1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统设计与分析一、选题的背景与意义直流调速系统是自动调速系统的主要形式，它具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化。在调速方法中转速、电流双闭环直流调速系统性能很好，是应用最广的直流调速系统之一,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。并且转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。通过对转速、电流双闭环直流调速
2、系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1掌握电机传动的工作原理及应用；2探究先进的生物优化控制器参数的算法并与传统的算法比较3设计调速系统；主要内容包括触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。4实现先进的生物优化控制器与数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统相结合的PID控制5建立数学模型，计算其参数；6进行数字仿真，验证其设计；7给出算法的具体步骤和流程图2三、研究的方法与技术路线1文献
3、查阅有关先进的生物优化控制器参数的算法和数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统方面的相关资料，研究典型实现方案的优缺点。2确定生物优化数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统的PID控制器思想和实现方法。3针对双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统系统，它采用普通PC机中的高速CPU来替代模拟PI调速系统中的计算，配合相应的高速数据采集卡进行数据采集和输出控制，实现控制系统的数字化，要充分利用友好的WINDOWS操作系统平台完成对电动机启动波形捕捉和保存，自动计算电动机启动时间和超调量等功能。4采用粒子群优化整定控制器参数的方法优化系统。通过实验结果说明该方法的有效性和实用性。5采用粒子群算法进行参数优
4、化，主要做了如下工作其一，选择控制系统的目标函数，通过对控制系统的逐步仿真，对结果进行分析；其二，先采用工程上的整定方法粗略的确定其初始的三个参数PK，IK，DK，再利用粒子群算法进行寻优，得到更好的PID参数；其三，采用SIMULINK的仿真工具对PID参数优化系统进行仿真，得出系统的响应曲线。从中发现它的性能指标，都比原来有了很大的改进。因此，采用粒子群算法的优越性是显而易见的。粒子群优化算法的流程如图3四、研究的总体安排与进度第13周（2010112720101219）在广泛查阅中外文献与资料的基础上，完善课题研究方案，完成文献综述2000字以上和翻译外文文献2篇以上，（每篇外文文献翻译
5、的中文字数一般要求2000字以上）。第4周（2010122020101226）在文献查阅的基础上，完成课题综述，完成开题报告，完成开题报告答辩。第58周（201012272011116）毕业设计（论文）的设计主要实施阶段，按本课题的技术路线与总体方案具体实施。第912周（2011021720110313）2010学年上学期第14周毕业实习。第1318周（2011031420110424）继续设计阶段、实验、设计、编程、调试、结果分析、撰写论文。输出结果根据系统方程对粒子的位置进行进化根据系统方程对粒子的速度进行进化求出整个群体的全局最优值求出每个粒子的个体最优计算每个粒子的适应值初始化每个粒子
6、的速度和位置是否满足结束条件是否开始4第1921周（2011042520110515）毕业设计资料整理，提交完整的毕业设计（论文）资料。第2223周（2011051620110527）毕业设计（论文）答辩准备、答辩。五、主要参考文献1陈伯时，电力拖动自动控制系统第3版，机械工业出版版,20092MOHAMMADDASHTI,KAMBIZSHOHAEE,SMHSEYEDKASHI,MOJTABABEHNAM,TUNINGOFDIGITALPIDCONTROLLERUSINGPARTICALSWARMOPTIMIZATION,PROCEDINGSOFTHE29THCHINESECONTROLCON
7、FERENCE33833389,20103SAEMAMI,MBAYATIPOUDEH,SESHTEHARDIHA,PARTICLESWARMOPTIMIZATIONFORIMPROVEDPERFORMANCEOFPIDCONTROLLERONBUCKCONVERTER,PROCEEDINGSOF2008IEEEINTERNATIONALCONFERENCEONMECHATRONICSANDAUTOMATION520524,20084张晓华，系统建模与仿真，清华大学出版社第1版,2006125RICHARDCDORF,ROBERTHBISHOP,MODERNCONTROLSYSTEMS,10TH
8、EDPUBLISHEDPEARSONEDUCATION,INC,20056曾建潮，介婧，崔志华，微粒群算法，科学出版社，2004。7胡寿松，自动控制原理（第四版），科学技术出版社，20018王兆安,黄俊电力电子技术机械工业出版社，20029徐月华,汪仁煌MATLAB在直流调速设计中的应用广东工业大学,2001810周渊深交直流调速系统与MATLAB仿真北京中国电力出版社，200411王忠礼MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用北京清华大学出版社，20071141155毕业设计文献综述电气工程与自动化数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统设计与分析摘要直流调速系统具有调速范围广、精度
9、高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具
10、箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行关键词直流电机；直流调速系统；速度调节器；电流调节器；双闭环系统；SIMULINK仿真直流调速1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传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实
11、现有级调速。1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G构成，简称GM系统），以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变6直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速
12、系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用，关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。例如高精度稳速系统的稳速精度达数十万分之一，宽调速系统的调速比达110000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到几毫秒以下。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、
13、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。自19世纪80年代起至19世
14、纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。从60年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。随着电力电子学与电子
15、技术的发展，特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。目前交流电7力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳速精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以四象限运行和制动，其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段，大有取代直流电力拖动系统的势头。但就目前而言，直流调速系统仍然是自动
16、调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是1常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；2动态参数调整方便；3系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性；4可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；5可采用数字反馈来提高系统的精度；6容易与上一级计算机交换信息；7具有信息存储、数据通信的功能；8成本较低。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看
17、，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统，这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索1。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出
18、该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。参考文献1陈伯时，电力拖动自动控制系统第3版，机械工业出版版,20092MOHAMMADDASHTI,KAMBIZSHOJAEE,SM
19、HSEYEDKASHI,MOJTABABEHNAM,TUNINGOFDIGITALPIDCONTROLLERUSINGPARTICLESWARMOPTIMIZATION,PROCEEDINGSOFTHE29THCHINESECONTROL8CONFERENCE33833389,20103SAEMAMI,MBAYATIPOUDEH,SESHTEHARDIHA,PARTICLESWARMOPTIMIZATIONFORIMPROVEDPERFORMANCEOFPIDCONTROLLERONBUCKCONVERTER,PROCEEDINGSOF2008IEEEINTERNATIONALCONFEREN
20、CEONMECHATRONICSANDAUTOMATION520524,20084张晓华，系统建模与仿真，清华大学出版社第1版,2006125DORFRC,BISHOPRH,MODERNCONTROLSYSTEMS,10THEDPUBLISHEDPEARSONEDUCATION,INC,20056曾建潮，介婧，崔志华，微粒群算法，科学出版社，2004。7胡寿松，自动控制原理（第四版），科学技术出版社，20018王兆安,黄俊电力电子技术机械工业出版社，20029徐月华,汪仁煌MATLAB在直流调速设计中的应用广东工业大学,2001810周渊深交直流调速系统与MATLAB仿真北京中国电力出版社，2
21、00411王忠礼MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用M北京清华大学出版社，20071141159本科毕业设计（20届）数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统设计与分析10摘要【摘要】针对性的介绍双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统和PID控制器参数整定，在此基础上提出基于粒子群算法（PSO）应用于系统的优化方法，先简介了PSO方法的原理，并且总结了PID控制器参数优化的过程，通过粒子群算法（PSO）对双闭环调速系统进行了PID参数的优化，最后采用系统阶跃响应对工程设计法结果和经PSO的优化结果进行了对比分析，进而表明PSO算法有比工程设计法能获得更好的性能指标，为PID参数优化提供了又
22、一可行方便的方法。【关键词】直流电机；双闭环控制系统；PSO；PID控制器；MATLAB/SIMULINK。11ABSTRACT【ABSTRACT】INTRODUCETARGETEDTHEDOUBLELOOPHBRIDGEREVERSIBLEDCPWMSYSTEMANDPIDCONTROLLERPARAMETERTUNINGBASEDONTHEPROPOSEDALGORITHM,PARTICLESWARMPSOAPPLIEDTOTHESYSTEMOPTIMIZATIONMETHODTHEFIRSTINTRODUCESTHEPRINCIPLEOFPSOMETHODANDSUMMARIZESTHE
23、PROCESSOFOPTIMIZATIONOFPIDCONTROLLERPARAMETERSTHROUGHPARTICLESWARMOPTIMIZATIONPSOISUSEDINTHEDOUBLELOOPSPEEDCONTROLSYSTEMFORTHEOPTIMIZATIONOFPIDPARAMETERS,THEFINALUSEOFTHESYSTEMSTEPRESPONSERESULTSOFTHEENGINEERINGDESIGNANDOPTIMIZATIONCOMPAREDWITHTHERUSULTSBYPSOANDTHENSHOWTHATTHEPSOALGORITHMCANACHIEVEB
24、ETTERPERFORMANCETHANENGINEERINGDESIGNITPROVIDESANOTHERCONVENIENTWAYPOSSIBLEFORTHEPIDPARAMETERSOPTIMIZATION【KEYWORDS】DCMOTORDOUBLECLOSEDLOOPCONTROLSYSTEMPSOPIDCONTROLLERMATLAB/SIMULINK12目录摘要10ABSTRACT11目录121绪论111研究背景和课题意义112直流调速1121直流调速系统的发展史113本文的研究内容22直流调速系统321直流调速系统的调速原理及性能指标3211直流调速系统的调速原理3212直流调
25、速系统的性能指标3213动态性能指标43PWM脉宽调制731PWM基本介绍732脉宽调制变换器733桥式可逆PWM变换器84直流电动机的数学模型1141额定励磁下的直流电动机的动态数学模型115电流、转速双闭环直流调速系统分析1351开环调速系统1352转速单闭环调速系统13521调速原理1353限流保护1554电流转速双闭环直流调速系统16541调速原理双闭环系统理论基础16542稳态结构图和静特性18543各变量的稳态工作点和稳态参数计算1955双闭环系统起动过程与抗扰性能分析20551起动过程分析20552抗扰性能分析2256转速和电流两个调节器的作用2257调节器的工程设计理论2357
26、1PI调节器23572调节器的设计方法思路23573型系统与型系统的性能比较2458转速电流调节器结构的确定24136转速、电流调节器的具体设计2561实例设计2562电流调节器设计28621电流环结构图的简化28622电流调节器的参数计算2963转速调节器设计30631电流环等效闭环传递函数30632转速调节器结构的选择30633转速调节器的参数计算32634转速调节器退饱和时转速超调量的计算32635工程设计法设计转速调节器3264模拟PI调节器的数字化347粒子群算法的介绍3471粒子群算法思想的起源3472粒子群算法（PSO）的基本原理3573PSO算法流程3674算法特点378MAT
27、LAB软件介绍3781MATLAB简介3782SIMULINK简介379仿真与分析3891双闭环设计仿真38911电流环的仿真38912转速环的系统仿真4192MATLAB仿真PSO优化双闭环控制系统模型性能分析43921PID控制器模型43922PSO整定PID参数的目标函数选取4393结论46参考文献47致谢错误未定义书签。附录4811绪论11研究背景和课题意义在现代工业控制领域，PID控制器仍旧是一种应用很广泛的控制器，其优点结构简单、鲁棒性好、可靠性高等。PID控制器的控制性能与它的控制参数DIPKKK,的优化整定息息相关由于传统PID参数整定是在得出控制对象的数学模型的基础之上，然后
28、根据工程设计法的典型系统准则来确定的，或者是用试凑的方法来确定PID的参数，可是这些方法都不能让闭环系统实现任意给定的响应，并且设定的PID参数与闭环系统的性能指标又没有内在的直接联系。但是在实际的工业控制中，控制过程十分复杂，很多的控制对象为高阶的、时滞的、非线性的，并且实际系统中又有各种各样的负载干扰因素存在，因此对于PID控制器的参数用常规的优化整定是比较困难的。所以对于PID参数的选择我们不仅仅依靠控制对象的数学模型还要考虑实时控制。优化问题是工业设计中经常遇到的问题，许多问题最后都可以归结为优化问题。优化问题有两个主要方面。一是要求去寻找全局最小点，二是要求其有较高的收敛速度。粒子群
29、算法（PSO）是良好的优化算法的一种，它是源于对鸟群觅食行为的研究而模拟出来的算法，它具有诸如收敛速度较快、容易实现而且仅少量参数需要整定的优点，并且此算法应用性较广，目前已被广泛的应用于目标函数优化、工业自动控制等领域中。因此将PSO算法应用于PID控制中，对其参数进行实时调整和整定，从而达到预期的调整速度快、抗干扰能力强、超调量小等性能指标。12直流调速直流调速指的是人为地或者自动地改变直流电动机的转速从而来满足控制机械的要求。从机械特性角度上讲,就是通过改变电动机的一系列参数或改变外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而达到改变电动机机械特性和工作特性的交点,来使电动机的运转速度发生改
30、变。121直流调速系统的发展史直流传动系统具有良好的调速特性和转矩控制的性能，在工业生产过程中应用比较早并且沿用至今。早期的直流传动采用有接点控制，在1930年之后出现了电机放大器控制的旋转交流机组来给直流电动机供电（简称GM系统），之后又出现了磁放大器和汞弧整流器等供电设备，至此实现了直流传动的无接点控制。再后来晶闸管问世以后，采用晶闸管装置的可变直流电源在直流传动中一直占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步发展和晶闸管系统具有的良好的动态性能，致使直流调速系统的可靠性、快速性和经济性不断提高。而今天正推广应用的微机控制全数字直流调速系统又具有高精度、宽范围的调速性能，代表着直流传动系统的
31、发展方向。直流传动之所以在经历多年发展至今仍然在工业生产领域中得到广泛应用，关键在于它能用简单的方式达到较高的性能指标。2在很长一段时间，直流电动机由于调速性能良好从而被很大范围的应用于工程设计中。而双闭环直流调速系统又是目前直流调速系统的主流方式，它具有平稳性好、调速范围宽、稳速精度高等许多优点，无论是在理论上还是在实践方面都是较成熟的系统，在拖动控制领域中发挥着非常重要的作用。在19世纪末，出现了交流笼型电动机以后，交流电动机传动装置逐渐的代替了直流电动机传动装置。由于直流电动机在重量、成本、容量、体积、制造和运行维护方面都不如交流电动机，所以交流电机代替直流电动机也是趋势所为。目前交流电
32、力拖动系统已经具备了较宽的调速范围，较快的动态响应，较高的稳速精度以及较高的工作效率并且可以在四象限中运行和制动，而且其静特性也可以跟直流电动机拖动系统相媲美。在国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化的阶段。但直流调速系统就目前而言仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门仍然得到广泛的应用。并且数字化的直流电动机可逆调速系统也已经慢慢应用于工业，数字化优点有1系统中的很多硬件可以用软件来替代；2系统能够方便的来设计监控、故障自诊断等来提高系统的可靠性；3系统动态参数设定调整起来方便；5可以用数字形式的反馈来促使系统精度的提高；6成本较低，等等一系列的优点。而且由于直流调速系统在理论
33、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，因此，应首先研究直流调速系统，这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索1。13本文的研究内容本文从直流电动机的工作原理入手，建立数字控制双闭环可逆直流调速系统的数学模型，并且详细分析了系统的原理以及静态和动态性能。然后依照控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析与计算，最后通过对比粒子群优化算法（PSO）双闭环PID调节控制方法和工程设计方法在MATLAB/SIMULINK软件中仿真的结果得出用PSO方法对PID调节上确实有很好的效果本文的主要工作1掌握直流电机传动的工作原理与应用；2查阅有关
34、先进的生物优化控制器参数的算法，叙述采用PSO算法的优越性；3设计数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统并且综述典型实现方案的优缺点。4确定生物优化数字控制双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统的PID控制器思想和实现方法5建立数学模型，计算其参数；6进行数字仿真，验证其设计；32直流调速系统21直流调速系统的调速原理及性能指标211直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。在许多需要调速和快速正反向变化的电力拖动领域中应用非常广泛。从生产机械的要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类
35、型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，所以调速系统又被称为的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量之间的稳态关系可用（21）式表示EKIRUN（21）式中U电枢供电电压V；EK由电机结构决定的电动势常数。R电枢回路总电阻，N电动机转速（R/MIN）；I电枢电流A；调节电动机的转速可以有三种方法（1）调节电枢的供电电压U来调节转速；改变电枢回路电阻R或减弱电机励磁磁通调节。在自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主1。212直流调速系统的性能指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围
36、内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。一、静态性能指标1）调速范围电动机在额定负载运行时，系统限定的最高转速MAXN与最低转速MINN之比叫做调速范围，用D来表示，式（22）MINMAXNND（22）2）静差率系统在一转速下运转的时候，当负载由空载增加到额定值的时候对应的转速降落EDN和理想空载转速0N的比值，称作为静差率S，表示为4100100000NNNNNSEDED（23）显而易见，静差率它是用来衡量调速系统在负载发生变化的
37、时候其转速的稳定度。同样情况下当机械特性硬度变大，EDN就会变小，从而静差率也就变小，最终转速的稳定度就提高了。然而静差率和又不用与机械特性硬度。对于图21中的线1和线2，它们有相同的转速降落1EDN2EDN，但由于0102NN，因此12SS。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。由图21可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率S，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。图21事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都
38、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。213动态性能指标动态性能指标是实际生产对控制系统的动态性能有一定的要求，经过折算和量化表示出来的。其动态性能指标包括了其对给定的跟随性能指标和其对扰动输入的抗扰性能指标7。1跟随性能指标在给定信号RT的作用下，系统输出量CT的变化规律可以通过跟随性能指标来描述。当给定信号不同时，输出的响应也就不一样。通常情况下输出量的初始值为零的时候，在给定信号阶跃变化的情况下的过渡过程来作为典型的跟随过程，这时候的动态响应又我们又叫做阶跃响应。在一般的情况下我们希望阶跃响应中的输出量CT和其稳态值C的尽可能的小，而达到C的时
39、间尽可能5的快。通常用用来作为阶跃响应的跟随性能的指标有上升时间RT，超调量和调节时间ST三个量。下面分别介绍1）上升时间RT在典型的阶跃响应跟随的过程中，输出量从零开始起第一次上升到稳态值C是所用的时间我们称之为上升时间，它可以表示系统动态响应的快速性7见图22。图222）超调量在典型的阶跃响应跟随系统中，系统输出量超出了稳态值的最大偏离量在与稳态值的比值，叫做超调量100MAXCCC（24）反映了系统的相对稳定性。系统的超调量越小，则表示系统的相对稳定性越好，即就是系统的动态响应比较平稳。3）调节时间ST调节时间是衡量系统的整个调节过程快慢的物理量。从原则上讲它是从给定量阶跃变化起到输出量
40、完全稳定下来时的时间。但对于线性的控制系统而言，原则上要等到T才是真正的稳定下来了，可是在实际的系统中由于存在一些非线性的因素致使其不用这样。通常，我们一般在响应曲线的稳态值附近，取25或的范围作为允许的误差带并认为响应曲线达到了并且再也不超出次范围的时候所需要的最短的时间定义为调节时间，如图22。2抗扰性能指标抗扰过程是在系统的稳定运行中，突然加上负载阶跃扰动后输出的动态相应过程，并根据这个指标来定义抗扰动态的性能指标，见图23。同常我们用到的抗扰性能指标分为动态降落MAXC6和恢复时间FT1）动态降落MAXC动态降落在系统稳定运行时，突然给其加一定的扰动而后引起的转速的最大降落值MAXC。
41、用输出量原稳态值1C的百分数来表示。输出量在动态降落后慢慢的恢复最后达到新的稳态值212,CCC是该系统在此次扰动下的稳态降落。2）恢复时间FT系统从阶跃扰动的作用开始计时直到系统的输出量基本上恢复到稳态时，即距离新的稳态值2C的差进入了某一基准量BC的25或范时总共花费的时间，我们定义其为恢复时间FT，其中BC叫做抗扰指标中输出量的基准值。在实际系统中由于对于各种动态指标的要求不同工程各有不同，所以通常要根据生产机械的具体要求而设定。不过一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。图2373PWM脉宽调制31PWM基本介绍在全控型整流电力电子器件出现以来，采用脉宽调制的高频开关控制方式也随即
42、出现了，继而出现了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称之为直流PWM调速系统。PWM系统在许许多多的方面都有很大的优点例如1PWM系统的主电路线路简单，需用的功率器件少；2由于其功率开关器件工作在开关状态，以致其导通损耗小，而开关频率适当时，开关损耗也不是很大，从而装置效率较高；3系统的开关频率高，因此其电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都比较小；4直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。5低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达110000左右；4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速
43、系统的应用日益广泛8。32脉宽调制变换器在许多电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。以前我们常用切换电枢回路电阻的方法来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触点控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。直流斩波器电动机系统的原理如图31A所示图31脉宽调制变换器电动机系统的原理图和电压波形图A）原理图B电压波形图图中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件VD表示续流二极管T功率开关器件的开关周期TON开通时间在
44、器件VT导通的时候，直流电源电压US就直接加到了电动机M上；而当器件VT关断的时候，直流电源电压就与电机M断开，这时电动机电枢经续流二极管VD续流致使两端电压近似接近于零。这样反复，就得到了电枢端电压的波形UFT,如图31B所示，仿佛是电源电压US在TON时间内8被接上，又在（TTON）内被斩断，通常称此种情况为“斩波”。以此，电动机的平均电压为UDTON/TUSUS（31）其中表示占空比，TON/T可逆脉宽调速系统的基本原理图如图32A所示，由VT1VT4共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（简称PWM）变换器。器件VT1和VT4同时导通同时关断，VT2和VT3也同样同
45、时通断，电压US或US分别加在电动机M的电枢两端。当去改变两组器件导通的时间时，即就是去改变电压脉冲的宽度，如图32B所示电动机两端电压波形。图32桥式可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形A基本原理图B电压波形如果用TON表示VT1和VT4导通的时间，开关周期T和占空比的定义和上面相同，则电动机电枢端电压平均值为UDTON/TUS（TTON）/TUS（2TON/T1）US（21）US（32）脉宽调制变换器的作用是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。33桥式可逆PWM变换器桥式（亦称H型）电路如图33所
46、示。9图33桥式可逆PWM变换器双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图36所示。图34双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形它们之间的关系是UG1UG4UG2UG3。当变换器在一个开关周期内时，在0TT/2,则UAB的平均值就为正，电动机就正转，反之，则反转；当正、负脉冲相等是，即TT/2,平均输出电压就为零，这时电动机就停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为10SONSONSONDU1TT2UTTTUTTU（33）双极式控制的桥式可逆PWM变换器有很多优点，列举如下几点（1）电流一定是连续的；（2）当电动机停止时会有微振电流，这样能消除静摩擦死区；（3）
47、在四个象限中电动机均可运行；（4）即使在低速的时候，每个开关器件仍有骄狂的的驱动脉冲，这样就有利于使器件可靠的导通（5）低速时平稳性好，并且系统的调速范围能够达到120000附近；但是双极式控制方式也不是十全十美的例如在工作中，4个开关器件很可能均处在开关的状态，这时开关损耗就会大，因此在切换的时候就或许发生上、下桥臂直通的现象，所以防止直通的方法是在上、下桥臂的驱动脉冲之间应设置逻辑延时。或者是用单极式来控制，这样就使一部分器件总是处在常通或着常断的状态，从而来减少开关的次数和开关的损耗，进而提高可靠性，但是这时系统的静、动态性能可能会略有下降。114直流电动机的数学模型41额定励磁下的直流
48、电动机的动态数学模型电力电子器件的传递函数构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。电力电子变换器的传递函数近似成一阶惯性环节为（41）图41给出了额定励磁下他励直流电机的等效电路，电力电子变换器内阻、电枢电阻和电感以及可能在主电路中接入的其他电阻和电感包含在电枢回路电阻R和电感L中。我们规定的其正方向如图41中所画图41他励直流电动机在额定励磁下的等效电路假设主电路的电流一直连续，这时动态电压方程为0DDDDIURILEDT（42）当忽略粘性摩擦和弹性转矩时，电动机轴上的动力学方程为2375ELGDDNTTDT（43）还能得出额定励磁下的感应电动势和电磁转矩EECN（44）和EMDTC
49、I（45）微分方程整理后得（46）（47）式中为负载电流。传递函数在零初始条件下，等式两侧取拉氏变换，得出电压与电流间的传递函数为（48）进而得到电流与电动势间的传递函数（49）动态结构图STKSWSSS1DDDD0DTITIREULTERTIIDDMDLDMLDLCTI110DDSTRSESUSILSTRSISISEMDLDSTKSUSUSWSESC0DS12图42式（48）的结构图图43式（49）的结构图图44整个直流电动机的动态的结构图由图44可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。135电流、转速双闭环直流调速系统分析51开环调速系统每一台需要调速的设备，其生产对调速系统性能都有一定的要求。共的来讲，对调速系统的转速控制的要求有以下几个方面（1）调速在规定的最高和最低转速之间，有级或者无级的调速；（2）稳速在要求的转速上以一定的精度稳定的运行，即使有干扰也不允许有很大的波动，以此来保证产品的质量；（3）加速与减速设备需要经常起、制动时就要求快速的加、减速，从而来提高生产率；但对于对速度变化要求苛刻的机
