畢業(yè)設計：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設計VIP

緒論課題的背景、目的與意義電機自動控制系統(tǒng)廣泛應用于機械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機械都采用電動機作原動機。有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。20世紀90年代前的大約50年的時間里，直流電動機幾乎是唯一的一種能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機，直流電動機的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機與其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過在DJDK-1型電力電子技術(shù)與電機控制試驗裝置上的調(diào)試,并應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。本課題國內(nèi)、外研究應用情況近30年來，電力拖動系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但技術(shù)革新是永無止盡的，為了進一步提高電動機自動控制系統(tǒng)的性能，有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開：采用新型電力電子器件電力電子器件的不斷進步，為電機控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（IPM）的廣泛應用，使得新型電動機自動控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。傳統(tǒng)直流電動機的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟性和可靠性上都有一定優(yōu)勢，但其控制復雜，對散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來越廣泛的應用。由于晶體管是既能控制導通又能控制關斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。應用現(xiàn)代控制理論在過去，人們感到自動控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應用方面卻不盡人意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機控制系統(tǒng)的應用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應用，使得復雜的運算得以實時完成。第二是在辨識，參數(shù)估值以與控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。采用總線技術(shù)現(xiàn)代電動機自動控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢，總線化使得各種電動機的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進入電動機控制領域當今是網(wǎng)絡時代，信息化的電動機自動控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺上工作，控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠程監(jiān)控和遠程故障診斷與維護提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。1.3本課題采用的技術(shù)方案與技術(shù)難點根據(jù)本課題的實際情況，宜從以下三個方面入手分析：1．.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學模型2．雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設計3．應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正本課題所涉與的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。該調(diào)速方法可以實現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。但電機的開環(huán)運行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠遠不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式?？梢獙崿F(xiàn)高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉(zhuǎn)矩成正比關系，而轉(zhuǎn)矩又與電動機的電流成正比。因而同時對速度和電流進行控制，成為實現(xiàn)高動態(tài)性能電機控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。關于工程設計：直流電機調(diào)速系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng),其設計非常復雜。本設計利用階次優(yōu)化的原理對系統(tǒng)的工程設計方法進行了分析。設計電機調(diào)速系統(tǒng)時應綜合考慮各方面的因素,按全局最優(yōu)的觀點正確選擇合理的階次[4]。工程設計方法的基本思路是先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。應用到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，先從電流環(huán)入手，按上述原則設計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個等效環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。本設計的主要研究內(nèi)容1.4.1分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，列寫雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并畫出其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。1.4.2經(jīng)典控制部分首先了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，然后應用工程設計方法，分別進行主電路、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計,并應用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行仿真。1.4.3簡單介紹MATLAB語言與SIMULINK工具箱，重點運用SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行仿真,獲得系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線與其頻率特性曲線。結(jié)合曲線對由不同方法設計出的調(diào)速系統(tǒng)的性能進行比較研究，從而得到性能指標較為理想的系統(tǒng)模型。并嘗試性地提出改進方案。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學模型2.1數(shù)學模型的參數(shù)測定本調(diào)速系統(tǒng)的工程設計方案是建立在對典型系統(tǒng)作比較深入的研究,把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預期的特性,弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標的關系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表基礎上的。因此我們需要先對數(shù)學模型的參數(shù)進行測定。這樣，在設計實際系統(tǒng)時,只要根據(jù)上述工程設計方法把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算。但參數(shù)測定不是本次設計的重點，只作為輔助內(nèi)容。所以將其提前敘述，使數(shù)學模型的闡述部分和工程設計方法部分聯(lián)系緊密，銜接自然。2.1.1測定電樞回路的電磁時間常數(shù)TL2.1.1.1測定電樞回路總電阻RΣ通過測定Rn,RD,RP得到RΣ其中Rn—晶閘管等效電阻RP—平波電抗器等效電阻RΣ—電樞回路的總電阻RD—電動機電樞電阻考慮到參數(shù)的非線性，應用伏安法測量。通過改變變阻器的阻值，改變Id,測出不同的Ud,Up,UD.測試時，為防止因電樞轉(zhuǎn)軸不同心，而影響電刷接觸電阻。將電樞轉(zhuǎn)動三次，取測量的平均值。應用公式：可得計算值：Rn=1.60Ω,RP=0.101ΩRD=1.41Ω所以有RΣ=Rn+RP+RD=3.11Ω2.1.1.2測定電樞回路的總電感LL=LP+LD+LB式中LP—平波電抗器電感LD—電動機電樞電感LB—變壓器漏感先測LS=LP+LD,利用以下公式:Z=RS+jXS=Ud/Id-XS=(Z2-X2)1/2LS=XS/2πf=XS/314再來測定變壓器的漏感LB根據(jù)經(jīng)驗公式:L/B=KB*(UK%/100)*(U2/Id在三相橋中LB=2*L/B因此L=LS+LB計算得L=74.58mH.綜上，有TL=L/RΣ=74.58/3.11=23.98(ms)2.1.2測定電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)T2.1.2.1測定電動機的Ce在給定電壓下選穩(wěn)態(tài)時實驗測量所需數(shù)據(jù)，因穩(wěn)態(tài)時而 故 取平均值后代入計算可得V/rpm2.1.2.2測定電動機的飛輪力矩GD2使電動機在空載下自由停車(這時MD=0,Mfz=M0),其中M0為電動機的空載轉(zhuǎn)矩.由MD-Mfz=GD2dn/375dt得GD2=-375M0/(dn/dt)≈375M(1)測n=f(M0)利用空載損耗P0=UDId-RDI2，得M0.測定n=f(M0)的實驗數(shù)據(jù)并在坐標紙上做出n=f(M0)曲線(2)測dn/dt測定dn/dt數(shù)據(jù),在示波器上畫出n=f(t)曲線,并轉(zhuǎn)移到坐標紙上。GD2=375M0Q/(?n/?t)Q=0.5932Kg.m2=5.8132N.m此時有Tm=RΣGD2/375CeCm=RΣGD2/(30/)Ce2=3.11*5.8134/375*(30/3.14)*0.1292=329.28(ms)2.1.3測定觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)K在按線性系統(tǒng)規(guī)律進行分析和設計時，應該把這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)KS當作常數(shù)，但實際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似成線性環(huán)節(jié)。因此，最好應用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入—輸出特性，即.設計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的余量，調(diào)節(jié)放大系數(shù)KS可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定經(jīng)實驗測得KS=40.UdUctΔUdΔUct調(diào)速工作范圍 圖2-1晶閘管觸發(fā)與整流的輸入—輸出特性和KS的測定2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.2.1生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)性能的要求經(jīng)量化和折算后可以表達為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標。設計任務書中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標的要求。深刻理解這些指標的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設計思路。在以下四項中，前兩項屬于穩(wěn)態(tài)性能指標，后兩項屬于動態(tài)性能指標2.2.1.1調(diào)速范圍D生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即（2-1）2.2.1.2靜差率s當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即（2-2）靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。2.2.1.3跟隨性能指標在給定信號R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。具體的跟隨性能指標有下列各項：上升時間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間.2.2.1.4抗擾性能指標此項指標表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項組成：動態(tài)降落，恢復時間.2.2.2調(diào)速系統(tǒng)的兩個基本矛盾在理解了本設計需滿足的各項指標之后，我們會發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標的兩個矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準確性對系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；起動快速性與防止電流的沖擊對電機電流的要求互相矛盾[5]。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動，突加負載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無法解決第二個基本矛盾。在電機最大電流受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，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)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-2a所示。t0nIdnt0nIdnnIdnIdlt0Idla)b)圖2-2調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程b)理想快速啟動過程當電流從最大值降低下來以后，電機轉(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)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行.這樣的理想起動過程波形如圖2-2b所示,起動電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實現(xiàn)。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎上產(chǎn)生的。2.2.3調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理見圖2-3：圖2-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級連接.把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。2.2.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是起動過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動過程波形如圖2-4所示。圖2-4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖2-4知,整個起動過程分為三個階段：第I階段是電流上升階段。突加給定電壓Un*后,通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當Id≥IdL后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于機械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓△Un=Un*-Un數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值Uim*，強迫電流Id迅速上升。當Id≈Idm時，Ui≈Uim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不再迅猛增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段。在這個階段中ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR的輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓與ACR的給定電壓Ui*立即從限幅值下來，主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負載電流IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=IdL時，轉(zhuǎn)距Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達到峰值。此后，電動機才開始在負載的阻力下減速，與此相應，電流Id也出現(xiàn)一小段小與IdL的過程，直到穩(wěn)定。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個特點：1）飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩個狀態(tài)。當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。2）準時間控制：啟動過程中主要階段實第II階段，即恒流升速階段。它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使啟動過程盡可能更快。這個階段屬于電流受限制的條件下的最短時間控制，或稱時間最優(yōu)控制。3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制,啟動過程結(jié)束進入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un為負值，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應必然有超調(diào)[6]。2.2.5轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；2）對付在變化起抗擾作用；3）其輸出限幅決定允許的最大電流。2．電流調(diào)節(jié)器的作用：1）對電網(wǎng)電壓波動起與時抗擾作用；2）起動時保證獲得允許的最大電流；3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨起給定電壓Um*變化；4）當電動機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護最用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常[7]。2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學模型2.3.1見圖2-5:圖2-5主電路的原理圖與化簡三相橋式整流電路的主電路b)等效電路c)化簡后的等效電路其中：Rb—變壓器兩相繞阻的等效內(nèi)阻Ra—變壓器兩相繞阻漏抗引起換向壓降所對應的電阻Rn—兩個可控硅原件的正相等效電阻Rp—平波電抗器等效電阻Rd—電動機電樞等效內(nèi)阻Lb—變壓器兩相繞阻的漏感Lp—平波電抗器電感Ld—電動機電樞繞阻電感Ud0=2.34U2COSα—理想空載整流電壓E=Ce*n—直流電動機電勢RN=Rb+Ra+Rn—整流裝置內(nèi)阻RS=Rp+Rd—電動機電樞電阻R=RN+RS—主電路總電阻L=Lb+Lp+Ld—主電路總電感2.3.2由圖2-5中的c)可列出微分方程如下：(主電路,假定電流連續(xù))(額定勵磁下的感應電動勢)(牛頓動力學定律,忽略粘性摩擦)(額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)式中TL—包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；GD2—電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2；Cm=30Ce/Л—電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時間常數(shù)：TL=L/R—電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s；Tm=(GD2R)/(375CeCm)—電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，單位為s。整理后得式中IdL=TL/Cm—負載額定電流.在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)(2-3)電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為(2-4)由以上傳遞函數(shù)，可以得到額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示：圖2-6額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，直流電動機有兩個輸入量。一個是理想空載整流電壓Ud0，另一個是負載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中把電流Id表現(xiàn)出來，可將擾動量IdL的綜合點前移，并進行等效變換，如圖2-7所示圖2-7直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化和變換a)b)2.3.3晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函2.3.3.1失控時間以單相全波純電阻負載整流電路為例來討論滯后時間的大小。假設在t1時刻某一對晶閘管觸發(fā)導通，控制角為а1；如果控制電壓Vct在t2時刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導通，Vct的改變對它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會立即產(chǎn)生反應，必須等到t3時刻該組件關斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一對晶閘管。設Vct2對應的控制角為а2，則另一對晶閘管在t4時刻才導通，平均整流電壓變成Vd02。假設平均整流電壓是在自然換相點變化的，則從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時間Ts便是失控時間。本設計采用三相橋式整流電路，平均失控時間Ts=1.67(ms)，實際取1.7(ms)2.3.3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函用單位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為Ud0=KsUct1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為(2-5)考慮到Ts很小,忽略其高次項,則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)(2-6)式中Ks=—觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)；Ts=—觸發(fā)和整流裝置的平均失控時間。工程近似條件ωc≤1/3Ts(2-7)2.4調(diào)速系統(tǒng)主電路的設計在理解了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學模型和工作原理之后，可以計算出各個組成部分的選用型號與取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計算過程。本設計重點和難點在系統(tǒng)中的兩個調(diào)節(jié)器。2.4.1整流變壓器的計算2.4.1.1整流變壓器的次級相電壓的有效值U22.4.1.2變壓器初級電流、電壓和次級電流、電壓的有效值變壓器接成Δ/Y形，可以得到零線，同時濾除三次諧波。次級線電壓：U線=1.732U2=234（V）次級相電流：I2=0.816Id=12.7（A）初級線電壓：U1線=U1相=380（V）初級相電流：I1相=(U2相/U1相)*I2=4.5（A）變壓器的變比：K=U1相/U2相=2.82.4.1.3變壓器的容量S(視在功率)(1)初級容量(損耗為5%)S1=3U1ФI1Ф(1+5%)=5.39(KVA)(2)次級容量S2=3U2ФI2=5.14(KVA)(3)變壓器容量S=(S1+S2)/2=5.23(KVA)取S=5(KVA)2.4.2晶閘管組件的計算與選擇2.4.2.1SCR的額定電流IT=(1.5-2)KFId/1.57KB=12.9-17.2(A)取IT=20(A)2.4.2.2SCR的額定電壓:UKED=(2-3)ULMAX=661.4-992.1(V)取UKED=1000(V)式中ULMAX=330.7(V)——次級線電壓最大值所以可選KP20-10SCR6只檢驗電壓裕量:KV=(URED+100)/U2=3.35>2符合要求2.4.3主電路的過電壓和過電流保護2.4.3.1過電壓保護（1）交流側(cè)過電壓保護:用壓敏二極管抑制事故過電壓壓敏電阻的標稱電壓：U1MA≥1.33*1.414*UB=1.33*1.414*234=440.1(V)通流容量:IPM≥110KFU2L/U1MA*I200.95=110*0.5*234*0.2540.95÷440.1=7.95(A)選用MY31-440V/500A的壓敏電阻,其殘壓比<1.8（2）直流側(cè)過壓保護:利用電組和電容吸收操作過壓A.電容C的參數(shù):C=2LBKL2ID2/[(KV2-1)UD2]=2*2.94*103*0.52*15.62/[(22-1)*2202]=2.5(μF)取C=4μFUC>2UD=2*220=440(V)取UC=630(V)B.電阻R的參數(shù):R=UD(KV-1)/KIID=220*(2-1)/0.5*15.6=28(Ω)取R=30ΩPR≥PD/800=2.8*103/800=3.7(W)取PR=10W所以選定CD=4μF/630V,RB=30Ω/10W2.4.3.2過電流保護每個橋臂串個快速融斷器額定電流：Irn≥πKITIdmax/2KInp=0.367*1.5*15.6π/2*1.1=13.4（A）取Irn=20A額定電壓:Urn≥KVTUUb/1.414=233.9（V）取Urn=400V實際選用RSO20A/400V6只2.4.4平波電抗器的參數(shù)計算2.4.4.1限制電流脈動的電感量LmL=(Udm/UL)*103*U2/2πfbSiId=0.46*103*135/2π*300*(5-10)%*15.6=42.3mH—21.1mH2.4.4.2使電流連續(xù)的電感量LlLl=KLUL/Idmax=0.693*135/1.25=74.8mH2.4.4.3電動機電樞電感LD和變壓器電感LBLD=KDUD*103/2PnID=(8-12)220000/4*1500*15.6=18.8-28.2mHLB=1.3mH實際選定PBK-1型(50mH/20A)平波電抗器一臺。2.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理與控制單元見圖2-8:圖2－8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖其中GL—給定器 LSF—零速封鎖器ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)速器材 ACR—電流調(diào)節(jié)器SB—轉(zhuǎn)速變速器材 LB—電流變送器GL—過流保護器材 CF—觸發(fā)器本小節(jié)有助于加深對電氣組成部分的工作原理的整體理解。以下各圖電子組件型號和參數(shù)的取值是根據(jù)后續(xù)計算與工程范例所得。其關鍵取值在電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，他們保證了系統(tǒng)性能指標的實現(xiàn)。這在第三章會有詳盡的闡述。2.5.1過流保護器(GL)、電流變送器(LB)見圖2-9:圖2-9過流保護器(GL)、電流變送器(LB)2.5.2電流調(diào)節(jié)器見圖2-10:圖2-10電流調(diào)節(jié)器(ACR)2.5.3零速封鎖器(LSF)見圖2-11:圖2-11零速封鎖器(LSF)2.5.4給定器(GD)見圖2-12:圖2-12給定器(GD)2.5.5轉(zhuǎn)速變送器(SB見圖2-13:圖2-13轉(zhuǎn)速變送器(SB)2.5.6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器見圖2-14:圖2-14轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)2.5.7鋸齒波觸發(fā)器(本調(diào)速系統(tǒng)須6個可控硅輪流觸發(fā)，圖2-15是1GT的觸發(fā)器電路，其余五個可類推。圖2-15鋸齒波觸發(fā)器(GT)2.6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在對調(diào)節(jié)器具體設計之前，為了從整體理解整個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，這里先給出了各調(diào)節(jié)器和變送器的傳遞函數(shù)。他們的理論根據(jù)在第三章具體闡述。2.6.1電流調(diào)節(jié)器和電流變送器的傳函2.6.1.1電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)Uct(s)/〔Un*(s)-βId(s)〕=Ki(τis+1)/τis（Tois+1）其中：Ki=Ri/Ro—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)τi=RiCi—電流調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Toi=0.25RiCoi—電流反饋濾波時間常數(shù)β—電流反饋系數(shù)2.6.1.2電流變送器LB的傳遞函數(shù)βId(s)/Id(s)=β(v/A)2.6.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速變送器的傳函2.6.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)Ui*(s)/{Un*(s)-αn(s)}=Kn(τns+1)/τns（Tons+1）其中：Kn=Rn/R0—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)τn=RnCn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Ton=0.25RnCon—轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)α—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)2.6.2.2轉(zhuǎn)速變送器SB的傳遞函數(shù)Un(s)/n(s)=a（v/rpm）2.6.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，由上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要給定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)Toi的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：使給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。同樣，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)由Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，也需要在轉(zhuǎn)速給定通道配上時間常數(shù)為Ton為濾波環(huán)節(jié)[6]。所以實際的電路需增加電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個給定濾波環(huán)節(jié)，見圖2-16:圖2-16雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.7本章小結(jié)本章在簡要介紹了本設計所涉與的參數(shù)測定后，重點分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學模型，得出了其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。對主電路設計計算和各主要電氣控制單元也做了必要的闡述。按工程設計方法設計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.1設計要求本論文首先應用經(jīng)典控制理論的工程設計方法,設計出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標最優(yōu)設計方法,設計此調(diào)速系統(tǒng)。3.1.1基本數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）（1）被控直流電動機Pnom=2.8kwUnom=220vInom=15.6ANnom=1500rpmRD=1.41ΩCe=0.129V/rpm=1.5Cm=（2）整流裝置三相全控橋式整流電路Rn=RB+Rγ+RN=1.60ΩKs=ΔUd/ΔUk=40Ts=1.7ms（3）電樞回路總電阻R＝Rn+Rs=RB+Rγ+RN+Rp+RD=3.11Ω（4）電樞回路總電感L=LB+Lp+LD=74.58mH（5）電動機軸一總飛輪矩GD2=0.5932kg.m2（6）系統(tǒng)時間常數(shù)Tl＝0.02398sTm=0.30460s（7）反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.005sTon=0.01s（8）調(diào)節(jié)器最大給定電壓U*nm=U*im=8v（9）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0=40kΩ3.1.2設計指標（1）負載：恒轉(zhuǎn)矩負載Idl=0.8Inom（2）起動方式：空載起動到額定轉(zhuǎn)速，Ido=0.05Inom（3）性能指標：1）調(diào)速范圍：D＝102）靜差率：S≤4%3）電流超調(diào)量σi%≤5%4）轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%≤10%5)突加負載的動態(tài)速降≤3%6）恢復時間t?≤1.5秒3.2工程設計方法的基本思路用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求[8]。作為工程設計方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設計過程分為兩步：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，同時滿足所需要的穩(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)性能指標這樣做，就把穩(wěn)、準、快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—動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算以下就可以了。這樣就使設計犯法規(guī)范化，大大減少了設計工作量[6]。在2.6.1和2.6.2中已給出了電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，此處詳細討論其理論依據(jù)與工程實現(xiàn)問題。3.3電流調(diào)節(jié)器的設計3.3.1電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化設計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)TL一般遠小于機電時間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認為E不變，即△E=0。這樣，在設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取T∑i=Ts+Toi[6]。圖3-1電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與其化簡3.3.2確定電流環(huán)的時間常數(shù)以下數(shù)據(jù)Ts和Toi,設計任務書已給定。3.3.2.1三相橋式電路的平均失控時間Ts=1.7ms3.3.2.2電流濾波時間常數(shù)ToiToi=5ms3.3.2.3電流環(huán)小時間常數(shù)T∑I=Ts+Toi=6.7ms(3-1)3.3.3首先應決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個觀點出發(fā),應該把電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)。可電流環(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動與時調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。一般情況下,當控制對象的兩個時間常數(shù)之比TL/T∑I≥10時,典Ⅰ系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的。因此,一般多按典Ⅰ系統(tǒng)來設計電流環(huán)[6]。本設計因為δi%≥5%且TL/T∑I=23.98/6.7<10。所以按典Ⅰ系統(tǒng)設計,選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(3-2)式中Ki—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)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇=TL,則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖3-2：圖3-2電流環(huán)簡化成典Ⅰ系統(tǒng)3.3.4電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算3.3.4.1計算時間常數(shù)和比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù):τI=Tl=23.98ms電流開環(huán)增益:要求σi%≤5%,應取KIT∑i=0.5因此KI=0.5/T∑i=0.5/0.0067=74.6（1/s）電流反饋系數(shù)β(3-3)于是，ACR的比例系數(shù):(3-4)3.3.4.2計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運放取R0=40k(Ω),則Ri=KiR0=16.4k(Ω)(3-5)Ci=τi/Ri=0.02398/16.4k=1.5μF(3-6)Coi=4Toi/R0=4*0.005/(40*103)=0.5μF(3-7)在工程實際中Ri取16kΩ.3.3.5校驗近似條件電流環(huán)的截止頻率ωci=KI=74.63.3.5.1晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件ωci≤1/3Ts現(xiàn)在，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ωci，滿足近似條件。3.3.5.2忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件(3-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.30460*0.02398))1/2=35.10≤ωci=KI=74.63.3.5.3小時間常數(shù)近似處理條件(3-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.002))1/2=180.78>ωci=74.6按上述參數(shù),電流環(huán)可以達到動態(tài)指標σI%=4.3%<5%。3.3.6電流環(huán)的動態(tài)性能指標3.3.6.1頻域指標電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示,其開環(huán)頻率特性為:(3-10)L(ω)=20lgKI-20lgω-20lg(1+T∑i2ω2)?(3-11)Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iω(3-12)γ(ω)=90o-tg-1T∑iω(3-13)根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨指標和頻域指標的參數(shù)的關系,當KIT∑i=0.5時,阻尼比ξ=0.707，振蕩指標MP=1，截止頻率ωci=KI=74.6因此Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iω=-116.6oγ(ωci)=180-Φ(ω)=63.4o3.3.6.2跟隨性能指標σi%=4.3%<5% 上升時間tr=4.72T∑i=4.72*0.0067=31.62ms超調(diào)時間tm=6.5T∑i=6.5*0.0067=43.55ms調(diào)節(jié)時間tS=6T∑i=6*0.0067=40.2ms3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計3.4.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：(3-14)(3-15)近似條件:(3-16)式中ωcn為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計算完成后,需校驗此近似條件。3.4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/α；再把時間常數(shù)為Ton和2T∑i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T∑n的慣性環(huán)節(jié)，且T∑n=Ton+2T∑I,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3-3（b）。圖3-3轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與其近似處理3.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.4.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型Ⅱ型系統(tǒng)的原因1).系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2).ST飽和時，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。3).速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。3.4.3.2典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標的關系為了分析方便起見，引入一個新的變量h，令h=τ/T=ω2/ω1(3-17)h是斜濾為-20dB/dec的中頻斷的寬度(對數(shù)坐標)，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此h只是一個很關鍵的參數(shù)。從頻率特性上還可看出，由于T一定，改變τ就等于改變了中頻寬h；在τ確定以后，再改變K相當于是開環(huán)對數(shù)幅頻特性上下平移，從而改變了截止頻率ωc。因此在設計調(diào)節(jié)器時，選擇兩個參數(shù)h和ωc，就相當于選擇參數(shù)τ和K。由“振蕩指標法”中所用的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準則，對于一定的h值，只有一個確定的ωc(或K)，可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin，這時ωc和ω1，ω2之間的關系是ω2/ωc=2h/(h+1)(3-18)ωc/ω1=(h+1)/2(3-19)而ω1+ω2=2ωc/(h+1)+2hωc/(h+1)=2ωc因此ωc=(1/2)(ω1+ω2)=(1/2)(1/τ+1/T)(3-20)對應的最小M峰值是Mrmin=(h+1)/(h-1)(3-21)確定了h和ωc以后,可以很容易的計算τ和K。由h的定義知τ=hT(3-22)[9](3-23)3.4.4轉(zhuǎn)速調(diào)解器參數(shù)的計算要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，ASR也應采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(3-24)式中Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);τn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù).這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為(3-25)其中,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=KnаR/(τnβCeTm)(3-26)上述近似的假定條件如下(1)ωcn≤1/(5T∑I)=29.85rad/sec[見(3-11)](2)小時間常數(shù)近似條件:(3-27)即ωcn≤(1/3)(1/(2*0.0067*0.01))1/2=28.80(rad/sec)其中轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù):Ton=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù):T∑n=2T∑I+Ton=0.0234s按跟隨性能和抗擾性能都比較好的原則,取h=5則ASR的超前時間常數(shù):τn=hT∑n=5*0.0234=0.117(s)再由式(3-23),轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=(h+1)/(2h2T∑n2)=6/(1*25*0.02342)=219.15(1/s2)ASR的比例系數(shù)Kn=(h+1)βCeTm/(2hαRT∑n)(3-28)=6*0.342*0.129*0.30460/(2*5*0.0053*3.11*0.0234)=20.9轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率ωcn=KN/ω1=KN*τn=219.15*0.117=25.64(3-29)取R0=40k則Rn=KnR0=836k (3-30)Cn=τn/R0=0.117/40k=0.14uF (3-31)Con=4Ton/R0=4*0.01/40k=1uF (3-32)在工程實際中Rn取840KΩ.3.4.5轉(zhuǎn)速環(huán)的性能指標3.4.5.1轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能指標因為(3-33)得%=37.6%顯然,%不滿足設計要求，事實上，當突加給定或大幅度升降或制動時，ST處于飽和限幅狀態(tài)，系統(tǒng)的超調(diào)實際上是退飽和超調(diào)。而上述計算的%=37.6%卻是ASR處于線性狀態(tài)下的超調(diào)[6]。由任務書可知，該直流電機的起動方式為空載起動到額定轉(zhuǎn)速，此時分析典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標的的基準值：（3-34）當h=5時，查典型Ⅱ型抗擾性能指標表得所以，有（3-35）滿足設計要求。3.4.5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能指標（1）突加負載的動態(tài)速降指標：續(xù)3.4.5.1，有，所以（3-36）因此（3-37）滿足設計要求。（2）恢復時間指標：根據(jù)“典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)關系”表，當h=5時，，而所以，滿足設計要求。3.5系統(tǒng)的靜態(tài)綜合與靜態(tài)性能指標3.5.1近似的PI調(diào)節(jié)器嚴格來說，“無靜差”只是理論上的，因為積分或比例積分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時電容兩端的電壓不變，相當于開路，由于ST和LT都采用了PI調(diào)節(jié)器,可以認為其靜態(tài)放大倍數(shù)為無窮大,所以才能在輸入電壓△U=0時，使輸出電壓Uct成為任意所需值，因此,消除了穩(wěn)態(tài)誤差,但是也容易使運放產(chǎn)生“零漂”，引起系統(tǒng)的工作點移動。為了抑制“零漂”，往往采用近似的PI調(diào)節(jié)器，即在運放的輸出端和輸入端并聯(lián)一個較大的硬反饋電阻，把靜態(tài)放大倍數(shù)壓下來，同時又不影響動態(tài)放大倍數(shù)。這樣系統(tǒng)就成了有差系統(tǒng)，有必要對系統(tǒng)進行靜態(tài)綜合，以滿足靜態(tài)性能指標的要求。近似的PI調(diào)節(jié)器與對數(shù)幅頻特性如圖3-4所示：圖3-4近似調(diào)節(jié)器與對數(shù)幅頻特性a)近似調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖b)近似調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特性在R1、C1兩端并接一個電阻R1/，其值一般為若干MΩ，這樣就形成了近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準PI調(diào)節(jié)器”。這時調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)更低于無窮大，為KP/=Ri//R0，系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。(3-38)式中KP/=Ri//R0，ρ=(R1+R’1)/R1>>1,τ1=R1C1靜態(tài)放大倍數(shù)KP/=Ri//R0，動態(tài)放大倍數(shù)KP=Ri/R0。3.5.2系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示:圖3－5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中KN/=RN/R0—速度調(diào)節(jié)器的靜態(tài)放大倍數(shù)KI/=RI/R0—電流調(diào)節(jié)器的靜態(tài)放大倍數(shù)KS=△Ud/△UK=40α=Ufn/n=Ugn/n=0.0053v/rpmβ=Ufi/Id=8/15=0.342V/A由圖3－5易得如下方程:△Un=Un*-Un,Ui*=KN/△Un,△Ui=Ui*-βId,Uct=KI/△Ui整理后能夠得到系統(tǒng)的靜特性方程為:(3-39)其中K=KN/KI/KSα/Ce—系統(tǒng)的開環(huán)增益靜態(tài)速降為:(3-40)設計要求滿足的靜差率為s≤4%.調(diào)速范圍D,靜差率s與靜態(tài)速降△ned的關系為:△ned=neds/D(1-s)即△ned=1500*0.04/10(1-0.04)=6.25為系統(tǒng)所能允許的靜態(tài)速降。一般情況下，總有βKI/KS>>R，K>>1則取KI/=100，有RI/=KI/R0=100*20=2MΩ由(3-16)整理得:帶入數(shù)據(jù)得KN/=161.3取KN/=170,所以Rn=Kn/R0=170*20=3.4(MΩ)取KI/=100,則檢驗:顯然，滿足性能指標要求。3.6本章小結(jié)本章主要研究雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計。其根本思想是把調(diào)節(jié)器設計成典型系統(tǒng)。具體即再先設計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。對該調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標進行分析和校驗后，還須研究其靜態(tài)綜合，并對靜態(tài)性能指標加以改善。調(diào)速系統(tǒng)性能指標的數(shù)字仿真4.1基于工程設計法的數(shù)字仿真4.1.1在第4章基于工程設計方法中,我們已經(jīng)設計出了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),并得到以下參數(shù)直流電動機：=220V=15.6A=1500r/minCe=0.129V/rpm；電動機總飛輪矩：主回路總電阻：R=3.11Ω=0.0017s=0.005sTl=0.02398s=0.01s,Tm=0.30460s；反饋系數(shù)：α=0.0053V/rpmβ=0.342V/A應用MATLAB工具箱與其SIMULINK仿真工具，按其規(guī)則，可以非常方便的繪制出控制系統(tǒng)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖以與各種仿