。这样电动机的转速并不受我们控制，甚至会出现系统的不稳定现象。而当引入了与电动机转速成正比的反馈信号以后，在负反馈系统中，反馈信号便会与输入信号作比较，经过放大后成为系统的输入信号。因此在这种情况下，系统的实际输入信号决定于反馈信号。当系统实际的输出信号与期望的输出信号不同时，反馈环节就会产生迫使二者趋向于相同作用，通过使实际的输出信号不断发生变化，慢慢接近期望的输出信号，使电动机转速接近预期值。典型反馈控制系统结构如图4所示。在这种结构下，系统包含了3个典型的部分，即对象模型、控制器模型和反馈模型。为了理解起来更加方便，在控制系统的方框图表示中，只对有负运算的路径用减号标注，而略去所有的加号标注。在这样的结构下，系统的对象模型和控制器模型共同构成了系统的前向通路，而所谓的反馈模型构成了系统的反馈通路。这样的结构在电机拖动和自动控制系统中是普遍应用的16。图4 典型的反馈控制结构2 转速反馈调速系统的基本构成2.1 DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验台本次毕业设计采用天煌教仪DJDK-01型电力电子及电机控制试验装置，主要使用了其中的运动控制系统部分。浙江天煌教仪推出的DJDK-1型实验装置，采用挂件结构，使用起来很方便，因此可以进行自由组合，根据所要求的实验内容可以组合成不同的实验装置，然后接线，进行各种电机、电力系统试验17。其实物如图5。图5 DJDK-1型实验装置2.2 实验所需挂箱、电机等设备2.2.1 DJK01电源控制屏DJK01电源控制屏实物图如图6所示。图6 DJDK01电源控制屏该控制屏包含电压表、电流表、定时器兼报警记录仪，主电源输出等模块，在本实验中，主要作为整个系统的供电装置。2.2.2 DJK02挂箱DJK02挂箱实物图如图7所示。图7 DJK02挂箱此挂箱包含三相正桥主电路，三项反桥主电路，电压表，为三相晶闸管触发电路，主要为三相电路提供触发脉冲18。本实验中使用三相正桥主电路作为系统的整流电路。2.2.3 DJK02-1挂箱DJK02-1挂箱实物图如图8所示。图8 DJK02-1挂箱此挂箱包含触发电路、正反桥功放等模块，本实验中将采用正桥功放模块。2.2.4 DJK04挂箱DJK04挂箱实物图如图9所示。图9 DJK04挂箱此挂箱又名电机调速控制实验模块，主要包含给定模块、调节器、调节器、转速变换模块、电流反馈与过流保护模块、电压隔离器模块等，是本次直流调速系统实验的核心控制模块。2.2.5 DJK08挂箱。DJK08挂箱实物图如图10所示。图10 DJK08挂箱此挂箱包含可调电阻，电容等模块。实验中将选择0.47F和40作为调节器的电路组成部分。2.2.6 DD03-3挂箱DD03-3挂箱实物图如图11所示。图11 DD03-3挂箱DD03-3挂箱主要包括电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表。将电动机的转速换成电压信号并以数字显示出来。2.2.7 DJ13-1直流发电机DJ13-1直流发电机实物图如图12所示。图12 DJ13-1直流发电机2.2.8 DJ15直流并励电动机DJ15直流并励电动机实物图如图13所示。图13 DJ15直流并励电动机DJ15直流并励电动机参数额定电压U=220V，额定电流I=1.20A，额定功率P=185w，励磁电压UfN=220V，是本次实验的被控制对象。2.2.9 D42挂箱D42挂箱实物图如图14所示。图14 D42挂箱D42挂箱包含三相可调电阻，在本次实验中将使用最大阻值450的可调电阻模块作为电动机的负载。2.2.10 万用表万用表的实物图如图15所示。图15 万用表万用表包含安培计、电压表、欧姆计等功能，这里主要用来测量经过转速变换模块后的反馈电压。2.3 导线图16 实验所用电线各种颜色、各种规格导线数根，用来连接实验电路。3 转速反馈调速系统的实验过程3.1开环直流调速系统实验由于实验建立在直流调速系统之上，先建立简单的开环直流调速系统。开环调速系统原理图如图17。图17 开环直流调速系统原理图由于开环直流调速系统不具备自我调节能力，于是引入转速反馈环节，形成转速反馈闭环调速系统。直流电动机的励磁恒定，电枢由晶闸管装置供电。系统的给定电压与反馈电压串联进行比较，它们的差值经比例放大后，作为触发器的控制信号。在系统运行过程中，负载、电动机的励磁电流及电压等波动会引起转速变化，只要这些扰动量在闭环之内，系统就能进行一定的自动调节，使转速趋向于稳定19。转速反馈直流调速系统调节器分为比例调节器控制的调速系统、微分调节器控制的调速系统和积分调节器控制的调速系统，本实验涉及比例、积分调节器控制的直流调速系统。比例调节器在直流调速系统中的作用是可以提高系统的开环增益，同时减小系统中的稳态误差，从而在确保响应速度下提高系统最终的控制精度。积分调节的作用是提高系统的稳态性能。二者组合起来可以达到取长补短的作用，使控制更加完善20。图18 转速单闭环系统原理图根据开环系统原理图，将实验设备用导线连接起来，建立系统。 把DJK01总电源开关打开，同时打开“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，确认输入的三相电网电压是否平衡。 调节DJK01“电源控制屏”上的“调速电源选择开关”至“直流调速”侧。图19 打开直流励磁电源开关 用10芯的扁平电缆，连接DJK02的“三相同步信号输出”端和“三相同步信号输入”端，同时打开DJK02-1电源开关，调节“触发脉冲指示”开关，使“窄”的发光管亮。 用8芯的扁平电缆，连接DJK02-1面板上的“触发脉冲输出”端和“触发脉冲输入”端，将触发脉冲加到正反桥功放的输入端。图20 DJK02-1接线实物图 使DJK02-1面板上额U1f端接地，与接地口相连。用20芯的扁平电缆，连接DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端，同时使DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”。图21 正桥触发脉冲开关 将DJK01电源控制屏中主电路电源输出的A、B、C三相分别接入DJK02面板上的“三相正桥主电路”，然后将VT1、VT3、VT5阴极相接，将VT2、VT4、VT6的阳极相接，形成三相全控整流电路,用来整流21。图22 三相全控整流电路接线图 将DJK02上的“三相正桥主电路”中VT5、VT2分别与电动机的“电枢”相连接。图23 直流电动机接线图 将DJK01电源控制屏上的“直流励磁电源”开关拨到“开”，并将其正负极与直流电机“并励”接口相连，为电机提供励磁电压。 将DJK01电源控制屏上的“直流数字电压表”的正负极与DJK02挂箱上的“三相正桥主电路”的VT1和VT4相连，用于测量电压。 将DJK01电源控制屏上的“直流数字电流表”接入电路，正极连接电动机“并励”的正极，负极连接电动机“电枢”的负极。图24 直流数字电压表、电流表接线图 将直流电动机的“并励”和发电机的“他励”连接起来，用以给发电机提供励磁。图25 发电机与电动机共用励磁 将D42挂箱上的可调电阻器接入系统电路中，作为负载，默认阻值为其最大值450。图26 负载电阻接入电路 将Ld接入主电路，选择DJK02挂箱上的“200mH”。图27 Ld接入主电路 将DD03-3测速模块的“转速输出”与DJK04挂箱上的“转速变换”相接。图28 转速变换模块接线图 直接将给定电压Ug接入DJK02上的“移相控制电压”Uct,另外一端接地。这样不带调节器的直流调速系统已经建立完成。将DJK04上“给定”拨至“正给定”。负载电阻默认最大值，输出给定调到零。图29 接好的无调节器开环直流调速系统先研究系统不接入负载的情况下，电动机转速随给定增加的变化情况。按下面板上的启动按钮，使励磁电源接通，注意使给定从零开始缓缓增加，使电动机转速增加，记录下转速随给定变化的数据并填入表格中。表1 不接入负载时，转速随负载变化给定（V）4.555.566.5转速（r/min）673806639001055根据得到的数据，用软件绘制转速随给定变化的折线图，以便更加直观地分析转速的变化。图30 无负载时转速随给定变化接下来，转动“转速变换”上的转速反馈电位器按钮RP1，使转速为300r/min时的转速反馈电压Ufn=0.3V，而此时转速反馈系数为0.001。这是用以测试转速变换模块是否正常。接入电阻负载，将给定值慢慢增大为5.5V。当给定值不变时，慢慢减小负载电阻，以增加负载，记录下不同负载下电动机的转速变化。并根据数据做出折线图。表2 给定值为5.5V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）426421406376198根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图31 给定值为5.5V时，转速随负载变化折线图将给定调节为5.7V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表3 给定值为5.7V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）543532513483380根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图32 给定值为5.7V时，转速随负载变化折线图将给定调节为6V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表4 给定值为6V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）716702678629550根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图33 给定值为6V时，转速随负载变化折线图由测试数据可知，以上系统中虽可对电动机进行调速，但是过程中出现两个问题：一是全电压启动时启动电流过大，二是电动机转速随着负载变化而变化，负载增大，转速的降落也在增大，使转速难以确定，更不用说控制了。这样的系统是无法满足稍微有一些要求的工艺生产需求的22。注意事项：在电机启动前，必须先接通电动机的励磁，方能使电动机正常启动。并且在启动前，必须确保移相控制电压为零，以使整流输出电压为零，防止突加给定对电动机造成损伤。确认以上细节后，才可以逐渐加大给定电压。要注意不能在任何时候突加给定。否则会产生过大的启动电流，使得过流保护措施启动，进而报警或者跳闸，损坏电路中的保险丝，造成时间的浪费和实验失败23。在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。给直流电动机加的电枢电流一定不能超过电动机的额定值，电动机的转速也应该被控制在1.2倍的额定值以内，否则会因超负载工作降低电动机的使用寿命，或者因过度震动发生意外，造成不可挽回的后果。DJK04与DJK02-1都需要单独接地，所以实验时必须使他们都接到地线口或者短接DJK04与DJK02-1的地。3.2基于P调节器的闭环调速系统实验由于传统的开环直流调速系统不具备抗扰动的能力，转速受外界负载影响太大，转速降落又取决于电动机的各项参数，无法自动调节。因此开环直流调速仅仅适用于对调速性能要求不高的场合，比如普通的升降机，简单的吊车等等。因此，对一些有一定要求或者特殊需要的场合，比如电梯，电动机车等，需要采用闭环调速系统24。下面就来研究P调节器下系统的特性。 将DJK04上“转速变换”模块的“3”与“调节器”的“2”相接，“给定”面板上的“Ug”与“调节器”上的“3”相接。 图34 P调节器接线图 将调节器接入主电路。在DJK04挂箱上，将“调节器”上的“4”和“5”与DJK08上的“可调电阻”相接，可调电阻选择40K。图35 可调电阻接线图 将“调节器”上的“5”和“6”短接，以接通调节器。 将“调节器”上的Usc与DJK02-1上的“移相控制电压”的输入端，Uct相接，另外一端接地。 将DJK04上“给定”拨至“负给定”。系统建立完成后，慢慢增加给定，使系统开始运转。研究相同给定下，电动机转速随负载变化情况。并记录下实验数据。将给定调节为5V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表5 给定值为5V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）305298289271190根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图36 给定值为5V时，转速随负载变化折线图将给定调节为5.5V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表6 给定值为5.5V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）306300292273188根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图37 给定值为5.5V时，转速随负载变化折线图将给定调节为5.7V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表7 给定值为5.7V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）307301292270141根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图38 给定值为5.7V时，转速随负载变化折线图将给定调节为6V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表8 给定值为6V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）304298293273142根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图39 给定值为6V时，转速随负载变化折线图调速系统的性能，和调节器的参数设定密切相关，比如近些年来，我国电动自行车内置的调速系统中，响应速度和稳定性已经进入了世界前列，各大国产厂家生产的电动自行车和电动汽车进入国际市场。为了获得比较更稳定和响应更快的P调节器下的转速反馈直流调速系统，取三组转速反馈系数，0.001、0.002、0.004，对比相同给定、不同反馈系数下，逐渐增大负载，直流电动机转速的变化，从而获得更加优良的调速系统25。调节转速变换模块的电位器RP1，使转速反馈系数为0.001，记录下电动机转速随负载的变化情况。表9 反馈系数为0.001时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）313309300277198根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图40 反馈系数为0.001时，转速随负载变化折线图调节转速变换模块的电位器RP1，使转速反馈系数为0.002，记录下电动机转速随负载的变化情况。表10 反馈系数为0.002时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）312309301290195根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图41 反馈系数为0.002时，转速随负载变化折线图调节转速变换模块的电位器RP1，使转速反馈系数为0.004，记录下电动机转速随负载的变化情况。表11 反馈系数为0.004时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）310304293279192根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图42 反馈系数为0.004时，转速随负载变化折线图3.3基于PI调节器的闭环调速系统实验PI调节器又称比例积分调节器，在比例调节其中加入积分环节。P调节器使调速系统动态响应快，PI调节器使调速系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速，提高了稳态精度，进一步提高系统的稳定性能。因此，PI调节器无疑是更好的选择26。将DJK04挂箱“调节器”上的“5”和“6”之间的导线拔掉，然后将“5”和“6”与DJK08挂箱上的可调电容相接，电容选择0.47F。图43 调节器中接入电容将给定调节为5V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表12 给定值为5V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）335330319297159根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图44 给定值为5V时，转速随负载变化折线图将给定调节为5.5V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表13 给定值为5.5V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）336330318292157根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图45 给定值为5.5V时，转速随负载变化折线图将给定调节为5.7V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表14 给定值为5.7V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）335329320299156根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图46 给定值为5.7V时，转速随负载变化折线图将给定调节为6V，增加负载，记录电动机转速随负载的变化情况。表15 给定值为6V时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）328322311287151根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图47 给定值为6V时，转速随负载变化折线图为了获得比较稳定的转速反馈直流调速系统，取三组转速反馈系数，0.001、0.002、0.004，通过增加负载，对比相同给定、不同反馈系数下，逐渐增大负载，直流电动机转速的变化。调节转速变换模块的电位器RP1，使转速反馈系数为0.001，记录下电动机转速随负载的变化情况。表16 反馈系数为0.001时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）327321311291206根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图48 反馈系数为0.001时，转速随负载变化折线图调节转速变换模块的电位器RP1，使转速反馈系数为0.002，记录下电动机转速随负载的变化情况。表17 反馈系数为0.002时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）327321312297155根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图49 反馈系数为0.002时，转速随负载变化折线图调节转速变换模块的电位器RP1，使转速反馈系数为0.004，记录下电动机转速随负载的变化情况。表18 反馈系数为0.004时，转速随负载变化负载（）4503382251220转速（r/min）330324313290174根据测得的数据，绘制转速随负载变化的折线图。图50 反馈系数为0.004时，转速随负载变化折线图4 实验结果与分析4.1 开环调速系统实验结果分析首先分析无负载情况下的开环调速系统实验结果。实验选用了三相电源和三相桥式全控整流电路进行整流27。开环调速系统并不包含反馈环节，因此电动机的转速受给定影响最大，且取决于给定值和电动机自身参数和其负载28。由实验数据可以分析出，直流电动机不接入负载电阻时，直流电动机转速随着给定的增加而增加，两者基本成正相关。当给定足够高时，转速便慢慢趋向于最高转速。由于电路和电机设备存在内阻和各种损耗，预计在给定达到某一临界值时，转速将几乎不再增加，而是永远无限接近于理想最高转速。鉴于实验安全起见，把转速控制在1100转以内，以防因转速过快造成实验设备损坏和人身伤害29。综上，根据实验数据绘制成的折线图可以明显看出，在直流电动机空载的情况下，一定范围内，电动机转速和给定之间基本成正比关系30。在接入负载后，将给定值慢慢增加至5.5V不变，调节电阻值从450到0，负载电阻值减小的同时，负载在不断增大。根据实验数据分析，电动机转速随着负载的不断增大而减少了50r/min，而在负载电阻从122变为0(负载无限大)时，电动机转速骤降178r/min。可以看出，负载的增大对转速影响较大，且系统在此给定值下，可以使电动机提供不低于198r/min的转速输出。给定增加至5.7V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为60r/min，比给定值为5.5V时的转速降落大，而当负载从122变为0时，转速骤降103r/min。且在此给定值下，电动机能够提供不低于380r/min的转速。当给定增加至6V时，继续使负载电阻从450逐渐减小。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为87r/min，较给定值为5.7V时大，而当负载从122变为0时，转速骤降79/min，且电动机此时可以提供不低于550r/min的转速。由以上几组数据可以看出，直流电动机在增加负载之后，转速相比无负载情况下有较为明显的降落。且系统一直存在负载时，给定值越大，转速越大，增加负载后的转速降落也随之增大。这种情况下转速受到给定与负载的影响都较大。但在电动机负载电阻由122变为0时，随着给定值的增大，转速骤降在减小。说明在给定相对较高的情况下，负载对电动机的转速相对于给定对电动机转速的影响在减小。4.2 基于P调节器的转速反馈调速系统实验结果分析开环系统结构简单，且从实验结果可以看出，其系统控制性能差，且系统有不稳定，响应慢等缺点31。它与闭环控制系统的根本区别是，开环系统的控制器是直接根据给定值大小去控制被控对象，被控制对象对输入的控制量并不产生影响，因此无法消除被控制对象的实际状态与预期状态之间的误差32。鉴于以上几点，在调速系统中引入转速反馈环节，将电动机的转速转换为电压信号与给定值进行比较，经过调解器作为系统的控制信号源。正是由于以上优点，反馈是控制系统设计的主要方式33。在接入P调节器后，将给定值慢慢增加至5V不变，调节电阻值从450到0，负载电阻值减小的同时，负载在不断增大。根据实验数据和绘制的转速随负载变化的折线图分析，电动机转速随着负载的不断增大而减少了34r/min，转速降落相对于开环调速系统较小。而在负载电阻从122变为0(负载无限大)时，电动机转速骤降81r/min。且在此给定值下，电动机能够提供不低于190r/min的转速。给定增加至5.5V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小,使电动机负载越来越大。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为33r/min，而当负载从122变为0时，转速骤降85r/min。且在此给定条件下，电动机可输出不低于188r/min的转速。给定增加至5.7V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小,使电动机负载越来越大。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为37r/min，而当负载从122变为0时，转速骤降129r/min。且在此给定下，电动机能提供不低于141r/min的转速。给定增加至6V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小,使电动机负载越来越大。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为31r/min，而当负载从122变为0时，转速骤降131r/min。且在此给定条件下，电动机可输出不低于142r/min的转速。由实验操作过程和得出的数据与开环直流调速系统作比较，可以看出，基于P调节器的闭环调速系统调速响应速度快，且随着电动机负载增大，转速降落较小，电动机转速因受给定与转速之间的偏差量控制，系统自动调节使偏差趋近于零，使得系统更加稳定34。当给定值均为5.5V时，测试不同反馈系数下，系统的稳定性。转速反馈系数为0.001时，使负载电阻从450逐渐减小至0，使负载持续增大。根据所记录的数据和绘制的转速随负载变化折线图进行分析。不考虑负载电阻为0时的情况下，随着负载电阻从450降低到122，直流电动机转速降落了36r/min，负载电阻从122变为0时，转速骤降了79r/min。转速反馈系数为0.002时，使负载电阻从450逐渐减小至0，使负载持续增大。根据所记录的数据和绘制的转速随负载变化折线图进行分析。不考虑负载电阻为0时的情况下，随着负载电阻从450降低到122，直流电动机转速降落了22r/min，负载电阻从122变为0时，转速骤降了95r/min。转速反馈系数为0.004时，使负载电阻从450逐渐减小至0，使负载持续增大。根据所记录的数据和绘制的转速随负载变化折线图进行分析。不考虑负载电阻为0时的情况下，随着负载电阻从450降低到122，直流电动机转速降落了31r/min，负载电阻从122变为0时，转速骤降了87r/min。通过实验数据可以分析出，系统增加了P调节器之后，表现出了较好的稳定性和响应速度。而当转速反馈系数为0.002时，直流电动机转速受负载变化的影响最小，系统更加稳定。4.3 基于PI调节器的转速反馈调速系统实验结果分析虽然P调节器提高了调速系统的响应速度和一定的稳定性，但是如果要使系统更加稳定，需要接入I调节器。PI调节器结合了两种调节器的优点，是系统性能更加优良35。在接入PI调节器后，将给定值慢慢增加至5V不变，调节电阻值从450到0，负载电阻值减小的同时，负载在不断增大。根据实验数据和绘制的转速随负载变化的折线图分析，电动机转速随着负载的不断增大而减少了38r/min，而在负载电阻从122变为0(负载无限大)时，电动机转速骤降138r/min。此时，电动机可以提供不低于159r/min的转速。给定增加至5.5V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小,使电动机负载越来越大。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为44r/min，而当负载从122变为0时，转速骤降135r/min。此时，电动机可以提供不低于157r/min的转速。给定增加至5.7V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小，使电动机负载越来越大。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为36r/min，而当负载从122变为0时，转速骤降143r/min。此时，电动机可以提供不低于156r/min的转速。给定增加至6V时，仍然使负载电阻从450逐渐减小，使电动机负载越来越大。根据实验结果和绘制出的转速与负载关系的折线图可以分析出，在不考虑负载无限大时转速的情况下，总转速降落为41r/min，而当负载从122变为0时，转速骤降136r/min。此时，电动机可以提供不低于151r/min的转速。由记录的实验数据可以分析出，接入PI调节器之后，在系统响应迅速的同时，相对于P调节器系统的稳态误差明显减小。直流电动机的转速仍与给定与转速的偏差有关，在实现无静差调速的同时，进一步提高了系统的稳态性能36。把给定值均固定为5.5V，整定出一个较优的转速反馈系数。转速反馈系数为0.001时，使负载电阻从450逐渐减小至0，使负载持续增大。根据所记录的数据和绘制的转速随负载变化折线图进行分析。不考虑负载电阻为0时的情况下，随着负载电阻从450降低到122，直流电动机转速降落了36r/min，负载电阻从122变为0时，转速骤降了85r/min。系统此时能提供不低于206r/min的转速。转速反馈系数为0.002时，使负载电阻从450逐渐减小至0，使负载持续增大。根据所记录的数据和绘制的转速随负载变化折线图进行分析。不考虑负载电阻为0时的情况下，随着负载电阻从450降低到122，直流电动机转速降落了30r/min，负载电阻从122变为0时，转速骤降了142r/min。系统此时能提供不低于155r/min的转速。转速反馈系数为0.004时，使负载电阻从450逐渐减小至0，使负载持续增大。根据所记录的数据和绘制的转速随负载变化折线图进行分析。不考虑负载电阻为0时的情况下，随着负载电阻从450降低到122，直流电动机转速降落了40r/min，负载电阻从122变为0时，转速骤降了116r/min。系统此时能提供不低于174r/min的转速。由实验数据可以看出，系统的转速反馈系数为0.002时，在减小稳态误差、系统响应速度快的同时，电动机转速降落最少，系统更加稳定37。参考文献1 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