轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上引 言目前，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。我們知道采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。故需要引入轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)，本文著重闡明其控制規(guī)律性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，是各種交直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先介紹轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性，接著說明該系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，電動機(jī)作為

2、把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。 長期以來，直流電動機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過程中。直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎無處不使用電力拖動裝置。軋鋼

3、機(jī)、電鏟、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等各類生產(chǎn)機(jī)械都要采用電動機(jī)來傳動。隨著對生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。從20世紀(jì)60年代以來，現(xiàn)代工業(yè)電力拖動系統(tǒng)達(dá)到了全新的發(fā)展階段。這種發(fā)展是以采用電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的，在世界各國的工業(yè)部門中，直流電力拖動系統(tǒng)至今仍廣泛的應(yīng)用著。直流拖動的突出優(yōu)點(diǎn)在于：容易控制，能在很寬的范圍內(nèi)平滑而精確的調(diào)速，以及快速響應(yīng)等。在一定時期以內(nèi)，直流拖動仍將具有強(qiáng)大的生命力。第一章 概 述1.1 直流電動機(jī)的原理直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 由

4、于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)位置系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 (1-1) 式中 轉(zhuǎn)速（r/min）。 電樞電壓（V）。 電樞電流（A）。 R電樞回路總電阻（W）。 勵磁磁通（）。 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由式(1-1)可以看出，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。

5、2）減弱勵磁磁通 F。3）改變電樞回路電阻 R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門向電動機(jī)供電的可控直流電源。接下來介紹幾種主要的可控直流電源：1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。2）靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用

6、恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或 平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起制動盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項(xiàng)要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫“調(diào)速

7、范圍”和“靜差率”。這兩個指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。1調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 表示，即 (1-2)其中和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。2靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率,即 (1-3)或用百分?jǐn)?shù)表示 (1-4)顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。在了解了這些后，再來介紹一下轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速

8、系統(tǒng)。1.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖1-1 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖上圖為帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖。在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓，用以控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。圖中，UPE是由電力電子器件組成

9、的變換器，其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓。對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。1.2.1 反饋控制規(guī)律介紹了以上這些之后，再來看下他的反饋控制規(guī)律：轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。1被調(diào)量有靜差從原理圖1-1中分析可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而

10、，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個比例放大器，即=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 (1-5)只有 ，才能使 ，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。2抵抗擾動, 服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源有：1）負(fù)載變化的擾動（使變化）。2）交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）。3）電動機(jī)勵磁的變化的擾動（造成

11、Ce 變化 ）。4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）。5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）。6）檢測誤差的擾動（使a變化）。 3系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度給定精度由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。1.2.2 限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋起動的沖擊電流直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不

12、利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的（1+K）倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。堵轉(zhuǎn)電流有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障使機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

13、的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。 以上就是關(guān)于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的一些內(nèi)容，為了實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，我們需要讓電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋分別起作用，這就是我要設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。下面一章就是關(guān)于此系統(tǒng)的介紹。第二章 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹2.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性對于一個完整的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)、整個系統(tǒng)的綜合性價比以及系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、工作的可靠性等都是相

14、當(dāng)重要的，這就要求我們考慮問題要非常周全，能夠考慮到各方面因素對整個系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速。這是從單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。加上電機(jī)反電勢隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達(dá)到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升過渡過程時間大大縮短。另一方面，在一個調(diào)節(jié)器

15、的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處的綜合的缺點(diǎn)，經(jīng)研究與實(shí)踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-1a）所示,起動電流突破以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起、制動過程的時間是提

16、高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形示于圖2-1b）。這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳，圖2-1b）所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采

17、用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。這就要求系統(tǒng)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，問題是在系統(tǒng)中應(yīng)該如何聯(lián)接。 a）帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程b）理想的快速起動過程圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2.1.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)

18、中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接,如圖2-2所示。圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖2-2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變換器轉(zhuǎn)速給定電壓 轉(zhuǎn)速反饋電壓電流給定電壓 電流反饋電壓為了獲得良好的靜動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖

19、如上圖2-3所示。 圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2.1.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-4所示。它可以很方

20、便地根據(jù)原理圖（見圖2-3）畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù)實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和

21、兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此由第一個關(guān)系式可得 (2-1)從而得到圖2-5所示靜特性的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，從上述第二個關(guān)系式可知。這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 (2-2)其中，最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式(2-2)所描述的靜特性

22、對應(yīng)于圖2-5中的AB段，它是一條垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大。靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖2-5中的虛線?？傊?，雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系

23、統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動態(tài)品質(zhì)。 圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析3.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型由雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)（見圖2-4），即可繪制出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目

24、的就是要獲得接近于圖2-1b) 所示的理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖3-2 所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、三個階段。第I階段是電流上升的階段（0） 突加給定電壓 后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用,都跟著上升，當(dāng)時，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓

25、制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第階段是恒流升速階段（） 在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反電動勢E也按線性增長見圖3-2，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用

26、，在起動過程中ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置UPE 的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時必須注意的。第階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（以后） 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t =時）。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和

27、，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。圖3-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形3.1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的特點(diǎn)由上一節(jié)所述，我們得到起動過程的特點(diǎn)有以下三點(diǎn)：1）飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單地用線性控制理論來分析整個起動過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。2）轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是允許的，對于完全不允許

28、超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制” ，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程I、兩個階段中電流不能突變，實(shí)際起動過程與理想起動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制” 。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍也得到應(yīng)用。最后，應(yīng)該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，

29、只好自由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。必須回饋制動時，可采用可逆的電力電子變換器。3.1.4 動態(tài)抗擾性能分析1抗負(fù)載擾動一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。圖3-3 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負(fù)載擾動作用由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計(jì)ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 2抗電網(wǎng)電壓擾動由圖3-4a）和3-4b）對比分析可知1）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯

30、，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。a）單閉環(huán)系統(tǒng)b）雙閉環(huán)系統(tǒng)圖3-4 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用2）雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。3.1.5 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下。1電流調(diào)節(jié)器作用1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用

31、。3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。4）當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。2）對負(fù)載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法1工程設(shè)計(jì)方法的必要性轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選擇可采用伯德圖的方法來設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)每一個調(diào)節(jié)器時

32、，都須先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)試湊，才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并計(jì)算參數(shù)。反復(fù)試湊過程也就是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾諸方面矛盾的正確解決過程，需要有熟練的設(shè)計(jì)技巧才行。于是便產(chǎn)生建立更簡便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法的必要性。2工程設(shè)計(jì)方法的可能性現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng) 而用運(yùn)算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些

33、典型系統(tǒng)作比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計(jì)時，只要把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過程就要簡便得多。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。3.2.1 工程設(shè)計(jì)方法的原則1）概念清楚、易懂。2）計(jì)算公式簡明、好記。3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向。4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計(jì)算公式。5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。3.2.2 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。

34、簡化的思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)。3.3 典型系統(tǒng)一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以用下式表示 (3-1)其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和負(fù)數(shù)極點(diǎn)。分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)有重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有個積分環(huán)節(jié)。根據(jù)的不同數(shù)值，分別稱作0型、I 型、II型、系統(tǒng)。自動控制理論已證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精

35、度低，而III型和III型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型和II型系統(tǒng)。I型和II型系統(tǒng)還有多種多樣的結(jié)構(gòu)，下面各選一種作為典型。1典型I型系統(tǒng)作為典型I型系統(tǒng)，其開環(huán)的傳遞函數(shù)為 (3-2)式中 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；系統(tǒng)的開環(huán)增益。選擇它作為典型的I型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段以的斜率穿越線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時保證或 于是，相角穩(wěn)定裕度它的閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5a）所示。而圖3-5b）表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 a）閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b）

36、開環(huán)對數(shù)頻率特性圖3-5 典型型系統(tǒng)2典型II型系統(tǒng)在各種II型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型II型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 (3-3)它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖3-6所示。 a）閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b）開環(huán)對數(shù)頻率特性圖3-6 典型型系統(tǒng)在典型II型系統(tǒng)中，其中頻段也是以-20dB/dec的斜率穿越0dB線。由于分母中的相頻特性是-180°,后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)，就無法把相頻特性抬到-180°線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)圖3-6 b）中的特性，顯然應(yīng)保證或 而相角裕度為比T大得多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度

37、越大。 典型I型系統(tǒng)與典型II型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和西門子方法中的“二階最佳系統(tǒng)”與“三階最佳系統(tǒng)”是一樣的，只是名稱不同。然而，階數(shù)上是三階或二階只是表面現(xiàn)象，因?yàn)榻?jīng)過降階處理后，高階系統(tǒng)可以近似地降為低階，而I型和II型以及由此表明的在穩(wěn)態(tài)精度上的差異才是這兩類系統(tǒng)本質(zhì)上的區(qū)別，所以采用現(xiàn)在的命名更妥當(dāng)。通過以上的敘述我們知道典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別外，一般來說，在動態(tài)性能中典型I型系統(tǒng)可以在跟隨性能中做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。3.4 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)

38、性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動態(tài)性能指標(biāo)。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。1跟隨性能指標(biāo)在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零時給定信號階躍變化下的過渡過程為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。1）上升時間圖3-7繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的是輸出量C的穩(wěn)態(tài)值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到所經(jīng)過的時間稱作上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性。圖3

39、-7 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)2）超調(diào)量與峰值時間在階躍響應(yīng)過程中，超過以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時間是達(dá)到最大值，然后回落。超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)叫做超調(diào)量，即 (3-4)超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好。3）調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過度過程要到才穩(wěn)定，但實(shí)際上由于存在各種非線性因素，過度過程到一定時間就終止了。為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下的范圍為允許誤差帶，將輸出量達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時間定義為調(diào)節(jié)時間。顯然，調(diào)節(jié)時間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。

40、2抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個使輸出量降低的擾動量后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖3-8所示。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。圖3-8 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)1）動態(tài)降落 系統(tǒng)運(yùn)行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動量，所引起的輸出量最大降落值稱作動態(tài)降落。一般用占輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，（）是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降；2）恢復(fù)時間從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的的

41、（或?。┓秶畠?nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間，見圖3-8。其中稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況而定。如果允許的動態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值作為基準(zhǔn)值。如果允許的動態(tài)降落較小，例如小于5%（這是常有的情況），則按進(jìn)入范圍來定義的恢復(fù)時間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個比穩(wěn)態(tài)值更小的作為基準(zhǔn)。實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同。例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正反向軋制許多道次，因而對轉(zhuǎn)速的動態(tài)跟隨性能和抗擾性能都有較高的要求，而一般生產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)則主要要求一定的轉(zhuǎn)速抗擾性能，其跟隨性能如何沒有多大關(guān)系。工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床用的位置隨動系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，而大型天線的隨

42、動系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對抗擾性能也有一定的要求?？傊?，一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而跟隨系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖首先我們看一下轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖4-1所示。這就是我們最終要設(shè)計(jì)成的圖形。此圖有濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中電流反饋濾波時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)。圖4-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，以

43、濾平電流檢測信號。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個遲延作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含換向紋波，因此也需要濾波，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入濾波環(huán)節(jié)。以下就是我們設(shè)計(jì)的過程。4.1.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬

44、變過程中,可認(rèn)為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。最后，由于和一般比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)。則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化為圖4-2。圖4-2 電流環(huán)最終簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此

45、，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)可以寫成 (4-1)式中 K電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇 (4-2)則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖4-3所示的典型形式。 (3-3)圖4-3 校正成典型性系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖4-4繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的。 圖4-4 校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由式(4-1)可以看出電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是K和，其中以選定，見式(4

46、-2)，待定的只有比例系數(shù)K,可根據(jù)題目所要求的電流超調(diào)量，由附表1，可選 ，則 (4-3)再利用式(4-3)和(4-2)得到 (4-4) 4電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-5所示。圖中為電流給定電壓,為電流負(fù)反饋電壓,調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易的導(dǎo)出 (4-5) (4-6) (4-7)圖4-5 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器4.1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖4-3可知 (4-8)忽略高次項(xiàng)，可降階近似

47、為 (4-9) 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 (4-10)2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖4-1中的電流環(huán)后，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成/，再把時間常數(shù)為/和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 (4-11)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖4-6。圖4-6 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)小慣性的近似處理為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見圖4-6）?，F(xiàn)在擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)設(shè)計(jì)成

48、典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (4-12)式中 K轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間系數(shù)。不考慮負(fù)載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-7所示圖4-7 校正后成為典型型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由有 (4-13) 再由K=得 (4-14)因此 (4-15)4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-8所示。圖中U為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓U。圖4-8 含給定濾波和反饋濾波

49、的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為 (4-16) (4-17) (4-18)5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算電動機(jī)在起動過程中轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，但這時的超調(diào)是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調(diào)，即“退飽和超調(diào)”。在計(jì)算退飽和超調(diào)量時，因退飽和的過程與同一系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的過渡過程是完全一樣的，故可利用附表2給出的典型系統(tǒng)擾動性能指標(biāo)來計(jì)算退飽和超調(diào)量。 (4-19)且有 (4-20) (4-21)而 (4-22)故 (4-23)4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。本章就是對轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。第五章 MATLAB簡介5.1 MATLAB的概述客觀世界中的物理現(xiàn)象和物理系統(tǒng)通?？梢杂脭?shù)學(xué)方程來描述，例如我們熟悉的“質(zhì)量-彈性-阻尼”機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)的動態(tài)過程和“電感-電容-電阻”電路的動態(tài)過程，都可以用二階方程來描述。實(shí)際上客觀世界中任何連續(xù)系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)