畢業(yè)設(shè)計---直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　當(dāng)前全球經(jīng)濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。</p><

2、p>　　能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達國家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國家比較（90年代中

3、期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤kW/h，是國際先進水平的1.27倍。</p><p>　　由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦

4、時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55 —220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達500億元左右。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。</p><p>　　目前，國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的很大一部分還是被國外公司所占據(jù)。因此

5、，為了加快國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個全面的了解。</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動裝置之一。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領(lǐng)域的自動控制中。它在以計算機做為工具的仿真系統(tǒng)應(yīng)用時不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。</p><p>　　近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速

6、系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅(qū)動設(shè)備。在各種高精工業(yè)生產(chǎn)中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數(shù)自整定、故障報警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今的熱門。而計算機和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

7、結(jié)合體，剛好具有以上特點。應(yīng)而，將來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，它將具有不可替代的優(yōu)勢。</p><p>　　1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。目前，需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.1 晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　2

8、0世紀(jì)50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。</p><p>　　圖1.1是V-M系統(tǒng)的簡單原理圖[1,3,5]。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全

9、波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖1.1 晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）</p>

10、;<p>　　但是，晶閘管還存在以下問題：</p><p>　　（1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；</p><p>　?。?） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件；</p><p>　　（3） 當(dāng)系統(tǒng)

11、處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運行時，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；</p><p>　?。?） 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動機每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的電流脈動很嚴(yán)重。</p><p>　　1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　1.2.1 系統(tǒng)的組成</

12、p><p>　　由前面的分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速要求。許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統(tǒng)同時滿足D、S的要求，提高調(diào)速質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。用轉(zhuǎn)速檢測裝置，例如在電動機上安裝一臺測速發(fā)電機TG，檢測出輸出量或被調(diào)量n的大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓△Un，經(jīng)放大產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動機的

13、轉(zhuǎn)速。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖1.2。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會產(chǎn)生糾正偏差的自動調(diào)節(jié)過程。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。</p><p>　　圖1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　1.2.2 系統(tǒng)的工作原理</p><p&

14、gt;　　改變轉(zhuǎn)速給定電壓Un的大小，就可以改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖1.3所示，設(shè)電動機在Ud1決定的特性上的點1處以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運行，這時負(fù)載電流Id=Id1，控制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當(dāng)電動機上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL加大時有如下自動調(diào)節(jié)過程,整流電壓平均值的增量△Ud=Ud2-Ud1,用</p><p>　　與補償電阻牙降增量△IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉(zhuǎn)速最后

15、穩(wěn)定在Ud2決定的特性上的點2處，顯然n2略小于n1。</p><p>　　圖1.3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機械特性的關(guān)系</p><p>　　上述自動調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負(fù)載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機械特性。按上述工作原理在每條開環(huán)機械特性上取一個相應(yīng)的工作點，再將這些點集合起來 ，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實際上是由許多機械特性上的

16、不同運行點集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。</p><p>　　由此可知，閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)降速的實際在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電路。</p><p>　　1.2.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)</p><p>　　轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律：&

17、lt;/p><p>　　（1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的；</p><p>　　（2） 單閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕對服從；</p><p>　?。?） 單閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗擾性能。</p><p>　　1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　1.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成</p><

18、;p>　　單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，且采用電流截止負(fù)反饋作限流保護可以限制啟（制）動時的最大電流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題：</p><p>　?。?） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時進行電流調(diào)節(jié)。

19、一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質(zhì)。</p><p>　?。?） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。</p><p>　　為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別

20、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.1.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖1.4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動機過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系，就是

21、將兩者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實現(xiàn)串級調(diào)節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。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)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器[4]，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖1.4。</p>

22、;<p>　　1.3.1.2 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定</p><p>　　在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定信號，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的限幅值完全取決于電動機所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小α角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計算與整定是系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試工作中很

23、重要的一環(huán)。</p><p>　　1.3.1.3 調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　為使調(diào)速系統(tǒng)消除靜差，并改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會因輸入干擾信號的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號，而使電動機爬行，這在控制上是不允許的，因此對調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的調(diào)節(jié)器，在沒有給出電動機啟動指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位

24、上，簡稱為調(diào)節(jié)器鎖零[5,6,7]。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來實現(xiàn)的。并且系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。</p><p>　?。?） 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時，調(diào)節(jié)器必須鎖零；</p><p>　?。?） 系統(tǒng)接到啟動指令或正常運行時，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。</p><p>　　根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個信號來控制調(diào)節(jié)器“鎖零”與“開放”兩個狀態(tài)

25、。</p><p>　　停車時：Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零,無輸出信號。</p><p>　　啟動時：Un≠0，Ufn=0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)運行時：Un=Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　制動停車時：Un=0, Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)

26、。</p><p>　　必須注意，對于可逆調(diào)速系統(tǒng)，Un=0, Ufn≠0時，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對其進行制動停車控制。為使鎖零電路對不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性，Un=0, Ufn≠0時，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。調(diào)節(jié)器鎖零可以采用場效應(yīng)管來實現(xiàn)，如圖1.5所示。</p><p>　　圖1.5 調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　當(dāng)Un=Ufn=0時，鎖零調(diào)節(jié)電路使

27、場效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。</p><p>　　1.3.1.4 系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定</p><p>　　在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋閉環(huán)，就必須使ASR、ACR的輸入信號Un與Ufn,Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號的極性呢？</p><p>　　在實際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，要正確的確定上述信號的極性，必須首先

28、考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定ACR輸出電壓Uc的極性，然后根據(jù)ACR和ASR輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定Ui和Un的極性，最后按照負(fù)反饋要求確定Ufi和Ufn的極性。</p><p>　　確定各輸入、輸出信號極性的一般方法如下：</p><p>　?、?根據(jù)晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求確定其移相控制電壓Uc的極性；</p><p>　　

29、② 根據(jù)各調(diào)節(jié)器輸入端的具體接法（習(xí)慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調(diào)節(jié)器給定輸入信號的極性；</p><p>　?、?根據(jù)負(fù)反饋的要求確定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號的極性。</p><p>　　1.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性</p><p>　　1.3.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)

30、圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫出圖1.6所示雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[8]。</p><p>　　其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器ASR、ACR這兩個環(huán)節(jié)的輸入與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無法用放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的輸出特性表示。</p><p>　　圖1.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　α—為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β—為電流反饋系數(shù)</p>

31、;<p>　　1.3.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性仍然表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n與電流Id或轉(zhuǎn)矩Te的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)時n=f(Id)或n=f(Te)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般有兩種狀態(tài)：飽和——輸出達限幅值；不飽和——輸出未達限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和

32、；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，其比例積分控制作用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓△U為零。實際上，系統(tǒng)正常運行時，電流調(diào)節(jié)器不會達到預(yù)先設(shè)計好的飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</p><p>　　這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓△Un=0得</p><

33、p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　（1.2）</b></p><p>　　由ACR的輸入偏差電壓△Ui=0得</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　從而可畫出圖1.7所示靜特性的n0—A段。由于ASR不飽和，因此

34、Ui<Uim,由式（1.3）知Id<Idm，這表明n0—A段靜特性從Id=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到Id= Idm，而在一般情況下Idm>Id，這正是靜特性的運行段。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和時，ASR輸出達限幅值Uim，轉(zhuǎn)速環(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單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)

35、態(tài)時</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中，最大電流Idm是由設(shè)計者選定的，取決與電動機所允許的最大過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式（1.4）所描述的靜特性如圖1.7中的A—B段。這樣的下垂特性只適合于n≤n0的情況。若n>n0，Ufn>Un,ASR將退出飽和狀態(tài)。</p><p>　　由以

36、上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差；當(dāng)負(fù)載電流達到Idm后表現(xiàn)為電流無靜差，使系統(tǒng)獲得過電流自動保護。這就是采用兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性好。但是，實際上，由于運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為避免零點漂移而采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器（即在PI調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個阻值為若干MΩ的電阻）時，靜特

37、性的兩段都略有很小的靜差，如圖1.7中虛線所示。</p><p>　　1.3.2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算</p><p>　　由于轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)無靜差，因此，當(dāng)系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)，且兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，由圖1.7可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下</p><p>　　圖1.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖</p

38、><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　（1.7）</b></p><p>　　上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由負(fù)載電流IL決定，而控制電壓Uc的大小同時由n和I

39、d決定，也就是由Un和IL決定。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的不同之處在于：P調(diào)節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。鑒于此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時，雖然ASR、ACR的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都有恒定的輸出電壓。這時，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為</p><p><b>　?。?.8）&l

40、t;/b></p><p><b>　　電流反饋系數(shù)</b></p><p><b>　　（1.9）</b></p><p>　　其中兩個給定電壓的最大值Unm和Uim由運算放大器允許的最大輸入電壓決定。</p><p>　　1.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析</p><

41、p>　　1.3.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型[9—12]</p><p>　　根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1.4，可畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.8所示。</p><p>　　圖1.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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)</p><p>　　1.3

42、.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性</p><p>　　一般來說調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能主要指系統(tǒng)對給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統(tǒng)對擾動輸入（階躍擾動）的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能或稱動態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　（1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時的啟動過程</p><p>　　設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的是要獲得接近于理想啟動

43、過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時的啟動過程。當(dāng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流隨時間變化的波形如圖1.9所示。由于在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，因此整個啟動過程分為三個階段，在圖中分別標(biāo)以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。</p><p>　?、?第Ⅰ階段（0-t1）：強迫電流上升階段</p><p>　　突加給定電壓Un后，通過

44、兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當(dāng)Id≥IL后,轉(zhuǎn)速n從零開始增長，但由于電動機機電慣性較大，轉(zhuǎn)速n及其反饋信號Ufn增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因輸入偏差電壓△Un=Un-Ufn數(shù)值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強迫Id電流迅速上升。當(dāng)Id=Idm時，Ufi≈Uim,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再增長，第Ⅰ階段結(jié)束[1,9]。</p><p>　　在這一階段中，ASR由不飽和很快

45、達到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮和給予保證的。</p><p>　　② 第Ⅱ階段（t1-t2）:恒流升速階段，即電動機保持最大電流作等加速啟動的階段。</p><p>　　該階段從電流上升到Idm開始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值n1為止，是啟動過程的主要階段。</p><p>　　在這個階段中，ASR一直處于飽和狀態(tài)（因△U

46、n未改變極性）,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，其作用是輸出最大電流給定值Uim，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（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決與ACR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速及反電勢線性上升。在電流環(huán)實現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)的過程中，反電勢E是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動量，Uc 和Ud也必須基本上線性增長，才能保持Id恒定。電流環(huán)對擾動E的恒流調(diào)節(jié)過程如下</p><

47、;p>　　n↑→E↑→Id↓→Ufi↓→|△Ui|↑→Uc↑→Ud↑→Id↑</p><p>　　轉(zhuǎn)速n不斷上升，ACR便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過程，以維持電流Id恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長，就必須使其輸入量偏差電壓△Ui保持為某一恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。</p><p>　　上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動的

48、調(diào)節(jié)過程，反電勢擾動對電流的影響為ACR的積分作用所補償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動過程中，ACR不能飽和。這就要求ACR的積分時間常數(shù)和被控對象的時間常數(shù)T1要相互配合。同時，晶閘管整流裝置的最大電壓Udm必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)予以考慮和解決的問題。</p><p>　?、?第Ⅲ階段（t2-t4）：轉(zhuǎn)速超調(diào)進入穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。</p>

49、<p>　　在該階段開始時，即t2時刻，轉(zhuǎn)速已達給定值n1，ASR的給定電壓Un與反饋電壓Ufn相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim上，因此電動機仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的輸入偏差△Un由正變負(fù)，ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來，Id隨之迅速減小。但是，在Id>IL的一段時間內(nèi)（即t2-t3）時間內(nèi)，

50、dn/dt<0,電動機在負(fù)載阻力下減速，直至系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)。該階段的特點是ASR、ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。但是ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；而ACR的作用是使Id盡快的跟隨ASR的輸出Ui變化，也就是說，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由轉(zhuǎn)速外環(huán)支配的，是一個電流隨動子系統(tǒng)。</p><p>　?。?） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能</p><p>　　負(fù)載擾動和電網(wǎng)

51、電壓擾動是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個主擾動，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時間，就說明系統(tǒng)具有較強的動態(tài)抗擾能力。</p><p>　?、?抗負(fù)載擾動 由圖1.8所示的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時，必然會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為了減小動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計ASR時，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對ACR的設(shè)計

52、來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。</p><p>　　② 抗電網(wǎng)電壓擾動 從靜特性上看，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)內(nèi)（如圖1.9）它的影響還未波及到轉(zhuǎn)速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降（升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。</p><p>　　圖1.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能</p><p>　　2

53、 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定</p><p>　　在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，電動機、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負(fù)載的工藝要求來選擇和設(shè)計，轉(zhuǎn)速和電流反饋系統(tǒng)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算得到。最后剩下的是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動態(tài)校正法，由于該法必須同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設(shè)計采用另一種方法，工程設(shè)計法。</p>

54、;<p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計[13]，包括對某些簡單的典型低階系統(tǒng)進行深入研究，找出適合與給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計過程簡便、明確且具有一定的準(zhǔn)確性。</p><p>　　工程上通常選用以下兩種預(yù)期典型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　　二階典型系

55、統(tǒng)（典Ⅰ系統(tǒng)）[11]</p><p>　　三階典型系統(tǒng)（典Ⅱ系統(tǒng)）</p><p>　　在具體選擇時，若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可選典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.1 總體方案</b></p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用

56、由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計時，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計。每個環(huán)的設(shè)計都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。通常，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為

57、主，而調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。</p><p>　　2.2 電流環(huán)設(shè)計方案</p><p>　　2.2.1 電流調(diào)節(jié)器的工作原理</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器也有兩個輸入信號。一個是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號Un，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號Uif，當(dāng)突加速度給定一個很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為最

58、大值，從而電動機在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動過渡時間最短。</p><p>　　如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(如降低)時，整流器輸出電壓也會隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經(jīng)過電動機機械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化(增大)，則α也變化（變小)，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)(增加)致電原來的數(shù)值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時，

59、在電動機轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。</p><p>　　同樣，如果機械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時，電流負(fù)反饋也及時地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護晶閘管和直流電動機不致因電流過大而損壞。</p><p>　　2.2.2 電流調(diào)節(jié)器的作用</p>

60、<p>　?、?對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；</p><p>　　② 啟動時保證獲得允許的最大電流，實現(xiàn)最佳啟動過程；</p><p>　?、?在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化；</p><p>　?、?依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；</p><p>　?、?當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，可限制最大電樞電

61、流，起到快速的安全保護作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常。 </p><p>　　電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)或典Ⅱ系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p><b>　　其具體設(shè)

62、計步驟為：</b></p><p>　　（1） 對電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖進行簡化；</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計算；</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計方案</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理</p>&l

63、t;p>　　在主電機上安裝一直流測速發(fā)電機，發(fā)出正比于主電機轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較，其偏差△Un送到速度調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓，例如提高Un*，則有較大△Un加到ASR輸入端，ASR自動調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(α減小)，整流電壓Ud提高，電動機轉(zhuǎn)速上升，與此同時，Um也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時，系統(tǒng)達到平衡，電動機在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。</p><

64、;p>　　如果電動機負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用，當(dāng)電機負(fù)載增加時轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移(α變小)，Ud提高，電動機轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來數(shù)值時，Unf又等于給定電壓，系統(tǒng)又達到平衡狀態(tài)。如果擾動不是來自負(fù)載而是來自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會按上述過程進行調(diào)節(jié)，使電動機轉(zhuǎn)速維持在給定值上運行。同樣道理，當(dāng)電動機負(fù)載下降，或交流電壓

65、提高時，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動機近似轉(zhuǎn)速不變。</p><p>　　2.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 </p><p>　?、?實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un變化；</p><p>　　② 對負(fù)載變化起抗擾作用；</p><p>　?、?能對電流環(huán)進行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p>

66、;<p>　　電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)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)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為合適的典型系統(tǒng)，再由調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)和采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對其主要參數(shù)選擇。并以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)超調(diào)量進行計算，看是否符合設(shè)計需要。</p><p>　　3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　晶閘管整流裝置供電的

67、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動機 220V,15.6A,1500r/min,2.8kW,Ra=1.5Ω；</p><p>　　晶閘管整流裝置 Ks=50;</p><p>　　時間常數(shù) TL=0.008s,Tm=0.25s;</p><p>　　電樞回路總電阻 R=2.5Ω;<

68、/p><p>　　轉(zhuǎn)速給定的最大電壓為 Unm=10V,其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 nmax=1200 r/min;</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器限幅值 Uim=10V。</p><p><b>　　設(shè)計要求：</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 無靜差；</b></p><p>

69、;　　動態(tài)指標(biāo) 電流超調(diào)量 δi%≤5%；空載啟動到1200 r/min時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn%≤6%。</p><p><b>　　有關(guān)參數(shù)的計算。</b></p><p>　　a 電動機的電勢常數(shù)</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　b 三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時

70、間</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　c 電流反饋系數(shù)β 設(shè)最大允許電流Idm=1.25IN，則電流反饋系數(shù)為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　d 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α</b></p><

71、;p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　e 電流給定和反饋濾波時間常數(shù)Toi 一般取1—3ms，這里取</p><p>　　Toi=2ms=0.002s (3.5)</p><p>　　f 轉(zhuǎn)速給定和反饋濾波時間常數(shù)Ton 一般取5—3ms，這里取</p>

72、<p>　　Ton=10ms=0.01s (3.6)</p><p>　　3.1 電流環(huán)的設(shè)計</p><p>　　電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置[14—16]，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)或典Ⅱ系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系

73、統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典Ⅱ系統(tǒng)</p><p>　　圖3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化</p><p>　　圖3.1虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。為按典型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，需對其結(jié)構(gòu)圖作以下工程近似和等效處理。</p><p>　　3.1.1.1 忽略反電勢的影響</

74、p><p>　　將電流環(huán)單獨拿出來設(shè)計，首先遇到的問題是反電勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù)TL遠(yuǎn)小于機電時間常數(shù)Tm，電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，因而也比反電勢E的變化快得多。因此，反電勢對電流環(huán)的影響可以看作對恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種變化緩慢的擾動，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認(rèn)為E基本不變，或認(rèn)為△E=0。這樣，在進行電流環(huán)動態(tài)設(shè)計時，可暫不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用忽略

75、不計，以簡化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.2（a）所示?？赏茖?dǎo)其近似條件為</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　3.1.1.2 變換成單位反饋系統(tǒng)</p><p>　　利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2（b）所示。</p>&

76、lt;p>　　圖3.2 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化</p><p>　　3.1.1.3 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　　由圖3.2(b)可見，電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對象由三個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其中晶閘管變流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流反饋濾波時間常數(shù)Toi都比電磁時間常數(shù)TL小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，將二者等效成一個時間常數(shù)為</p><p><b

77、>　　(3.8)</b></p><p>　　的小慣性環(huán)節(jié)。其近似條件為</p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終可簡化成圖3.2(c)</p><p>　　3.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計算</p><p>　　如前所述，根據(jù)對

78、電流環(huán)的具體要求不同可以按典Ⅰ系統(tǒng)也可按典Ⅱ系統(tǒng)來設(shè)計電流。但是，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　時，應(yīng)按典Ⅰ系統(tǒng)來計算。</p><p>　　由圖3.2可知，電流環(huán)的控制對象由兩個慣性環(huán)節(jié)組成，若按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計，則應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><

79、p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　式中 Ki——電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；</p><p>　　τi——電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。</p><p><b>　　參數(shù)配合為</b></p><p><b>　　(3.12)</b></p>&l

80、t;p>　　這時電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3.3(a)所示典Ⅰ系統(tǒng)的形式，其中電流環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)KI：要求δi≤5%時，應(yīng)按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計，取</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　相應(yīng)地，電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性入圖3.3（b）所示。</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Ki和τi，已選τi=

81、TL，Ki的確定取決與所需的</p><p>　　ωci和動態(tài)性能指標(biāo)。因本設(shè)計要求跟隨性能好，超調(diào)量小，固按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，取</p><p>　　或 (3.14)</p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　(3.1

82、5)</b></p><p><b>　　得</b></p><p><b>　　(3.16)</b></p><p>　　3.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖入圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3

83、 校正成典Ⅰ系統(tǒng)的電流環(huán)</p><p>　　圖3.4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　首先畫出其輸入等效電路如圖3.5所示，圖中A點為虛地點，可以認(rèn)為它與電容Coi的接地端連在一起。</p><p>　　圖3.5 含濾波環(huán)節(jié)的輸入等效電路</p><p>　　由圖3.5可得流入A點的電流ia的拉氏變換表達式為&l

84、t;/p><p><b>　　(3.17)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　為電流濾波時間常數(shù)。</p><p>　　于是圖3.4中虛地點A的電流平衡方程式為</

85、p><p><b>　　(3.19)</b></p><p>　　式中 Ki=Ri/R0,Ti=RiCi。</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計</p><p>　　3.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電

86、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，須求出電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)。由圖3.3可得按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.20)</b></p><p>　　由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率ωcn低于電流環(huán)的截止頻率ωci，即ωcn<<ωci，因此，設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時可把電流環(huán)看成一個小慣性環(huán)節(jié)，WBi(s)可降階近似處理為</p&g

87、t;<p><b>　　(3.21)</b></p><p>　　相應(yīng)的近似條件，轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率</p><p><b>　　(3.22)</b></p><p>　　這種近似的概念可用圖3.6的對數(shù)幅頻特性表示。對數(shù)幅頻特性漸近線入圖3.6中的特性A。近似為一階慣性環(huán)節(jié)后為特性B，當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)ωcn較低時，對于

88、轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性而言，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有些差異。</p><p>　　由于電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入應(yīng)為Ui,因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)應(yīng)為</p><p>　?。ó?dāng) 時） </p><p><b>　　(3.23)</b></p><p>　　圖3.6 電流環(huán)原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性&

89、lt;/p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　將電流環(huán)用等效傳遞函數(shù)代替后，整個轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.7（a）所示，且可用前述方法將其簡化成圖3.7（b）。其中</p><p><b>　　(3.24)</b></p><p>　　顯然，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性環(huán)節(jié)組成。

90、一方面由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對象在擾動作用點之前已有了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)；另一方面由于轉(zhuǎn)速環(huán)的主擾動是作用于被控對象積分環(huán)節(jié)前的經(jīng)常性的負(fù)載擾動，要求轉(zhuǎn)速環(huán)具有較好的抗擾性能。因此，毫無疑問應(yīng)將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p>　　要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)，應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.

91、25)</b></p><p>　　式中 Kn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　τn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　式中轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為</p&

92、gt;<p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　不考慮負(fù)載擾動時，校正后調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖3.7(c)中。</p><p>　　圖3.7 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理</p><p>　　3.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)KN和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

93、參數(shù)Kn和τn的確定處決與調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)要求和采用哪種參數(shù)選擇準(zhǔn)則。根據(jù)前面的條件，應(yīng)用Mrmin準(zhǔn)則選擇參數(shù)，則</p><p><b>　　(3.28)</b></p><p><b>　　(3.29)</b></p><p><b>　　(3.30)</b></p><

94、;p>　　其中，中頻寬h的大小由系數(shù)對動態(tài)性能指標(biāo)的要求來決定。若無特殊要求，一般取h=5。</p><p>　　3.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和限幅工作狀態(tài)及退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算</p><p>　　若將退飽和過程與負(fù)載擾動過程加以比較，則不難發(fā)現(xiàn)它們的變化規(guī)律是相同的，因而可找到一條計算退飽和超調(diào)量的捷徑，那就是用抗擾性能指標(biāo)來計算退飽和超調(diào)量。</p><p&

95、gt;　　當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖入圖3.8（a）。由于我們感性趣的只是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以上的超調(diào)部分，所以只考慮實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值</p><p>　　△n=n-ns相應(yīng)地轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖3.8（b）。初始調(diào)件則轉(zhuǎn)化為</p><p><b>　　(3.31)</b></p><p>　　在這里轉(zhuǎn)速超調(diào)量的基準(zhǔn)值是ns

96、,在，在抗擾指標(biāo)中，△C的基準(zhǔn)是</p><p><b>　　(3.32)</b></p><p><b>　　對比前面的條件可知</b></p><p>　　， </p><p><b>　　(3.33)</b></p&g

97、t;<p>　　圖3.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　所以動態(tài)升速△n的基準(zhǔn)值為</p><p><b>　　(3.34)</b></p><p>　　已知開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　　(3.35)</b></p><p>

98、;<b>　　則基準(zhǔn)又可以表示為</b></p><p><b>　　(3.36)</b></p><p>　　于是經(jīng)過基準(zhǔn)值換算后，可得退飽和超調(diào)量為</p><p><b>　　(3.37)</b></p><p>　　上述分析表明，ASR的飽和非線性，使轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量

99、的具體數(shù)值與轉(zhuǎn)速環(huán)的兩個時間常數(shù)的比值 TΣn/Tm，開環(huán)機械特性的斜率，最大電流Idm，負(fù)載大小有關(guān)，特別是與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速△nmax與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無關(guān)，不會因ns的不同而變化，但是退飽和超調(diào)量δ%卻與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)，ns=nN與ns=0.2nN時的退飽和超調(diào)量大不相同。</p><p>　　綜上所述，可得如下結(jié)論：</p><p>　　退飽和超調(diào)量的大小與動態(tài)降速的大小是一致的。也就是說，考慮AS

100、R的飽和和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能并不矛盾，而是一致的。</p><p>　　3.2.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的并聯(lián)微分校正——轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的引入</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計方便的優(yōu)點，是一種應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)。然而，其動態(tài)性能的不足之處是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，抗擾性能的提高受到一定限制。為了增強轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)甚至消滅轉(zhuǎn)

101、速超調(diào)，以及消除可逆調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的“停車反調(diào)”現(xiàn)象，有必要在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋。可以證明，采用帶微分負(fù)反饋的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上符合現(xiàn)代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制”，因而可以獲得實際可行的最優(yōu)動態(tài)性能。</p><p>　　3.2.5.1 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，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3.9所

102、示。其中Cdn的作用主要是對轉(zhuǎn)速信號進行微分，稱作微分電容，而Rdn的主要作用是濾去微分后帶來的高頻嘈聲，稱之為濾波電阻。為了分析帶微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動態(tài)結(jié)構(gòu)，首先必須求出這種調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。微分反饋支路電流的拉氏變換式為</p><p><b>　　(3.38)</b></p><p>　　因此，圖2.9虛地點A的電流平衡方程為</p><

103、p><b>　　(3.39)</b></p><p>　　圖3.9 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　整理后德</b></p><p><b>　　(3.40)</b></p><p>　　式中 ——轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)；</p>&l

104、t;p>　　——轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)。</p><p>　　3.2.5.2 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及退飽和時間和轉(zhuǎn)速的計算</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別僅在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增加了電容Cdn和電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速反饋的基礎(chǔ)上疊加了一個轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號。在轉(zhuǎn)速變化過程中，兩個信號一起與給定信號Un相抵，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更早一

105、些達到平衡并開始退飽和。由圖3.10可見，普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的退飽和點是O，,現(xiàn)在提前到T點，T點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nt比ns低，因而有可能在進入線性閉環(huán)系統(tǒng)工作之后沒有超調(diào)就趨于穩(wěn)定，如圖3.10中曲線②所示。下面計算其退飽和后，系統(tǒng)的動態(tài)性能取決于轉(zhuǎn)速環(huán)進入線性狀態(tài)后的過度過程，其初始條件就是退飽和點（圖3.10中T點）的轉(zhuǎn)速和電流。T點的電流仍是Idm，其轉(zhuǎn)速nt則要通過退飽和時間tt來計算。</p><p>　　當(dāng)t

106、≤tt時，ASR仍飽和，Id=Idm，轉(zhuǎn)速線性增長。若將小時間常數(shù)TΣn的影響近似看成是轉(zhuǎn)速開始升高時的純滯后作用，此后便不再影響轉(zhuǎn)速的增長率，入圖3.10中的折線O—TΣn—T所示，則轉(zhuǎn)速上升過程可用下式描述</p><p><b>　　(3.41)</b></p><p>　　圖3.10 轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋對啟動過程的影響</p><p>　　

107、①—普通雙閉環(huán)曲線；②—帶微分負(fù)反饋的曲線</p><p>　　當(dāng)t=tt時，ASR開始退飽和，其輸入信號△Un=0,由圖3.10可得</p><p><b>　　(3.42)</b></p><p>　　由式（3.41），考慮到tt>TΣn,則</p><p><b>　　(3.43)</b>

108、;</p><p><b>　　且</b></p><p><b>　　(3.44)</b></p><p>　　將式（3.43）和（3.44）代入式（3.42），并注意到Un/α=ns,得</p><p>　　(3.45)退飽和時間為</p><p><b>　　

109、(3.46)</b></p><p>　　代入式（3.43）得退飽和轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　(3.47)</b></p><p>　　由式（3.46）和（3.47）可見，與未加微分負(fù)反饋的情況相比，退飽和時間的提前量恰好是τdn,而退飽和轉(zhuǎn)速的提前量是</p><p><b>　　(3.4

110、8)</b></p><p>　　3.2.5.3 轉(zhuǎn)速微分反饋參數(shù)的工程設(shè)計方法</p><p>　　根據(jù)式（3.40）可以畫出帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.11（a）所示。為了分析方便起見，取Todn=Ton,再將濾波環(huán)節(jié)移到轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，并按小慣性環(huán)節(jié)近似方法，令</p><p><b>　　(3.49)</b></p

111、><p>　　得簡化后的結(jié)構(gòu)圖，如圖3.11（b）所示，圖與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，只在反饋通道中增加了一個微分項τdns。</p><p>　　可推得τdn的近似工程計算公式為</p><p><b>　　(3.50)</b></p><p>　　式中 δ——用小數(shù)表示的允許超調(diào)量，h=τn/TΣn。</p>

112、<p>　　因為δ不可能為負(fù)，所以無超調(diào)時的τdn應(yīng)該是</p><p><b>　　(3.51)</b></p><p>　　3.2.5.4 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)受負(fù)載擾動時的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.12所示。Mrmin準(zhǔn)則選擇參數(shù)，且取h=5，采用計算機防真所得系統(tǒng)

113、抗擾性能指標(biāo)列于表3.1中，其中</p><p>　　表3.1中數(shù)據(jù)表明，引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，動態(tài)速降顯著減小，τdn越大，動態(tài)速降越小，但恢復(fù)時間增加。應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的τdn值?？傊?，引入轉(zhuǎn)速微分反饋可以進一步改善系統(tǒng)的抗擾性能。</p><p>　　圖3.11 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.12 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)

114、速系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　表3.1中數(shù)據(jù)表明，引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，動態(tài)速降顯著減小，τdn越大，動態(tài)速降越小，但恢復(fù)時間增加。應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的τdn值?？傊朕D(zhuǎn)速微分反饋可以進一步改善系統(tǒng)的抗擾性能。</p><p>　　表3.1 帶轉(zhuǎn)速微分反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)</p><p><b>　　結(jié)論</b

115、></p><p>　　本課題在查找了大量資料的基礎(chǔ)上完成。由于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。在設(shè)計時采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在具體設(shè)計時，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，把電流環(huán)校正為典Ⅰ系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)