直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真

PAGE32毕业设计(论文)BACHELORDISSERTATION论文题目：直流电机晶闸管调速系统的设计与分析学位类别：工学学士学科专业：机械设计制造及其自动化

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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直流电机晶闸管调速系统的设计与分析摘要运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。自动调速系统主要包括直流调速系统和交流调速系统。在高性能的拖动技术领域中，相当长时间内基本采用直流电力拖动系统。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已满足工作机械的要求。从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。本文以直流电动机为对象，先是分析晶闸管电动机调速系统的开环工作机械特性，然后分析单闭环有静差和无静差工作的系统静特性，以及着重对转速、电流双闭环的机械特性设计与分析，并应用MATLAB软件对系统模型进行了仿真研究。关键词：直流电机调速；晶闸管；单闭环；双闭环；MATLAB仿真ThedesignandanalysisofThyristorABSTRACTApplicationinmotioncontrolsystemisthemostcommonformofautomaticspeedcontrolsystem.AutomaticspeedcontrolsystemincludesACvariablespeedDCdrivesystemandthesystem.Draginthehigh-performancetechnology,therelativelylongperiodoftimealmostalltheDCelectricdrivesystem.Inaddition,basedonfeedbackcontroltheorybasedontheprincipleofDCSpeedControlSpeedControlisthebasisoftheexchange.DCconverterisartificiallyorautomaticallychangethespeedofDCmotorhastosatisfytherequirementsofmechanicalwork.Judgingfromthemechanicalcharacteristicsofthemotorisbychangingtheappliedvoltageandotherparametersormethodstochangethemotor'smechanicalproperties,therebychangingthemotorcharacteristicandloadmechanicalcharacteristicsoftheintersection,thestableoperationofthemotorspeedchange.ThispaperfocusesontheSCRmotorspeedcontrolsystemofopen-loopmechanicalpropertiesofthework,singleloopwithstaticerrorandpoorworkingsystemwithnostaticstaticproperties,mechanicalpropertiesandthedoubleclosed-loopsystemclosed-loopcontrolcharacteristicsweretested.AndapplytheMATLABsoftwaresystemmodelwassimulated.Keywords:DCmotorspeed;thyristor；openloop;doubleloop;MATLABsimulation目录摘要 IABSTRACT II目录 III第1章绪论 11.1直流调速系统的概述 11.2课题的提出及研究意义 11.3课题分析与论文主要内容 2第2章晶闸管直流调速系统 32.1晶闸管整流技术 32.2直流晶闸管调速系统 42.3.直流调速系统的控制要求和调速指标 4第3章转速负反馈单闭环直流调速系统的分析 63.1单闭环控制的直流调速系统的组成 63.2转速单闭环直流电机调速系统的静特性 73.3反馈控制闭环直流调速系统的动态分析 83.4单闭环无静差直流调速系统 93.4.1PI调节器 10第4章转速、电流双闭环调速系统及特性和设计 114.1双闭环直流电机调速系统的问题的提出 114.2双闭环直流调速系统的组成与工作原理 124.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 144.4双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析 154.5双闭环直流调速系统的起动过程分析 174.6直流调速系统的理论设计 194.6.1直流调速系统组成及要求 194.6.2电流环的设计 194.6.3速度环的设计 21第五章基于Matlab/Simulink直流调速系统的仿真设计 225.1Matlab/Simulink简单介绍 225.2双闭环系统的建模与参数设置 235.3系统仿真结果的输出及结果分析 25结论 27参考文献 28致谢 29第1章绪论1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2课题的提出及研究意义电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。按照传动电动机的类型来分，电气传动油直流传动和交流传动两大类。尽管目前各种交流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展，但因为直流电机具有较大的启动转矩，良好的启动、制动性能，以及易于在宽范围内实现平滑调速，所以直流调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。1.3课题分析与论文主要内容本课题以直流电动机为对象，第一部分说明晶闸管的整流技术，直流调速系统的主要问题和V-M系统开环特性。为后面研究直流调速系统单闭环，双闭环特性做基础。第二部分为单闭环控制直流调速系统部分，研究单闭环(转速负反馈)有静差和无静差工作的系统静特性并进行相关分析。第三部分为双闭环直流调速系统部分，完成双闭环直流调速系统的机械特性和闭环控制特性研究，并进行相关设计分析。第四部分为软件仿真部分，用MATLAB软件对系统性能进行仿真研究，对仿真结果分析、研究，验证控制方案的合理性。第2章晶闸管直流调速系统2.1晶闸管整流技术晶闸管是PNPN四层三端器件,分别命名为p1、n1、p2、n2四个区，共有三个PN结。晶闸管外形、结构及图形符号如下图2-1所示。图2-1晶闸管外形、结构及图形符号当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。整流是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电供给直流用电设备。整流电路可以分为不可控、半控、全控三种。本论文主要以三相全控整流电路作为可控直流电源供给直流电动机。三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。其电路如图2-2所示图2-2三相桥式全控整流电路原理图2.2直流晶闸管调速系统的调速原理及开环特性晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)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，在图2-3所示的V-M系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。图中VT是相控整流器，通过触发器装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出整流电压，从而实现直流电动机的平滑调速。图2-3直流电机调速系统(V-M系统)的原理图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α→改变Ud→n改变2，触发脉冲的相位控制调节触发装置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：（2.2）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a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a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(a)可用下式表示：（2.3）式中a为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um为a=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，。当0<a<p/2时，Ud0>0，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p/2<a<amax时，Ud0<0，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)（2.4）式中Ce=KeFN—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a，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。图2.4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=（2.5）Id=[cos()-cos(+θ)-θn（2.6）式中ψ=arctan；q为一个电流脉波的导通角。（3）电流断续机械特性计算：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q=2p/3为止，因为q角再大时，电流便连续了。对应于q=2p/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。图2.5完整的V-M系统的机械特性图图2.6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-Δn（2.7）其中：Δn为转速降，Δn越小，机械特性的硬度越大。Δn=IdR/Ce，Δn取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。图2.7断续段特性的近似计算在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。2.3.直流调速系统的控制要求和调速指标何一台需要控制调速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，再稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：（1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速。（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的速度波动，以确保产品质量。（3）加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。（1）调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速n和最低转速n之比叫调速范围，用字母D表示，即D=(2.1)其中的和一般都是指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机床，例如精密磨床，也可以用实际负载时的最高和最低转速。（2）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时对应的转速降落△n，与理想空载转速n之比，称作静差率s，即s=(2.2)显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率s≤5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率s≤0.2%～0.5%。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。第3章转速负反馈单闭环直流调速系统的分析3.1单闭环控制的直流调速系统的组成开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。转速单闭环直流调速系统可以提高调速系统的稳态性能。闭环系统是把反映输出转速的电压信号反馈到系统输入端，与给定电压比较，形成一个闭环。由于反馈的作用，系统可以自行调整转速，这种方式也称为反馈控制。对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电动TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压Un*进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统。图3-1所示为采用晶闸管相控整流器供电的闭环调速系统，因为只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。由图可见，该系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器与触发装置、直流电动机和测速发电机等部分组成。图3-1采用转速负反馈的单闭环调速系统3.2转速单闭环直流电机调速系统的静特性

忽略各种非线性因素，各环节的输入输出关系都是线性；工作在V-M系统开环机械特性的连续段；忽略直流电源和电位器的等效电阻。这样，图3-1所示单闭环调速系统中各环节的静态关系为：电压比较环节：，放大器：，晶闸管整流器与触发装置：，晶闸管整流器与触发装置：，V-M系统开环机械特性：，测速发电机：以上各关系式中：

——放大器的电压放大系数；Ks——晶闸管整流器与触发装置的等效电压放大倍数；

——转速反馈系数，单位为Vmin/r；

——电机反电势系数；根据上述各环节的静态关系可以画出系统的静态结构图如图3-2所示。图3-2转速负反馈单闭环调速系统静态结构图图中各方块中的符号代表该环节的放大系数，或称传递系数。运用结构图的计算方法，可以推导出转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程式：n=-(3.1)式中,——闭环系统的开环放大系(倍)数。

闭环调速系统的静特性：闭环系统电动机转速与负载电流(或转矩)的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，因此称为“静特性”，以示区别。(2)从前面对于闭环系统静特性的分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳态性能影响很大。K越大，稳态速降越小，静特性就越硬，在一定静差率要求下的调速范围越宽。但是，当放大器只是比例放大器(Kp为常数)，稳态速降只能减少而不可能消除，因为(3.2)只有当K=才能使，而这是不可能的。因此，这样的调速系统属于有静差调速系统。这种系统正是依靠偏差来保证实现控制作用的。3.3反馈控制闭环直流调速系统的动态分析闭环调速系统的动态结构：图3-3反馈控制闭环调速系统的动态结构图由图3-3可知，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是W(s)=（3.3）反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为：+++1=0（3.4）根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据稳定条件就只有：-->0，整理后得K<(3.5）式（3.5）右边称作系统的临界放大系数,当K≥时，系统将不稳定。对于自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。3.4单闭环无静差直流调速系统上面介绍的采用比例调节器的单闭环调速系统，其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量。将比例调节器换成比例积分调节器之后，不仅改善了动态性能，而且还能从根本上消除静差，实现无静差调速。采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。从无静差的角度看积分控制优于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。如果既要稳态精度高，又要动态响应快，只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。3.4.1PI调节器如果既要稳态精度高，又要动态响应快，只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现，线路如图3-4所示。图3-4比例积分（PI）调节器1．PI输入输出关系按照运算放大器的输入输出关系，可得（3.6）式中为PI调节器比例部分的放大系数；为PI调节器的积分时间常数。由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。2.PI调节器的传递函数当初始条件为零时，取式（3.6）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。（3.7）令τ1=τ=R1C1，则传递函数也可以写成如下形式(3.8)式3.8表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，t1是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数t的物理意义是不同的。第4章转速、电流双闭环调速系统及特性和设计4.1双闭环直流电机调速系统的问题的提出反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图4-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。实际工作中,在电机最大电流(转矩)受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图4-1b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。IIdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrn(a)(b)(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图4-1调速系统起动过程的电流和转速波形4.2双闭环直流调速系统的组成与工作原理转速电流双闭环直流调速系统的原理如图4.2，直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、单相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。在启动时，加入给定电压U*n，“速度调节器(ASR)”，和“电流调节器(ACR)”，以饱和限幅值限幅值输出，使得电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速，并在出现超调后，ASR和ACR退出饱和，最后稳定在给定转速下运行。在调速系统工作时，要先给电动机加励磁，ASR的输出作为ACR的输入，利用ASR的输出限幅可达到限制启动电流大小的目的。ACR的输出作为“触发电路”的控制电压Uc，利用ACR的输出限幅可以限制整流桥的最大导通角αmax。图4.2双闭环直流调速系统原理框图（注:ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—直流测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子装置Un*—转速给定电压Un—转速反馈电压Ui*—电流给定电压Ui—电流反馈电压）总的来说，双闭环调速系统中两个调节器的作用为：ASR的作用：使转速n跟随给定电压U*n变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。ACR的作用：在电动机起动时，保证获得最大电流，起动时间短，使系统具有较好的动态特性；在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U*i变化；当电动机过载甚至堵时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用，在故障消失后，系统能够自动回复正常；对电网电压波动起快速抑制作用。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图4-3所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环系统的两个调节器ASR和ACR一般采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。nnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG环ni外环内环图4-3转速、电流双闭环直流调速系统4.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性Ks1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE图4-4双闭环调速系统的稳态结构图首先画出双闭环直流系统的稳态结构图4-4，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握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，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和：此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即(4.1)(4.2) (4.3)从而得到图4.5静特性的n0-A段。由，且ASR不饱和得：，说明n0-A段静特性从(理想空载状态)一直延续到，而一般都大于额定电流的。（2）转速调节器饱和：此时，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。双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时有：(4.4)从而得到图4-5静特性的A-B段。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，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，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。图4-5双闭环调速系统的静特4.4双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析UU*nUct-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E图4-6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框图如图4-6所示。图中和分别表示转速调节器和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显露出来。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态跟随性能和动态抗扰性能两种。其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要，它主要表现为抗负载扰动和抗电网电压扰动。动态跟随性能，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。在设计ACR时，应强调具有良好的跟随性能。动态抗扰性能：1．抗负载扰动：由图4-6可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节ASR来产生抗负载扰动的作用。在突加(突减)负载时，必然会引起动态速降(速升)。为了减少动态速降(速升)，所以要求ASR具有较好的抗扰性能。2．抗电网电压扰动：由于电网电压扰动和负载扰动在系统结构图中作用的位置不同，系统对它们的动态抗扰效果就不同。如图4-6所示的双闭环系统中，电网电压扰动和负载扰动都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。从动态性能上看，负载扰动作用在被调量n的前面，可以通过测速发电机检测出来，使负载扰动通过转速负反馈得到及时调节。而电网电压扰动作用在离被调量n更远的位置，转速调节器ASR不能及时对它进行调节，但是因为它作用在被电流负反馈环包围的前向通道上，使电压波动可以直接通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能高。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化比起单闭环系统小得多。4.5双闭环直流调速系统的起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图4.7所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。1，第I阶段（0～t1）是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的跟随作用，使、、都上升，但是在没有达到负载电流之前，电动机还不能转动。当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，,电流调节器很快就压制了不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱。2，第II阶段（t1～t2）是恒流升速阶段。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图4.7）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量（图4-7）。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和。3，第III阶段（t2以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，输出电压和主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，转速将在一段时间内继续上升。直到=时，转矩=，则dn/dt=0，转速n才能到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,电流出现一段小于的过程,直到稳定。图4-7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动过程的三个特点：1．饱和非线性控制：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差系统，而电流内环则表现为电流随动系统。2．准时间最优控制：在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，使系统最快起动，即在电流受限制条件下使系统最短时间内起动。3．转速超调：采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。4.6直流调速系统的理论设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图4-7所示：4-7直流双闭环调速系统动态结构图4.6.1直流调速系统组成及要求参数含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调器如图4-8所示：4-8含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图4.7所示，系统参数如下：电动机：；；；；允许过载倍数：；三相桥式整流装置放大倍数：；电枢回路总电阻：；转矩时间常数：，电磁时间常数：；电流反馈系数：；转速反馈系数：。设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量，启动到额定转速时的转速超调量；4.6.2电流环的设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图4-9所示：4-9含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器1.确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为。2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。3）电流环小时间常数之和。2，选择电流调节器结构根据设计要求：，且，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,把电流调节器设计成PI型,其传递函数为3，选择电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：；电流开环增益：因要求，故取，因此，于是电流调节器的比例系数为4，校验近似条件。电流环截止频率1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：，因为>，所以满足近似条件。2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：，现在=27.1，满足近似条件。3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件：，现在>,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。4.6.3速度环的设计1：确定时间常数。（1）电流环等效时间常数为；（2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取。2：确定将转速环设计成何种典型系统由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。3：转速调节器的结构选择。转速调节器选用比例积分调节器（PI）,其传递函数为：。4：选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为，转速开环增益为所以转速调节器的比例系数为5：校验近似条件转速环截止频率1）校验电流环传递函数简化条件是否满足，由于，满足简化条件；2）校验小时间常数近似处理是否满足条件：，由于，满足近似条件。第五章基于Matlab/Simulink直流调速系统的仿真设计5.1Matlab/Simulink简单介绍利用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。利用SIMULINK软件仿真对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观的得到系统的仿真结果，从而加深对工程设计方法的理解使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用PowerSystem工具箱进行调速系统仿真的新方法。下面就使用PowerSystem工具箱进行双闭环调速系统仿真5.2双闭环系统的建模与参数设置采用PowerSystem模型组装成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图5-1所示。模型有晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速调节器组成的控制电路两部分组成。其中主电路部分，主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、移相控制环节和直流电动机等部分组成。控制回路的主题是转速和回路两个调节器，以及反馈滤波环节，讲两部分拼接起来及组成转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型。参数设置；；；；；；；；；；；；；；；；图5-1转速电流双闭环控制直流调控系统仿真模型5.3系统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。a)b)图5-2晶闸管-电机模型双闭环系统仿真结果a)转速响应b)电流响应下面分析一下仿真结果：启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。如图5-2，在0.2s启动过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且已经超调，电流给定“—”，本系统为不可逆系统，晶闸管整流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，有因为是理想空载启动状态，所以电动机保持在最高转速状态，0.5s后加上负载，电动机转速下降，ASR开始推出饱和，电流环发挥作用，是电动机稳定在给定转速上。在0.6s是突然加1/2额定负载后电动机电流上升转速下降，经过0.2s左右时间的调节转速恢复到给定值。结论通过这次设计，我基本上掌握了直流晶闸管调控系统以及双闭环调速系统的设计与仿真分析。晶闸管-电动机开环系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速，但开环调速系统不能满足对稳定性要求好。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按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。系统中采用比例调节器调节时是有差系统，采用比例积分调节器时是无差系统。用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差。为了解决单闭环调速系统存在的问题，就需采用转速电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。所以双闭环直流调速系统是当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。本文对直流晶闸管调速系统在开环控制和单闭环控制的分析，以及双闭环控制，进行了深入的分析研究，并用计算机仿真工具MATLAB的Simulink工具箱，建立了双闭环系统的仿真模型。由仿真计算结果表明，利用MATLAB的Simulink对直流调速系统进行仿真设计,可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统的调试周期，提高了开发系统的效率。对于调速系统的研究，MATLAB的Simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。参考文献[1]王建辉．自动控制原理．清华大学出版社，2005[2]陈伯时．电力拖动自动控制系统．机械工业出版社，2000[3]洪乃刚．电力电子技术基础．清华大学出版社，2005[4]顾绳谷．电机及拖动基础．机械工业出版社，2007[5]叶斌．电力电子应用技术．清华大学出版社，2006[6]李传琦．电力电子技术计算机仿真实验．电子工业出版社，2005[7]林飞．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2008[8]刘松．电力拖动自动控制系统．清华大学出版社，2006[9]黄忠霖．电力电子技术的MATLAB实践．国防工业出版社，2009[10]李友善．自动控制原理．国防工业出版社，1999[11]洪乃刚．电力电子技术基础．清华大学出版社，2005[12]沈辉．精通Simulink系统仿真与控制．北京大学出版社，2002[13]张德丰．MATLABSimulink建模与仿真．电子工业出版社，2009[14]李先允．自动控制系统．高等教育出版社，2003[15]魏克新．MATLAB语言自动控制系统设计．机械工业出版社，2009致谢在此次毕业设计过程中遇到了许多的问题和难点，但在老师和同学的帮助下，特别是在指导教师夏小虎的帮助和鼓励下，所有困难都得到了解决，使我能够圆满的完成毕业设计任务。在此感谢所有对我进行帮助的老师和同学，特别感谢夏小虎老师，是在他的帮助我的毕业设计才得以完成的。在合肥学院学习生活的四年里，各位任课老师深厚广博的学识使我增长了知识，开拓了视野。除此之外，辅导员老师的谆谆教诲使我从初来的青涩渐渐走向了成熟，不再盲目的憧憬未来，而知道要踏实稳重的走好今后人生的每一段路。四年来，我收获的不仅仅是专业知识，也不仅仅是做人道理，更多的还有对待种种困难的坚强的心态，我会把这些都当作人生道路中难得的财富，因为它们会激励自己不断的前进，使自己更加坚强，同时对生活赋予新的意义。在本论文写作过程中，查阅和参考了众多文献资料，得到了许多教益和启发，在此向参考文献的作者致以诚挚的谢意。最后，再次向帮助我的所有老师表示感谢。同时，向在百忙中抽出时间对本文进行评审，并参与本文答辩相关老师表示衷心地感谢。杨先2013年6月合肥学院主电路图电路目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章总论 1第二章项目提出的背景和必要性 4第一节项目建设背景 4HYPERLINK\