电气毕业论文-范本

本科毕业设计说明书(论文）第33页共33页1引言调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。1.1直流调速系统的概述由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如海洋钻探、纺织、轧钢、矿山、采掘、金属加工、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。随着GTO晶闸管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的问世，这些有自断能力的器件逐步取代了原来普通晶闸管系统所必须的换向电路，简化了电路的结构，提高了效率和工作频率，降低了噪声，缩小了电力电子装置的体积和重量。谐波成分大、功率因素差的相控变流器逐步被斩波器或脉冲宽度调制器所代替，明显的扩大了电动机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因素。PWM电源终将取代晶闸管相控式可控功率电源，成为电源的主流。随着信息、控制与系统学科以及电力电子的发展，电力拖动系统获得了迅猛发展，从旋转交流机组到水银整流器静止交流装置、晶闸管整流装置，再到众多集成电力模块。目前完全数字化的控制装置已成功应用于生产，以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正处在形成和不断完善之中。1.2本章小结本章介绍了直流调速系统的研究前景及其优点。

2单闭环直流调速系统2.1开环调速系统及其特性2.1.1V-M系统简介晶闸管—电动机调速系统(简称V-M系统)，其控制系统原理图如图2.1所示。图2.1V-M开环控制系统原理图其主要包括电力主电路和控制电路两部分，V-M直流开环调速系统的主电路由晶闸管变流器VT，电抗器L以及直流电动机M组成。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相或三相的半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。开环系统的结构简单，成本低。在对静差率要求不高的场合，它也能实现一定范围内的无级调速。但是，许多生产机械常对静差率有一定的要求，以满足工艺的需求。在这些情况下，开环系统是不能满足的。2.1.2V-M系统的开环机械特性当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为 (2.1)式中是电机在额定磁通下的电动势系数，改变控制角，得一簇平行直线。当电流断续时，由于负载电流较小或回路电感量小而使电动机电枢电流断续，此时机械特性方程要复杂得多 (2.2) (2.3)式中是阻抗角，q是一个电流脉波的导通角。当阻抗角j值已知时，对于不同的控制角a，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到为止，当时，电流便连续了。对应于的曲线是电流断续区与连续区的分界线。下图是完整的V-M系统的机械特性图，如图2.2所示。图2.2完整的V-M系统机械特性综上所述，改善电动机的运行特性，常在主电路串联较大的平波电抗器或避免在轻载下运行，以保证晶闸管电流连续，使系统工作在机械特性曲线状态。2.2单闭环直流调速系统在直流电动机调速系统中，输入电压信号记做。直流电动机是被控对象，直流电动机转速n是被调量，如果被控量n与输入电压信号之间通过反馈环节联系在一起形成闭合回路，则构成闭环调速系统，如果只有一个反馈环节，称为单闭环调速系统。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。转速反馈控制的闭环调速系统，其原理如图2.3所示。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器，产生电力电子变换器所需的控制电压，用以控制电机的转速。图2.3采用转速负反馈的闭环调速系统原理图2.2.1单闭环调速系统的稳态特性分析对闭环调速系统的稳态特性分析先作如下假设：(1)忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都呈线性关系。(2)假定只工作在V-M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：QUOTE放大器：QUOTE晶闸管整流与触发装置：QUOTEV-M系统开环机械特性：QUOTE测速发电机：QUOTE其中，QUOTE——放大器的电压放大系数；QUOTE——晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数；QUOTEα——测速反馈系数，单位为Vmin/r。闭环特性曲线方程式 (2.4)式中QUOTE为闭环系统的开环放大系数，这里是以QUOTE作为电动机环节的放大系数的。2.2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 而闭环时的静特性的关系式(2.4)，则比较两式可以得出以下结论：(1)闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。(2)闭环系统的静差率比开环系统小得多。(3)当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。(4)要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。综上所述可得：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。开环机械特性和闭环静特性的比较如图2.4所示。图2.4开环机械特性和闭环静特性的比较由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。2.2.3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QUOTE和QUOTE最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即 (2.6)其中QUOTE和QUOTE一般都指电机额定负载时的转速。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QUOTE，与理想空载转速QUOTE之比，称作静差率s，即 (2.7)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，则该系统的静差率应该是最低速时的静差，即于是QUOTE，而调速范围为将上面的式代入，得 (2.8)式(2.8)表示变压器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，它的特性硬度或QUOTE值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是要求s越小，系统能够允许的调速范围也越小。2.2.4反馈控制规律从静特性分析中可以看出，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，系统的稳态性能越好，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，即=常数，稳态速差只能减小，不能消除，因为闭环系统的稳态速降为 (2.9)只有K=∞才能使QUOTE，而这是不可能的。2.3无静差单闭环直流调速系统及其特性2.3.1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2.5所示。图2.5比例放大器(也称比例调节器、P调节器)分别为放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，放大系数为 (2.10)2.3.2比例积分放大器采用比例积分调节器时，如果对系统的稳态精度要求很高，常需要放大系数大，但却使系统不稳定；如果加上校正装置，系统就稳定了，但快速性却下降了；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰。比例积分调节器线路图如图2.6所示。图2.6比例积分调节器线路图2.3.3无静差调速系统的引入在有静差转速负反馈单闭环直流调速系统中，由于采用了比例调节器(P调节器)，因而稳态时的转速只能接近于给定转速值，而不可能完全等于给定转速值。提高开环增益只能减小转速降落而不能完全消除转速降落。为了完全消除转速降落，实现转速无静差调节，根据自动控制原理，可以在转速系统中引入积分控制规律，用积分调节器(I调节器)或比例积分调节器代替比例调节器。虽然积分调节器能使系统在稳态时无静差，但是它的动态响应很慢，因为积分增长需要时间，控制作用只能逐渐表现出来，与此相反，采用比例调节器虽然有静差，动态反应却比较快，如果既要静态准，又要动态响应速度快，可以采用比例积分调节器。考虑PI调节器输出量的初始值不为0的情况，由带限幅作用的PI调节器构成的无静差调速系统工作在稳态时，各环节的稳态关系如下：电压比较环节：PI调节器：触发装置和电力电子变换器：测速反馈环节：调速系统开环机械特性：根据上述各环节的稳态关系，调速系统的开环机械特性受PI调节器的输出的影响较大，而的具体值要根据PI调节器是否饱和而定。如果PI调节器工作在不饱和状态，当偏差电压时，其输出电压维持一个恒定的值；如果PI调节器工作在饱和状态，则只要偏差电压，其输出电压就等于PI调节器的限幅值。2.4带限流保护的有静差和无静差单闭环直流调速系统及其特性2.4.1问题的提出为了实现电动机的快速起动，很多生产设备需要直接加阶跃给定信号。由于系统的机械惯性比较大，因而电动机的转速不能立即建立起来，尤其起动初期转速反馈信号时，加在比例调节器输入端的转速偏差信号，几乎是稳态工作时的1+K倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，直流电压一下子达到了最高值，对电动机而言，相当于全压起动，而直流电动机的起动电流也高达额定电流的几十倍，过电流保护继电器会使系统跳闸，电动机无法起动。为了避免起动时的电流冲击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在电压可调的场合则采用降压起动。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头等，在这些情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。因此，引入电流负反馈，就能够做到保持电流基本不变，使它不超过允许值。限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随负载增减。可以采用某种方法，当电流达到一定程度时才接入电流负反馈，以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速，这种方法叫做电流截止负反馈。转速单闭环直流调速系统中的电流截止负反馈环节如图2.7和图2.8所示。对图中一些参数说明如下：为电动机等效主电路的回路电流；为电流反馈信号；为稳压管的击穿电压；为比较电压。图2.7利用独立直流电源作比较电压图2.8利用稳压管产生比较电压电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻，正比于电枢回路电流。当电流(为电流截止负反馈环节起作用的临界截止电流)时，将电流反馈信号加到放大器的输入端；当电流时，将电流反馈环节切断。为了实现上述作用，引入了比较电压。图2.7中利用独立的直流电源作为比较电压，其大小可通过电位器调节，相当于调节截止电流。调节过程如下：在与之间串联一个二极管，当时，二极管导通，反馈电压，电流负反馈信号Ui即可加到放大器输入端，此时电流负反馈起作用；当时，二极管截止，电流负反馈信号消失。显然在这一线路中，截止电流。电流截止负反馈环节输入输出特性如图2.9。Ui(IdRs-Ucom)图2.9电流截止负反馈环节输入输出特性2.4.2带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态分析特点：当时，电流截止负反馈环节被截止，系统的稳态特性仅有在给定型号作用下的转速负反馈直流调速系统的静特性，即有 (2.11)(2)当时，电流截止负反馈环节被引入，得到带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的静特性方程为 对应式(2.11)和(2.12)画出静特性，得到电流截止负反馈环节静特性如图10所示。电流截止负反馈不起作用时，相当于图中的CA段，显然是比较硬的；电流截止负反馈起作用后，相当于图中的AB段。从式(2.12)可以看出，AB段特性和CA段相比有两个特性：电流负反馈参与调节后，系统的静态速降大大增加，相当于主电路串入了一个大电阻KpKsRs，随负载电流Id的增大，转速急剧下降，直至堵转。比较电压Ucom和给定电压作用一致，把理想空载转速大大提高了，即把提高到图中的D点。实际上虚线画出的DA段在正常运行时是不起作用的。图2.10带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性这两段特性通常称“下垂特性”或“挖土机特性”。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流。在式(2.12)中，令转速n=0，则得到堵转电流(2.13)一般，因此 (2.14)在设计电流截止负反馈环节参数时，一般按照下面的经验依据：应小于电动机允许的最大电流，可按电动机的短时过载能力选择堵转电流Idbl≤(1.5~2)IN倍；另一方面，从调速系统的稳态性能上，希望CA段的运行范围足够大，截止电流应大于电动机的额定电流，一般取Idcr≥(1.1~1.2)IN。2.4.3带电流截止负反馈的PI控制无静差系统由比例积分调节器构成的无静差系统可知，在转速单闭环直流调速系统中，如果采用积分控制器和比例积分控制器来调节电动机转速，则可以实现无静差调速。如果考虑到无静差单闭环调速系统的起动和堵转情况下电流过大的问题，则与带电流截止负反馈有静差调速系统一样：首先，无静差系统中要引入电流负反馈，自动控制电流；其次，为了解决电流负反馈在限流的同时会使系统的特性变软的问题，系统中必须引入电流截止负反馈环节。假设系统中电流检测环节的比例系数为，允许电枢电流截止负反馈的临界电流为，则有，。当电流小于截止电流时，电流截止负反馈环节不起限流保护作用，此时系统中仅存在转速负反馈环节，调速系统就是一个由比例积分控制器构成的无静差转速单闭环调速系统；当电流超过截止电流时，高于稳压管VST的击穿电压，使晶体三极管VST导通，则PI调节器的输出电压接近于0，转速负反馈信号和电流负反馈信号同时起作用，使PI调节器的输出迅速下降，迫使电力电子变换器的输出电压急剧下降，从而有效的达到限制电枢电流的目的。带电流截止负反馈的PI控制无静差转速单闭环直流调速系统的稳态结构如图2.11所示。在系统正常工作时，即当电流时，电流截止负反馈环节不起作用。图2.11带电流截止负反馈的无静差转速单闭环直流调速系统的稳态结构图带限流保护的PI控制无静差调速系统的静特性分析如下：当电流小于截止电流时，电流截止，系统是一个转速负反馈单闭环调速系统。在稳态时，由于比例积分调节器的作用，调节器偏差电压为0，即有即稳态时，电动机转速为(即带电流截止保护无静差调速系统的特性方程)。显然，在转速负反馈系数一定时，电动机转速仅仅和给定电压有关，而与负载电流扰动量无关，此时，系统的静特性为对应不同转速时的一族水平线。当电流突然变化，引起转速n升降时，依靠转速负反馈作用，可以使转速调节到稳定值。系统的调节物理过程叙述如下：当负载突然增加时，负载电流增大，电动机转速下降，转速反馈电压减小，则给定电压和之间的偏差电压信号增加，使得比例积分调节器的输出电压增大，迫使电力电子变换器的平均输出电压增加，从而使得电枢电流上升，电动机转速回升，直到PI调节器输入偏差信号再次为0，系统重新工作在稳态。当电流Id大于截止电流Idcr时，转速负反馈继续起到调节转速的作用，同时电流负反馈环节开始起作用，限制电流过大。在稳态时，比例积分调节器综合输入信号仍为0，即有可得到系统的静特性方程为 (2.15)显然，当时，随着电流的增加，电动机转速将急剧下降，基本上接近一条垂直线，整个静特性近似是矩形。同样地，在电流的情况下，当负载电流突然变化，引起转速升降时，系统通过自动调节可以重新回到原来的稳态工作点。其物理调节过程如下：当电流增加时，电流反馈信号增大，比例积分调节器反向积分，使调节器输出电压减小，电力电子变换器的输出电压减小，电动机转速下降，转速反馈电压减小，当综合输入信号为0时，PI调节器停止积分，其输出电压维持在一个恒定值，系统重新进入新的稳态。当电动机转速为0时，其对应的电流为堵转电流。2.5本章小结本章介绍了开环调速系统、闭环调速系统的原理，并对开环系统和闭环系统进行了比较。对P、PI控制器原理进行了分析，阐述了各自的优缺点。在起动电流较大的基础上引入了电流截止负反馈环节，对带电流截止负反馈的有静差和无静差调速系统的特性进行了分析和研究。

3MATLAB与控制系统仿真MATLAB是一种科学计算软件。MATLAB是一种以矩阵为基础的交互式程序技术语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便，输入快捷，运算效率高，适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此，自MATLAB软件问世以来，其应用范围越来越广，软件工具越来越完善。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。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。MATLAB具有以下主要特点，非常适合于控制系统的仿真：(1)强大的运算功能。MATLAB提供了向量、数组、矩阵、复数运算，高次微分方程求解，常微分非常的数值积分等强大的运算功能，这些运算功能是控制理论及控制系统中经常遇到的计算问题得以顺利解决。(2)特殊功能的TOOLBOX工具箱。MATLAB的TOOLBOX工具箱包括控制领域里的常用的算法包，如模糊控制工具箱、鲁棒控制工具箱等，这些工具箱使得控制系统的计算和仿真变得方便。(3)高效的编程效率。MATLAB提供了丰富的库函数，这些库函数都可以直接调用，而不必将其子程序的命令或语句逐一列出，大大提高了编程效率。在科学与工程应用的数值领域里，MATLAB与其他设计程序相比，编程效率提高了好几倍。3.1本章小结本章对MATLAB软件做了简答介绍，介绍了MATLAB软件在控制系统中的特点。

4单闭环直流调速系统的MATLAB仿真4.1开环直流调速系统的建模和仿真开环直流调速系统的电气原理结构如图2.1所示，该系统由给定信号、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4.1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4.1开环直流调速系统仿真模型4.1.1参数的设置和计算直流电动机额定参数为220V，136A，1460r/min，，，飞轮转动惯性为GD2=22.5Nm2，电动机系数，励磁电压=220V，平波电抗器，采用三相全控桥式整流电路。根据以上数据和稳态要求计算参数如下：整流变压器二次侧额定相电压的有效值为电动机参数计算：励磁电阻励磁电感在恒磁场控制时可取0。电枢电阻，电枢电感由下式估算电枢绕组和励磁绕组互感可按以下步骤计算转矩系数则电枢绕组和励磁绕组互感电动机转动惯量额定负载转矩按照上述计算，系统的各仿真模块的参数设计如下：(1)交流电源的参数设置：三相电源的交流相电压取142V，频率50Hz，A相初相相位设置成，三相相位互差。(2)SCR整流桥参数设置：桥臂数为3，端口A、B、C设为输入端，，，“PowerElectronicdevice(电力电子设备)”选为“晶闸管”，其它为默认值。(3)平波电抗器的参数设置：“SeriesRLCBranch”模块中，令，，。(4)直流电动机的参数设置：励磁电源的电压设为220V，电动机的参数采用上述计算的结果。(5)6脉冲触发器的频率设为50Hz，脉冲宽度为10，勾选“Doubleplusing”。(6)转速给定电压设为150V。(7)仿真算法选择ode23s，仿真结束时间4s。参数设置完成后，即开始进行仿真，电机MATLAB模型菜单中的运行图标，系统即开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。双击示波器命令后，通过示波器模块观察直流电动机的转速、电流、转矩等信号的仿真波形如图4.2所示，图中从上到下分别为电动机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的仿真波形。在MATLAB命令窗口输入绘图命令plot(i,n)，可得到开环机械特性曲线如图4.3。输入绘图命令：set(0,'ShowHiddenHandles','On')set(gcf,'menubar','figure')可以多输出图形进行编辑，最终的输出图形如图4.4。图4.2开环调速系统仿真波形分析：由图4.2可以看出，在给定电压为150V，负载时阶跃信号，开始时负载转矩为171Nm，1秒以后负载转矩变为50Nm，转速和电流均发生了变化，当直流电动机刚起动时，起动电流突然增加到820A，转速很快上升，此后，电流开始下降，转速继续上升，大约在0.25s，转速达到最大值，最终稳定速度在1570r/min，电动机电枢电流下降并稳定在137A。1秒中时，负载发生变化，电流继续下降，转速继续上升，最终稳定速度在1730r/min，不能回到以前的转速，电动机电枢电流稳定在40A。可见开环直流调速系统中转速不具有可控性。图4.3开环机械特性曲线分析：由图4.3可以看出，开环的机械特性曲线是一条倾斜率很大的线，机械特性软，抗干扰能力不强。4.2有静差单闭环直流调速系统的建模和仿真转速负反馈的有静差直流调速系统由转速给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流器、平波电抗器、直流电动机、测速发电机等组成。该系统在电机负载增大时，转速将下降，转速反馈减小，而转速偏差将增大，同时放大器的输出增加，并经移相触发器使整流器输出电压、电枢电流增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。带转速负反馈的直流调速系统稳态方程为，转速降为，其中，从稳态特性方程可以看出，如果适当增加放大倍数，电动机的转速降将会减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持稳定性的性能。如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。根据原理图2.3构建的单闭环有静差负反馈调速系统的仿真模型。与开环直流调速系统相比，二者在主电路的建模和模型参数设置基本是相同的，系统的差别主要在控制电路上，有静差单闭环直流调速系统的仿真模型如图4.4所示。图4.4有静差单闭环直流调速系统的仿真模型单闭环有静差转速负反馈调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈等环节组成。根据需要增设了限幅器和自定义的函数模块Fcn。有静差调速系统的速度调节器采用比例调节器。当给定信号为正值时，通过放大器输出的信号反向，再通过限幅器和自定义函数90-6*u后作为同步触发器的移相控制信号。4.2.1参数设置给定信号设为150V，转速反馈系数，限幅器的范围是[-40，40]，放大倍数和时的转速响应曲线如图4.6。图4.5有静差调速系统仿真波形分析：由图4.5可以看出，在给定参数的条件下，电动机的转速达到1450r/min，由于没有限流措施，在起动过程中的电流很大，达到820A，这么大的起动电流很容易烧毁电动机，而且对过载能力低的晶闸管整流来说更是不允许的。图4.6k=5和k=30时转速响应曲线分析：由图4.6可以看出，随着放大倍数的增加，转速降落降低，系统的转速虽然上升了，但是放大倍数并不是越大越好。当0<Kp<Kpcr(Kpcr时临界放大倍数)时，控制系统是稳定的，转速响应仿真曲线最终稳定在给定转速；在时，控制系统是不稳定的，转速响应仿真曲线处于不稳定状态，如图4.7。图4.7k=5和k=400时转速响应曲线图4.8有静差静特性仿真曲线分析：由图4.8可知，比较开环系统机械特性和闭环系统静特性，闭环系统的静特性曲线比开环机械特性硬的多，能够在保证一定转差率的要求下，提高调速范围。4.3无静差单闭环直流调速系统的建模和仿真PI控制的无静差单闭环转速负反馈直流调速系统的电气设计原理图如图4.9，和有静差单闭环转速负反馈直流调速系统相比，二者仅是控制电路中转速调节器ASR采用控制的类型不同。图4.8PI控制的无静差单闭环转速负反馈直流调速系统的电气设计原理图PI调节器的仿真模型及其封装如图4.10和图4.11。图4.10PI调节器的仿真模型图4.11封装后的PI调节器仿真模块控制电路中的PI调节器的仿真模型采用比例积分调节器，PI调节器的输入信号为转速给定和转速反馈信号之间的偏差信号，其输出信号为触发器控制信号。4.3.1参数设置设该系统的给定电压150V，PI调节器的积分时间，放大倍数。系统无静差时，系统给定转速信号和转速反馈信号近似相等，即。因此，转速反馈的系数可以采用公式估算，这样给定信号经过PI调节器，再通过限幅器和自定义模块90-6*u后作为同步触发器的移相控制信号。限幅器的范围仍是[-50，50]。同样在单闭环无静差系统中通过PI控制器、限幅器、自定义模块90-6*u等模块的作用，就可以将速度调节器的输出限制在使同步脉冲触发器正常工作的范围之内了。图4.12无静差调速系统的仿真波形分析：调速系统的仿真结果如图4.12所示，当直流电动机刚起动时，起动电流突然增加到820A，之后电流开始下降，大约在0.4s以后，最终稳定在137A，转速n在0.25s时基本上达到稳定，稳定值为1465r/min，系统基本上满足稳定关系式，可以认为实现了转速无静差。如果假设调速系统为单位负反馈系统，即，则在给定转速电压的条件下，当放大倍数，积分时间常数时，可以基本上做到转速无静差。从图中可以看到，电流开始有一个突变，不过随着转速的增加，电流在逐渐减小，然后再经过PI调节器进行调节，电流基本上稳定。4.4带限流保护的有静差单闭环直流调速系统的建模和仿真带电流截止负反馈的P控制有静差转速负反馈调速系统的电气原理结构图如图4.13和不带电流截止负反馈的P控制有静差转速负反馈调速系统相比，主电路完全一样，都是由三相交流电源、三相全控晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等环节组成的，仅在控制电路增加了一个电流截止负反馈限流保护环节。为了限制电动机的起动电流，在P控制有静差转速单闭环直流调速系统的仿真模型的基础上，考虑了增加电流截止负反馈环节的环节。如图4.13，在仿真模型上增加了由电流反馈i-feed和死区模块DeadZone组成的电流截止环节。图4.13带电流截止负反馈的P控制有静差转速负反馈调速系统的电气原理结构图4.4.1主要参数的设置设定电流临界值，则DeadZone模块的死区区间应选择[-163，163]。即当电动机电枢电流值小于DeadZone模块的死区区间值时，DeadZone模块没有输出，电流截止负反馈不起作用；当电流反馈信号大于DeadZone模块的死区区间值时，DeadZone模块的输出抵消了一部分转速的给定信号，电流截止负反馈进入工作状态。设转速给定电压信号为150V，P调节器的放大倍数，转速反馈系数，电流反馈系数，限幅器的上下限为[-50，50]。图4.14带限流保护的有静差调速系统的仿真波形分析：从图4.14可以看出，起动瞬间，电流达到440A，之后到0.6s时转速稳定在1450r/min，电流稳定在135A。图4.15带限流保护的静特性曲线图4.16有电流截止负反馈和无电流截止负反馈的转速的比较分析：图4.16中给出了在仿真参数设置相同的情况下，不带电流截止负反馈和带电流截止负反馈时的有静差单闭环调速系统的电动机转速进行了比较，从图中还可以看出，加入电流截止负反馈环节以后，电动机的起动时间显然延长了，也就是说，带电流截止负反馈环节的有静差单闭环调速系统的快速性比不带电流截止负反馈环节时要慢。图4.17有电流截止负反馈和无电流截止负反馈的电流的比较分析：对图4.17的仿真结果进行比较分析可以看出：不带电流截止负反馈环节的有静差单闭环直流调速系统的电动机起动电流最高值为820A，加入电流截止负反馈限流环节后，有静差单闭环直流调速系统的起动电流最高值为440A，很显然，电动机的最大起动电流值得到了有效的抑制。在电枢电流大于设定的临界电流163A时，电流截止负反馈环节抑制起着限流作用；当电枢电流基本上稳定在136A时，电枢电流小于临界电流，电流截止负反馈环节失去了限流作用，此时，系统中仅有转速反馈环节起恒速调节作用。因此，带电流截止负反馈的有静差直流调速系统的转速和电流波形的仿真分析结果和理论分析结果是一致的。4.5带限流保护的无静差单闭环直流调速系统的建模和仿真带电流截止负反馈环节的比例积分控制无静差转速单闭环调速系统的仿真模型如图4.18，和带电流截止负反馈环节的P控制有静差转速负反馈调速系统的仿真模型相比，仅是控制电流中的转速调节器ASR的类型不同，前一系统中的ASR采用PI调节器，后一系统中的ASR采用P调节器。比例积分仿真模型及其封装后的子系统和前面一样，电流截止负反馈环节仍由电流反馈系数和死区模块DeadZone组成。图4.18带电流截止负反馈的PI控制的无静差转速单闭环直流调速系统的仿真模型4.5.1参数设置转速给定电压信号为150V；PI调节器放大倍数为；转速反馈系数，电流反馈系数，积分时间；电流截止负反馈环节的临界电流，DeadZone模块的死区区间为[-163，163]，限幅器的上下限为[-50，50]。图4.19带电流截止负反馈的无静差直流调速系统的仿真波形分析：从图4.19中可以看出，起动瞬间达到440A，0.6s之后电流稳定在137A，转速在0.6s时也稳定了，稳定值约为1465r/min，因此，该调速系统的稳态关系基本满足公式，基本上可以实现转速无静差。图4.20带电流截止负反馈和不带电流截止负反馈的转速的比较分析：从图4.20可以看出，加入电流截止负反馈以后，无静差转速单闭环直流调速系统的起动时间延长，系统的快速性降低了。图4.21带电流截止负反馈和不带电流截止负反馈的电流的比较分析：从图4.21可以看出，和带电流截止负反馈环节有静差转速单闭环系统的仿真分析一样，在电动机起动瞬间，带电流截止负反馈环节的无静差转速负反馈直流调速系统的起动电流同样被大大降低了，当电枢电流小于临界电流时，电流截止负反馈环节不再起作用，此时，调速系统的实质就是一个PI控制无静差转速负反馈直流调速系统，电枢电流基本上稳定在额定值136A左右。4.6本章小结本章对开环调速系统、有静差调速系统、无静差调速系统、带电流截止负反馈有静差调速系统、带电流截止负反馈无静差调速系统进行了参数的设置和仿真，并进行了相应的比较，分析不同调速系统的各自特点。

结束语通过本文简单了解了直流调速系统，尤其是单闭环直流调速系统。了解了单闭环直流调速系统中的静态特性和动态特性。通过仿真与实验很好的验证了这些性能。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器。直流调速系统又是运动控制系统的基础，从直流调速系统入手，在建立扎实的直流控制系统分析与设计概念的基础上，再进行交流系统的学习，这样才能能更好的掌握交流调速系统的分析与设计。长期以来，直流调速系统以其优异的性能在工业生产过程中得到广泛应用。近年来，随着大功率晶体管技术的发展，以大功率晶体管作为开关器件的直流脉宽调制系统的已成为直流调速系统的一个新的发展方向。随着计算机技术尤其是单片机技术的发展，数字式直流PWM调速系统正以其控制简便，控制方案可灵活改变等优点越来越引起人们的重视。

致谢经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了。论文得以完成，首先要感谢周香珍老师，因为论文是在周老师的悉心指导下完成的。周老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，她的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，她的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。周老师还要指导其他五位同学的论文，加上本来就有的教学任务，工作量之大可想而知。论文的顺利完成，也离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。

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