带钢冷轧机直流调速系统设计与仿真.doc

毕 业 论 文题 目： 带钢冷轧机直流调速系统设计与仿真 英文题目：The strip of cold rolling mill dc speed control system design and simulation 二零 年 月 日1摘 要作为电力传动的主要动力设备，根据不同的工作要求，对转速有特殊限制来满足特定的生产需求。直流电动机控制性能好，加上双闭环调速的介入，使启动性能和抗干扰性能大大改善。做好双闭环调速系统的研究十分重要。目前直流电动机的调速较多采用了电流和转速双闭环控制。且转速调节器采用了PI调节，既可以保证动态稳定，而且可以消除静态误差，另外通过引入电流截至负反馈还能限制电流冲击。电流和转速分开控制，从而得到了较好的动静态特性。依据电流和转速两个调节器构成直流电动机双闭环调速系统，建立数学模型，分析启动过程和抗干扰调解过程，并依据要求设计电流调节器和转速调节器，在进行必要的硬件电路的设计与调试，最后运用MATLAB软件进行电流环和转速环的动作仿真。关键词:双闭环；直流电动机调速；转速调节器；MATLAB1ABSTRACT As the main motive power transmission equipment, according to the different requirements of speed limit, to meet the special needs of specific production. Dc motor control performance is good, plus double closed loop speed regulation, make start-up performance and anti-jamming performance improved. Do double closed loop speed regulation system of study is very important.Currently the dc current and speed is more USES double closed loop speed. And the speed regulator USES PI, can guarantee dynamic stability, and can eliminate static error, through introducing the current negative feedback can also limited by current shock. Current and speed control, separate to obtain better dynamic and static characteristics.According to the current and speed regulator constitute two dc double closed loop speed regulation system, the mathematical model is analyzed, and the anti-interference mediation process start-up process, and according to the requirements and the design of speed regulator, current regulator in the hardware circuit to the design and debug, finally using MATLAB software current loop and the movement speed loop simulation.Key Words: double closed loop speed; DC current regulator; the speed regulator; MATLAB目 录绪论11.1 概述12冷轧机的概念22.1.1冷轧机简介22.1.2工作原理22.2直流调速系统的概述22.2.2固有机械特性32.2.3开环控制和闭环控制32.3直流调速方式32.3.1研究背景32.4我国冷轧的发展历史42.4.1应用现代控制理论42.4.2采用总线技术42.4.3内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域42.5冷轧机的发展52.7 本课题采用的技术方案及技术难点63 系统总体方案73.1 三相桥式整流电源73.2 整流装置的放大系数和传递函数83.3 稳态结构框图和静态特性103.3.1 转速调节器不饱和103.3.2 转速调节器饱和113.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算114 电流和转速调节器的设计与选择134.1 双闭环调速系统数学模型的建立134.1.1 电流环结构的简化134.1.2 确定时间常数144.2 转速调节器的设计144.3 确定时间常数164.4 选择转速调节器结构与参数165 双闭环调速系统仿真185.1概述185.2 系统动态结构的MATLAB仿真185.3 仿真模型的建立205.4 系统的整体结构的仿真215.5流电压源模块对话框225.6仿真图形24总 结26致 谢27参考文献28附录129附录232绪论1.1 概述带钢冷轧机是对冷轧钢筋进行冷拉，冷轧，可以提高抗拉位，抗压的同时，使其然保留足够的钢的延伸特性，使冷轧钢筋的轧扁厚度，界面宽厚比，面缩效率和节距等四项材质指标具有强大的抗拉强度，延长效率和冷弯的作用。如果在冷轧机的轧制过程中需要调速时，可采用直流电动机。这是因为直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。电力电子技术的发展为直流电机提供了多种多样的供电电源，进而也使其控制精度进一步得到了提高，而且也促进了交流调速技术的发展，而交流调速的现代控制的基本规律和直流电机又有相同之处，因而研究直流电机将为交流电机的控制提供一定的基础。薄板、带钢的生产技术是钢铁工业发展水平的一个重要标志。冷轧钢板的生产主要是采用36机架的多辊冷轧机，特点是生产率高，机械化、自动化程度高，产品质量好。连轧机仅适用于产量大，品种规格单一的钢种冷轧生产，而对于生产量较小、质量要求较高、品种规格复杂的高合金钢和合金冷轧带材，采用连轧机并不恰当，而大多采用多辊可逆轧机。带钢冷轧机生产线上除了五机架连轧机主体设备外，还包括头部的上料设备、开卷机以及尾部卷取机，有的在轧制头部还有矫直机、焊接机以及活套等设备。这些设备要要步调一致，密切配合，以保证连轧机位置控制、厚度控制、张力控制、速度控制以及板形控制的顺利进行。五机架冷连轧机的出现必须有自动控制和以计算机技术为基础。冷轧机最初是在二辊、四辊基础建立起来的，科学技术和工业的发展需要极薄带材，原有低辊数轧机已经不能满足要求，因为轧辊本身的弹性压扁值往往比所需轧制带材厚度还要大，而轧辊的弹性压扁是与辊径成正比的。当轧辊材质一定时，要降低轧辊弹性压扁就必须减小辊径，而辊径的减小又会出现刚性不够的矛盾。为此，多辊轧机出现以提供良好刚性的塔形支撑辊系。多辊轧机发展很快，根据加工工艺要求，有八辊、十二辊、二十辊等。开卷机作为连轧设备的首端，需要可逆工作，既需要转速控制又需要张力控制。当开卷机工作于换卷引带或断带时，系统外环即速度环调机器投入工作，这是一个速度调节系统；当带材咬入后，产生张力，使ASR的反馈小于给定值，处于饱和状态，其限幅值就是张力给定值，系统作为一个恒功率调剂系统而工作，维持张力恒定。本设计采用转速、电流双闭环逻辑无环流调速。12冷轧机的概念2.1.1冷轧机简介轧机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。现代轧机发展的趋向是连续化、自动化、专业化,产品质量高,消耗低。用于连续铸轧、控制轧制等新轧制方法，以及适应新的产品质量要求和提高经济效益的各种特殊结构的轧机都在发展中。冷轧机是将级热轧Q235圆钢经冷拉、冷轧轧制出成品形似螺旋状的钢筋的轧制设备。冷轧机设备在轧制冷轧带肋钢筋的过程中可对母材的经纬方向同时进行冷加工，在保留原截面中心区域品体的相对平衡和稳定的前提下，在提高抗位、抗压的同时，仍保留足够的延伸性能，从而使得冷轧带肋轧钢筋的几何参数（轧扁厚度、截面宽厚比，面缩率和节距）和四项材质指标（抗拉强度，条件屈服值，伸长率和冷弯）可用于一级安全等级的重要工业与民用建筑，节约用钢量，降低建筑价格。 2.1.2工作原理 采用电动机拖动钢筋，利用冷轧机的承重辊、工作辊共同将力施加到钢筋的两个面上。通过改变两个轧辊间隙的大小实现轧制出不同直径冷轧带肋钢筋的目的, 如果在冷轧机的轧制过程中需要调速时，可采用直流电动机。2.2直流调速系统的概述调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动,简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机电动机系统,又称放大机控制的发电机电动机组系统.这种系统在40年代广泛应用.但是它的缺点是占地大,效率低,运行费用昂贵,维护不方便等,特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机.为了克服这些缺点,50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置.这种系统缺点也很明显,只要是污染环境,危害人体健康.50年代末晶闸管出现,晶闸管变流技术日益成熟,使直流调速系统更加完善.晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的支流调速系统,广泛应用于世界各国。近几年,交流调速飞速发展,逐渐有赶超并代替直流调速的趋势.直流调速理论基础是经典控制理论,而交流调速主要依靠现代控制理论.经典控制理论是现代控制理论的基石,直流调速的研究同样也是交流调速研究的前奏.在研究直流调速之前,先来了解一些有关的基本理论和基本概念。2.2.1 直流调速系统的基本概念他励直流电动机的机械特性是一条下倾的直线,而其他的电动机的机械特性虽然不一定都是直线,但也基本上是下倾的.转距增大,转速也下降.但是对于不同的机械特性,其转速的下降程度不同.为了衡量转速的下降才程度,也引入了硬度这个概念.根据机械特性曲线的斜率不同,可把它们分为绝对硬特性和软特性.绝对硬特性使用与直流复励全补偿系统,硬特性使用于他励,并励电机.软特性使用于串励,他励主回路串电阻系统.2.2.2固有机械特性根据他励直流电动机固有机械特性条件,其固有机械特性方程为; 式(1-1)2.2.3开环控制和闭环控制调速系统输出量转速n和输入量给定电压Ugn之间没有任何直接联系,这样的调速系统称为开环调速系统.如果输出量n被反馈到输入端,通过反馈环节构成闭环回路,则称之为闭环调速系统.当然,反馈量还有其他形式.2.3直流调速方式直流调速基本上有三种方案,电枢串电阻,改变电源端电压,减弱磁通.其中以调压调速方式最好,调速范围广,调节平滑。2.3.1研究背景可逆冷轧机于20世纪20年代首先用于德国（早在1917年在专利文献中已有所披露），而四辊可逆式则用于1932年。第一台冷卷取机大约在1893年由施米茨公司（August Schmitz）建于德国。大约1920年，苏必利尔钢公司和威斯汀豪斯电气公司联合发展的单独电力驱动的卷取机，是通过控制电流来维持恒张力的。带钢连续冷轧的首次记录要追遡到大约1904年，当时，韦斯特利奇伯格（West Leechburg）钢公司安装并开动了一台连轧机，每个机架单独用速度可调的直流电机驱动。具有机架间张力和张力卷取机的真正的连轧机操作，大约于1915年在匹兹堡的莫里斯贝利（Morris&Bailey）钢公司和苏必利尔（Superior）钢公司安装的轧机上才得到发展。第一台四机架四辊冷轧机由美国轧机公司于1926年在巴特勒工厂投入生产。1941年五机架连轧机安装于欧文工厂。1960年开始引用六机架镀锡板轧机，装备了更大的功率及稍大的工作轧辊（直径一般为533毫米）采用双电动机驱动，并且部分地在计算机控制下操作。1969年日新钢铁公司在日本南阳的周南厂建立的一套为轧制宽至1270毫米的不锈钢薄板而特殊设计的独一无二的连轧机设备投入生产。1971年五连续式冷轧机在日本钢管公司的福山厂投入生产4。从过程自动化的发展看，大致可分为三个阶段：第一阶段大约在20世纪4050年代，为单机自动化阶段；第二阶段在20世纪60年代，为计算机和单机自动控制系统共存阶段；第三阶段为1970年直至现在，为全部采用计算机进行直接数字控制阶段。2.4我国冷轧的发展历史我国冷轧带卷的生产起步晚，第一个宽带卷冷轧生产车间是50年代苏联设计、60年代初建成投产的鞍钢冷轧厂。鞍钢冷轧厂的建成填补了我国冷轧带卷生产的空白，起了重要的历史作用。60年代中期，太原钢铁公司引进了8辊和20辊冷轧机。70年代武钢从德国引进的1700 mm冷轧车间全套设备及技术，产品包括电镀锡板和冷轧热度锌板，对我国冷轧生产技术的发展起了非常重要的作用，具有深远的影响。80 年代初宝钢冷轧厂从美国引进2030mm冷连轧设计生产能力达2100000t,包括有热镀锌、电镀锌板以及有机涂层带卷等，装备达到当代国际先进水平。60年代初，国内开始研制有机涂层板，首先在上钢三厂建成了试验机组，80年代初，鞍钢重新着手一度中断的聚氯乙烯塑料溶液涂层板生产的研究工作。1985年，鞍钢从美国EPIC金属公司引进二手涂层机组部分这边，由国内配套，建起彩色涂层工业试验机组；武钢冷轧厂从英国戴维公司引进1套涂层机组广州第三轧钢厂引进美国PM公司的涂层生产机组；上海宝钢冷轧厂由美国维恩尤纳特公司引进1套高速涂层板生产机组；北京门窗公司引进日本外炉公司的涂层板生产机组。从此我国引进了几个国家不同的涂层技术，具有一定的涂层生产能力和技术力量。2.4.1应用现代控制理论在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。2.4.2采用总线技术现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。2.4.3内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式伺服系统。2.5冷轧机的发展冷轧机是冷轧生产的主体设备，为了满足冷轧带钢生产的品牌规格，质量及不同生产规模的要求，冷轧带钢生产工艺经历了从单张到成卷生产的变革，由可逆式连轧到全连续以及联合组的发展中形成了各种形式 不同特色的冷轧机，现代冷轧机的装备水平也有了很大的提高，并趋向高效率，高质量，连续化和自动化。冷轧机成为现代钢铁工业中高效率生产设备之一，是钢铁工业技术发展和装备水平提高的一个重要标志。从轧辊，辊系看，冷轧机是早期出现的结构形式最简单的冷轧机，轧机辊径大，咬入性能好，轧制过程稳定但是轧机度小，轧制产品厚度大，精度差，难以保证高质量的轧制，随着轧制带钢厚度的减薄宽度的增加，产生了式冷轧机，冷轧机一般多采用工作辊传动，其工作辊和支持辊直径之比为1:3，机架具有较大的刚度，可逆轧制厚度为0.53.5mm，宽度最大为2080mm的低 冷轧机带钢镀锡，镀锌及涂层基带，也可轧制不锈钢，硅钢合金带钢，由辊式冷轧机里一种多用途的典型冷轧机。为了进一步满足工艺要求又生产了多辊轧机，20世纪末普通使用的排列顺序为1.2.3.4的森吉米尔型二十辊轧机即每个工作辊里由2个第一中间辊，3个第二中间辊和4个外支持棍支承。最后组装到整体机架中可以轧制0.0020.2mm的极薄带钢和变形困难的硅钢，不锈钢，以及高张度的镍合金材料。从机架布置形式看，冷轧机的早期形成都是单机架形式，生产工艺由单张生产发展为成卷可逆式生产。可逆轧制是带钢在机架上往复地进行多道次的轧制，这样每个道次都要起动，加减速停车和换向，由此可逆轧制限制了速度和生产能力的提高，且在带钢头尾部的加减速段厚度超差也是不可避免的，导致了产品质量性能提高，半列式布置的连轧机适应了生产能力和产品质量不断提高的需要是一种高效率生产的冷轧机因此在20世纪60年代，世界上经济发达国家都新建成一大批冷轧机，冷轧机的装备形成经历了3次变化。最早是只有一台开卷机和卷取机的常规式冷轧机，以后发展为两台开卷机和卷取机的改进式冷轧机，同时采用了液压下快速换辊， 辊和自动控制 新技术。使轧制速度提高（3541.6m/s），卷重增加（4560t），且产量提高25%30%以上。但它们都是采但卷轧制工艺，第三代可连续冷轧机则使冷轧工艺实现了无 轧制。目前在世界范围内，可连续形式也有了3种连续形式，即70年代期间的只有冷轧工序本身连续的冷轧机，80年代出现的由冷轧连续的联合机组（CDCM）和冷轧连续退火的全过程连续的联合工艺线（FIPL）。2.6轧制技术的发展趋势1）改进计算机控制系统的配置形式。在进一步提高计算机系统的可靠性和稳定性的同时，必须进一步赶紧其配置形式。在广泛发展过程控制计算机系统的同时，大力发展管理机系统，使管理机和控制机有机地结合起来，组成了分级集成控制系统，并代替传统的硬件和逻辑接口，以实现对生产设备的分散型控制，可以使自动控制的灵活性和可靠性得到进一步的提高，这是当今计算机在轧制过程中的一个重要趋势。2）进一步提高和完善控制仪表和控制系统的性能和功能。在轧制速度越来越高，产品范围越来越大，质量要求越来越严格的情况下，检测仪表的性能以及控制系统的功能，必须进一步提高和完善才能与之相适应。3）进一步应用现代控制理论不断开发新的轧制技术，自适应控制是跟踪轧制过程，是保证控制精度的有效手段，最优控制是全面考虑机电设备，工艺和控制系统的条件，实现最优化生产的保证，但是对一个大型的生产系统来说，由于它们的算法比较复杂，往往限制了它们的应用。 后应加强现代控制理论在大型生产系统中应用的研究，简化计算，便于应用，以便实现最优化生产，为了进一步提高产品质量和生产效率，应不断地开发和应用新的轧制技术，如高精度轧制技术，连续轧制和无头轧制技术，自由程序轧制技术，智能化轧制技术，薄烧轧制技术，组织性能轧制技术等。2.7 本课题采用的技术方案及技术难点根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析：1.直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型2双闭环直流调速的工程设计3应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次4。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。63 系统总体方案3.1 三相桥式整流电源利用三相桥式整流电路，在原理图上，我们可以看见通过晶闸管改变角度使整流电压连续可调，以此来调电机的转速，实现了无极调速，同时可以用单 图3-1相位触发控制电路 波的波形以及晶闸管触发求出整流装置的放大系数。本设计的直流电机采用调节电源电压的方法来调节电机的转速，三相桥式整流电路能够满足这样的要求，采用集成触发电路可以实现对输出电压的线性控制，并且三相桥式整流桥的带负载能力很强，串接电抗器以后可以实现电流连续并且无脉动。该电路的主电路部分如图2-1所示。该电路有六个晶闸管组成，组成三相六脉波整流电路，当负载是直流电机时还需要添加电抗器来保证负载电流的连续不然电机机械特性会比较软，而且带负载能力不强，突加负载时会造成电机的瞬间停转，进而产生不必要的损害（硬件电路图见附录）。图3-2三相桥式电路 3.2 整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时，可以吧晶闸管触发和整流装置当做系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论时，须求出这个环节的放大系数和传递函数实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。如有可能最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即Ud=f(Uc)曲线，图3-3是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计师，希望整个调速范围的工作点都落在近似线性范围之中，并有一定的调节余量。这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定.如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如，党触发控制电压Uc的调节范围是010V，对应的整流电压Ud的变化范围是0220V时，可取Ks=220/10=22.在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。图3-3锯齿波触发器移相特性图3-4整流输出电压图3-4给出了单相桥式整流电路的的触发相位与整流输出电压的波形，假如在时刻触发晶闸管导通，整流装置开始工作，由晶闸管的工作特性可知晶闸管一旦导通，是不能用触发电压来使其关断的，假设在整流输出电压过零前想让整流装置停止工作，此时给出控制信号，但是整流装置不会响应，这样就会造成整流电压滞后于控制电压的状况。于是出现了一个时空电压Ts。显然，失控时间Ts是随机的，它的大小随着Uc发生变化而时刻改变，最大的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源的频率和整流电路的形式有关，由下式确定式中 f 交流电流频率；m 一周内整流电压的脉冲波数。相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 ，并认为是常数。但有时也取 。表2-1列出了不同整流电路的失控时间表2-1 各种整流电路的失控时间整流电路形式最大失控时间ms平均失控时间ms 单相半波2010单相桥式105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67若用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 式（3-1）利用拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为 式（3-2） 由于式（2-2）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（3-2）变成 式（3-3）考虑到Ts很小可忽略高次项则传递函数便近似成一阶惯性环节 式（3-4） 3.3 稳态结构框图和静态特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图8所示。分析静态特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号是调节器退饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。图3-3稳态结构框图3.3.1 转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此 由第一个关系式可得 ，从而得到图3-4静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，,则可以得到关系式。这就是说 CA段特性从理想空载状态的= 0一直延续到= ，而 一般都大于额定电流的。这就是静特性的运行段，他是一条水平的特性。图3-4 系统运行的静特3.3.2 转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，双闭环系统变成一个无静差得电流单闭环调节系统。稳态时= （式3-2） ，其中最大电流由设计者选定，取决于电动机的的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（3-2）所述的静态特性对应于图9的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性值适合于,则,ASR将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭、环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用的“准PI调节器”时，静特性的两端段实际上都略有很小的静差，间图3-4中的虚线所示。3.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 由图3-4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和是，各变量之间的关系= = = （式3-3） （式 3-4） （式 3-5） 上述关系式表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的，的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时由n和决定，或者说同时取决于和。这些关系反映了调节器不同于调节器的特点。调节器的输出量总是正比于其输入量，而调节器则不然，器输出量在动态过程中取决于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提供给多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。 鉴于以上调节器的特点，双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差的稳态计算一样，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数 = （式 3-6）电流反馈系数 = （式 3-7）两个给定电压的最大值和有设计者选定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。134 电流和转速调节器的设计与选择4.1 双闭环调速系统数学模型的建立 4-1双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。 双闭环调速系统属于多环控制系统，设计这种系统的方法就是由内环向外环逐一进行。就此而言，就是从内环开始，也就是从电流环开始设计，再把电流环看成转速环的一个环节，在进行转速调节器的设计。根据对闭环工作的要求，把环校正成典型系统，然后设计出合适的调节器，最后求出调节器的各参数。4.1.1 电流环结构的简化实际系统中，电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比反电势E快得多。E对电流环来说，是一个变化缓慢的扰动，可以认为E基本不变。忽略E的影响。使电流环的结构简化。如下图图4-2 电流环结构化简1再将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效地置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。见图4-3图4-3电流环结构化简2最后考虑反馈滤波时间常数和晶闸管变流装置平均延迟时间常数Ts都比T1小得多，可以当作小惯性环节处理。电流环的结构图最终简化如图4-4，可知电流环控制对象的传递函数中具有两个惯性环节。图4-4 电流环结构化简3 4.1.2 确定时间常数整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。电流滤波时间常数: Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小时间常数近似处理。4.2 转速调节器的设计电流环用其等效传递函数代替后，整个转速调节系统的动态结构图如图3.5所示。图4-5 转速环结构图同理，将其等效为单位负反馈的形式，即把给定滤波器和反馈滤波器等效地移到环内，且近似处理为小惯性环节TnTon2Ti则转速环结构图可以简化成图4-6所示图4-6 转速环结构图化简可以看出，转速环的控制对象是由一个积分环节和一个小惯性环节组成。根据调速系统稳态时无静差和动态时有良好的抗扰性能两项要求，在负载扰动点之前必须含有一个积分环节，因此转速环应该按典型型系统设计-实际系统的转速调节器饱和特性会抑制典型型系统的阶跃响应超调量大的问题。选用PI 调节器可把转速环校正成典型型系统，其传递函数为：(s)= 式(4-1) 式中 Kn一一转速调节器的比例系数； n一一转速调节器的超前时间常数。调速系统的开环传递函数为 式式 sh式中=R/(nCeTm)为转速环的开环增益。不考虑负载扰动时，校正后的转速环结构图如图4-7 图3-7 化简后的转速环结构图4.3 确定时间常数电流环等效时间常数 (4-3) 转速滤波时间常数Ton=0.014s转速环小时间常数近似处理 (4-4) 4.4 选择转速调节器结构与参数（2）按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器。（2）选择调节器的参数 (4-5) 转速开环增益： (4-6) ASR的比例系数： (4-7) 转速截止频率为： (4-8) 电流环传递函数简化条件： (4-9)检验转速超调量当h=5时，,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量: 式 (4-10)满足设计要求。185 双闭环调速系统仿真5.1概述利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。对工程实践中用得最多的典型型系统和典型II型系统的设计方法进行了详细的分析，在此基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对工程设计方法的理解。5.2 系统动态结构的MATLAB仿真直流电机的额定参数为：、，采用三相桥式整流电路，其电阻0.7，平波电抗0.3H,最大给定电压ASR、ACR限副输出 堵转电流临界截止电流励磁电流1A，励磁电压DC180V。系统仿真目标设定为：（1）稳态指标：调试范围 D=20，静差率S=10%；（2）动态指标：电流超调量： 转速超调量：过渡过程时间： 图5-1动态结构仿真模型利用MATLAB6.5建立的系统动态结构仿真模型如图4-1所示按照前述的工程设计方法各参数的计算如下：电流调节器的参数计算如下电流反馈系数 = 式（5-1）电机转矩的时间常数 = 式（5-2）电机的电磁时间常数 =s 式（5-2）三相晶闸管整流电路的平均失控时间 式（5-3）电流环的小时间常数 式（5-4）电流调节器的PI参数设定 式（5-5） 式（5-6）转速调节器的参数计算 式（5-7）= 式（5-8）5.3 仿真模型的建立(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileNewModel菜单项实现。(2)把转速电流双闭环直流调速系统的仿真结构模型编辑窗口图5-2 双闭环的启动和抗扰波形图(3)仿真结束。设定仿真参数后，仿真的输出图形如下图4-3电流的动态响应过程图5-4 转速的动态响应过程从图4-3和图4-4可知，电流的起动敬礼了电流上升、恒流升速和转速超调三个阶段。电流环发挥了调节作用使电流限制在设定的范围内。而转速则基本维持在恒速范围内，在0.8s是突加1/2额定负载后，电机的电流上升，而转速稍微下降，进过0.2s的调节，转速恢复到给定值。满足了预定的设计要求。5.4 系统的整体结构的仿真将直流电机的仿真模型和以上的歌调节器相结合，并且把整流桥的设计模型也相连接，得到的整体结构如图5-5所示。图5-5系统的整体结构的仿真图 5.5流电压源模块对话框图5-6阶跃输入模块对话框图5-7交流电压源模块对话框 图5-8三相可控整流电路模块对话框图5-9直流电机模块对话框5.6仿真图形启动仿真后所得的电枢电流、转速和电枢电压的输出波形如下图所示，模型中转速反馈和电流反馈取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减少了测速和电流检测环节，但这不会影响仿真性能，电流调节器的输出端接的是移相特性模块。该图与前述的动态结构图的不同之处就在于，以晶闸管整流器和电动机模型取代了动态结构框图中的晶闸管整流器和电动机的传递函数，由于动态结构框图中的晶闸管整流器和电动机是线性的，其电流可以反向，而实际的晶闸管整流器的电流时不能反向的，因此仿真的结果略有不同。图4-10是电动机的电枢的端电压，图4-11是电动的转速响应波形，图6-7是电动机的电枢电流的响应波形，从图中可知，起动阶段，电机以恒流起动，在0.4s是起动过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且大于1450r/min，尽管转速一超调，电流的给定变负，单本系统是不可逆调速系统，晶闸管装置不能产生反向电流，这时电枢电流为零，电动机的电磁转矩也为零，没有反向制动转矩，又因为是在理想空载状态起动，所以电动机保持在最高转速状态，0.5s是加上负载，电机转速下降，转速调节器开始退饱和，电流环发挥作用，使电动机稳定在给定转速上。这个结果与安双闭环调速系统的结构框图分析的结构有所布偶那个，不同在于，在动态结构狂图中由于晶闸管整流器的传递函数述线性的输出电压可变负，电机的电流出现复制，因此从调节过程来看，安、按动态结构框图的仿真调节转速快，对于电机带负载的情况同样如此。图5-10 电压波形图5-11转速波形 图5-12负载电流波形26总 结实践过程中自主查表，小组合作，共同探讨方案，选择器件，检验正误，系统地把所学习过的课程电力电子技术、PLC电气控制技术、电力拖动自动控制系统等进行了融会贯通，知识的交错运用以实现实际功用。同时也是第一次系统的查阅技术手册，如电气传动自动化技术手册；第一次画完整的A2电气大图，从布局到各器件工作原理都要有系统的认识。加强了系统综合运用知识的能力，同时很多知识也得以深化理解，逐步培养了基本的科学设计素养，为以后的科学设计打下坚实基础。同时要感谢老师的详细指导以及同学的交流合作，在大家的共同努力下才得以完整实现本次设计。认真地完整这次课设使我对工业电气的工作过程以及器件的选择和保护等等实用问题都有了深刻体会，为以后的实际工作打下基础。总之，这是一次受益匪浅的课程设计，学以致用才能真正体会到知识的实际价值以及享受到探索解惑的乐趣。 27致 谢到此，经过半年的毕业设计也差不多就要结束了，有种成功的喜悦，也只有在这个时候，淡忘了期间受挫的伤感。当然，我一个人的力量还是有限的，这要多多感谢我的指导老师张老师，他总是孜孜不倦的教导着我们，耐心的给我们指点，不论是学习还是生活上的困难。无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了张老师悉心细致的教诲和无私的帮助。张老师严谨的治学风范，朴素热情的性格，诲人不倦的精神使我受益匪浅，也是我今后学习的楷模。同时也非常的感谢我所以的专业老师，他们用自己独特方式在平时传授我们专业知识，在做论文的时候，他们不疲不倦教授我各种对论文有帮助的想法和做法。还要感谢那些在直流电动机调速方向上有所成就的专家，学者。没有你们刻苦钻研，没有你们的文献，后人很难会在这方面有更一步的拓展。整个设计过程还得到了很多同学的鼓励与指导，感谢所有我曾与之朝夕相处、并肩学习的的同学们，是他们为我营造了一个温暖的集体和优越的学习环境，并在学习中提出了很多好的建议，给我很大的启发。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢!28参考文献1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京:械工业出版社, 2004.2 王兆安, 黄俊. 电力电子技术M. 北京:械工业出版社, 2002.3 林飞,杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真M,北京:中国电力出版社, 2009.4rideland.Advanced Control System Design.Prentice Hall Inc.1996.5Stephen P.Boyd,Craing H.Barratt.Lineatt Controller Design.Prentice-Hall,Lnc,1991.6电子CAD软件及机械CAD软件7张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.8王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.9周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.10陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京： 机械工业出版社. 200511石玉等电力电子技术题例与电路设计指导北京：机械工业出版社，199812 邵群涛主编.电机及拖动基础. 北京：机械工业出版社，199913王离九等电力拖动自动控制系统武汉：华中科技大学出版社，附录1带钢冷轧机直流调速系统设计与仿真指导老师：张道海 课题名称带钢冷轧机直流调速系统设计与仿真所需人数2课题设计要求1、已知参数直流电机参数：PN0.85kw；Ue=110V； IN=9.8A；ne=1500r/min采用三相桥式整流电路，其电阻0.7，平波电抗0.3，GD2