直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)

直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真本科毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

eaaUe （ ） Id= R223 2U [cos( a6)cos( a6+θ ) 22UCe θ n （ ） 式中 ψ =arctanRl ；  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  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  = 2/3 为止，因为  角再大时，电流便连续了。 对应于  = 2/3 的曲线是电流断续区与连续区 的分界线。 图 完整的 VM 系统的机械特性图 图 断续段特性的近似计算 （ 4） VM 系统机械特性的特点 ： 图 绘出了完整的 VM 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=eC1 （ UdoIdR） =n0Δ n （ ） 其中： Δ n 为转速降， Δ n 越小，机械特性的硬度越大。 Δ n= IdR/Ce，Δ n 取决于电枢7 回路电阻 R 及所加的负载大小。 图 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。 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 nmax 和最低转速 nmin 之比叫调速范围，用字母 D表示，即 8 D=minmaxnn () 其 中的 maxn 和 minn 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 N ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s，即 s=0nnN () 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≤%～ %。 在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。 9 第 3章 转速负反馈单闭环直流调速系统的分析 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 nU ，经过放大器 A，产生驱动或触发装置的控制电压 ctU ，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 31 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 31 采用转速负反馈的单闭环调速系 统 10 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 VM 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 31 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： nnn UUU  * ，放大器： nPc UKU  ，晶闸管整流器与触发装置： csd UKU 0 ， 晶闸管整流器与触发装置： csd UKU 0 ， VM 系 统开环机械特性： Ce RIUn dd  0 ， 测 速发电机： nUn  以上各关系式中： pK ——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； eC ——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 32 所示。 图 32 转速负反馈单闭环调速系统静态结构图 11 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=)1( *KCe UKK nsp )1( KCeRId () 式中 , CeKKK Sp / ——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 )1(1 KC RIn e dc  () 只有当 K= 才能使 01 ，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。 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 33 反馈控制闭环调速系统的动态结构图 由图 33 可 知 ，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 12 W(s)=)1)(1( 2  sTsTTsT K mlms （ ） 反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为： 31 sKTTT slm + 21 )( sKTTT slm  + sKTT sm1 +1=0 （ ） 根据三阶系统的劳斯 古尔维茨判据稳定条件就只有： KTTT slm 1 )( KTT sm1 KTTT slm1 0，整理后得 K slsslm TT TTTT 2)(  (） 式（ ）右边称作系统的临界放大系数 crK ,当 K ≥ crK 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。 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。 13 PI 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 34 所示。 图 34 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   dtUUKdtUCRURRU ininpiininex 11 1001 （ ） 式中0RRK ipi  为 PI 调节器比例部分的放大系数； 10CR 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（ ）两侧的拉氏变换，移项后，得 PI 调节器的传递函数。 ssKsKsU sUsW pipiinexpi  11)( )()(  （ ） 令 τ1= piK τ=R1C1，则传递函数也可以写成如下形式 ssKsssW pipi 111 11)(   () 式 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， 1 是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数  的物理意义是不同的。 14 第 4章 转速、电流双闭环调速系统及特性 和设计 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 dcrI 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 41a所。