位置随动系统的matlab计算及仿真毕业设计说明书(编辑修改稿)

位置随动系统的matlab计算及仿真毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

到 dmd II  ，而 dmI 一般都是大于额定电流 dNI 的。 这就是静特性的运行阶段，它是一 图 23 双闭环直流调速系统的稳态结构框图  转速反馈系数  电流反馈系数 条水平的特性。 2．转速调节器饱和 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 这时， ASR输出达到限幅值 *imU ，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电流无静差的单电流闭环调节系统。 稳态时 dmimd UUI  * （ 22） 其中，最大电流 dmI 是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。 式（ 22）所描述的静特性对应于图 24中的 AB段，它是一条垂直的特性。 这样的下垂特性只适用于 0nn 的情况，因为如果 0nn ，则 *nn UU  ， ASR将退出饱和状态。 图 24 双闭环直流调速系统的静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 dmI 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 dmI 时，对应于转速调节器的饱和输出 *imU ， 这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到的过电流的自动保护。 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。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统要好。 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了 PI调节器，静特性的两段实际上都略有很小的静误差。 见图 24中的虚线。 直流双闭环系统的稳态工作点和稳态参数 由图 23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时，各变量之间有下列关系 0* nnUU nn   （ 23） dLdii IIUU  * （ 24） sdLnesdesdc K RIUCK RInCUUU  *0 （ 25） 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压 *nU 决定的， ASR的输出量 *iU 是内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 由负载电流 dLI 决定的，而控制电压 cU 的大小则同时取决于 n 和 dI ，或者说，同时取决于 *nU 和 dLI。 这些关系反映了 PI调节器不同于 P调节器的特点。 P调节器的 输出量总是正比于其输入量，而 PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面的环节的需要决定的。 后面需要 PI调节器提供多么大 的 输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。 鉴于这一点，双闭环系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，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 max*IUnm （ 26） 电流反馈系数 dmimIU* （ 27） 两个给定电压的最大值 *nmU 和 *imU 由设计 者 选定，受运算放大器允许输入电压和稳态电源的限制。 双闭环直流调速系统的动态结构图和动态性能分析 双闭环直流调速系统的动态数学模型 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑 双闭环控制的结构图如图23，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图 25所示。 图中 )(sWASR 和)(sWACR 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 dI 显露出来。 图 25 双闭环直流调速系统的动态结构图 起动过程分析 前 面 已指出，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，有必要探讨它的起动过程。 双闭内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 环直流调速系统突加给定电压 *nU 由静止状态起动时，转速和电流的起动态过程如图26所示。 由于在起动过程中转速调节器 ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的 I、 II、 III三个阶段。 第 I阶段（ 0~ 1t ）是电流上升阶段。 突加给定电压 *nU 后，经过两个调节器的跟 随作用， cU 、 0dU 、 dI 都跟着上升，但是在 dU 没有达到负载电流 dLI 以前，电动机还不能转动。 当 dLd II  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 nnn UUU  * 的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 *imU ，强迫电枢电流 dI 迅速上升。 直到 dmd II  ， *imi UU ，电流调节器很快就压制了 dI 的增长，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一般不饱和。 第 II阶段（ 21~tt ）是 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，系统成为在恒值 电流 给定 *imU 下的电流调节系统 ， 基本上保持 dI 的恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 与此同时，电动机的反电动势 E 也按线性增长 （见图 26） ， 对电流调节系统来说 ， E 是一个线性渐增的扰动量（见图 26）。 为了克服这个扰动， 0dU 和 cU 也必须基本上按线性增长，才能保持 dI 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 iimi UUU  * 必须维持一定的恒值，也就是说， dI 应略低于 dmI （见图 26）。 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，电力 图 26 双闭环直流调素系统起动过程的转速和电流波形 电子装置 UPE的最大输出电 压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 第 III 阶段（ 2t 以后）是转速调节阶段。 当转速上升到给定值 0* nn 时，转速调节器 ASR 的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 *imU ，所以电动机仍在加速，使转速超调。 但转速超调后， ASR 输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， *iU 和 dI 很快下降。 但 是，只要 dI 仍大于负载电流 dLI ，转速就继续上升。 直到 dLd II  时，转矩 Le TT ，则 0tn dd ，转速 n 才达到峰值（ 3tt 时）。 此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此对应，在 43~tt 时间内， dLd II  ，直到稳定。 如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。 在最后的转速调节阶段内， ASR 和 ACR 都不饱和， ASR 起主导的转速调节作用，而 ACR 则力图使 dI 尽快地跟随其给定值 *iU ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 综上所述，双闭环直流调速系统的 起 动过程有以下三个特点： 1．饱和非线性控制。 随着 ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统 ， 只能采用分段线性化的方法分析，不能简单地用线性控制理论来分析起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。 2．转速超调。 当转速调节器 ASR采用 PI调节器时，转速必然有超调。 转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其它控制方法抑制超调。 3．准时间最优控制。 在设备允许的条件下实现最短时间的控制称作 “ 时间最优控制 ” ，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。 但由于在起动过程 I、 III 两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程相比还有一 些差距，不过这两阶段时间只占全部起动时间中很小的部分，无伤大局，可称作 “ 准时间最优控制 ”。 采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有 实用 价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。 最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。 必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁报闸。 必须回馈制动时，可采用可逆的电力电子变换器。 动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有良好的抗扰 性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。 主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 1．抗负载扰动 由图 25可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器 ASR来内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 产生抗负载扰动作用。 在设计 ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 2．抗电网电压变化扰动 电网电压变化对调速系统也产生了扰动作用。 首先来看单闭环调 速 系统的动态结构框图。 如图 27a），图中的 dU 和 dLI 都作用在被转速负反馈环包围的前向通道上，仅就静特 性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。 但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在者能否及时调节的差别。 负载扰动能够比较快的反映到被调量 n 上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压的扰动性能要差一些。 a) b) 图 27 直流调速系统的动态抗扰作用 a)单闭环系统 b)双闭环系统 dU 电网电压波动在可控电源电压上的反映 在图 27b）所示的双闭环系统中，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，抗扰性能大有改内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 20 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的多。 转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下。 1．转速调节器的作用 1） 转速调节器是调速的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压 *nU 变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI调节器，则可实现无静差； 2） 对负载变化起抗扰作用； 3） 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 2．电流调节器的作用 1） 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 *iU （即外环调节器的输出量）变化； 2） 对电网电压的波动起及时抗扰作用； 3） 转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程； 4） 当电动机过载甚至堵转时 ， 限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。 一旦故障消失 ， 系统立即自动恢复正常。 这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。 第三章 电力拖动系统中调节器的工程设计方法 在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计必须从动态校正的需要来解决。 针对单闭环系统采用的借助伯德图设计串联校正装置的方法，当然也适用于双闭环系统。 问题是设计每一个调节器时，都必须先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后的系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定调节器的 特性，从而选定其结构并计算参数。 反复试凑过程也就是系统的稳、准、快和抗干扰诸方面矛盾的正确解决过程，需要有熟练的设计技巧才行，于是便产生建立更简便适用的工程设计方法。 现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子元件和集成电路组成。 经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。 如果事先对这些典型系内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 21 统作比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期 的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简单的多。 这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 有了必要性和可能性，各种工程设计方法便相继提出。 其中有德国西门子公司提出的 “ 调节器最佳整定 ” 法，包括 “ 模最佳 ” 和 “ 对称最佳 ” 两种参数设计方法，传入我国后，习惯上称作 “ 二阶最佳 ”。