雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡

2、管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)[1]?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。</p><p>　　對(duì)于那些在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)或?qū)嶒?yàn)費(fèi)用昂貴的系統(tǒng)，一般不允

3、許對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究是不能將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實(shí)際中去的。因此就必須對(duì)其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這種方法十分費(fèi)時(shí)而且費(fèi)用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。 </p><p>　　但是長(zhǎng)期以來(lái)，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模

4、型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件[2]。</p><p>　　由于對(duì)模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對(duì)決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。</p><p>　　MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，

5、則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問(wèn)題。在Simulink中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)單，而且仿真過(guò)程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化[3]。</p><p>　　Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問(wèn)題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、

6、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對(duì)象的類型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真[4]。</p><p>　　自70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，大量地

7、采用了“晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速”技術(shù)(簡(jiǎn)稱V—M調(diào)速系統(tǒng))。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中V—M系統(tǒng)的應(yīng)用量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問(wèn)題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出

8、了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過(guò)程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛[5]。</p&g

9、t;<p>　　1.2 課題研究的目的和意義</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起制動(dòng)性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電

10、動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流調(diào)速的電樞和勵(lì)磁不是耦合的，是分開(kāi)的，對(duì)電樞電流和勵(lì)磁電流能夠做到精確控制；而交流調(diào)速，電樞電流和勵(lì)磁電流是耦合的，是無(wú)法做到精確控制的[6]。因此在軋機(jī)、造紙等對(duì)力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。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)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)

11、靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動(dòng)機(jī)的基本方

12、程給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果分析、研究，驗(yàn)證控制方案的合理性。</p><p><b>　　主要完成如下工作：</b></p><p>　　(1) 數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。</p&

13、gt;<p>　　(2) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　通過(guò)國(guó)內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　(3) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究</p><p>　　深入學(xué)習(xí)和掌握MATLAB下的Simulink和Power System系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn)行模型搭建和仿真，對(duì)結(jié)

14、果進(jìn)行分析與探究。</p><p>　　2.直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.1 直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理</p><p>　　圖2.1表示是一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分(定子)上，裝設(shè)了一對(duì)用直流勵(lì)磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙

15、。電樞鐵心上裝置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片,換向片之間互相絕緣。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，固定在轉(zhuǎn)軸上。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1 和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通[8]。</p><p>　　圖2.1 最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型</p><p>　　如果將直流電壓直接加到線圈AX上

16、，導(dǎo)體中就有直流電流通過(guò)。設(shè)導(dǎo)體中的電流為，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到電磁力的作用，線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩則為</p><p>　　式中，Da為電樞的外徑。</p><p>　　由于電流為恒定，一周中磁通密度的方向?yàn)橐徽回?fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩TXA將是交變的，無(wú)法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并非直接加于線圈，而是通過(guò)電刷B1、B2和換向器再加到線圈上，這樣情況就不同了。因?yàn)殡娝1 和B

17、2靜止不動(dòng)，電流總是從正極性電刷B1 流入，經(jīng)過(guò)處于N極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于S極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷B2流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于N極和S極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時(shí)改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理[9]。</p><p>　　2.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性<

18、/p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異，下面主要對(duì)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。</p><p>　　工作特性是指電動(dòng)機(jī)的端電壓U=UN，勵(lì)磁電流If=IfN時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te和效率與輸出功率的關(guān)系，即n，，。由于實(shí)際運(yùn)行中較易測(cè)得，且隨的增大而增大，故也可把工作特性表示為

19、n，，。上述條件中，為額定勵(lì)磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的勵(lì)磁電流。</p><p>　　先看轉(zhuǎn)速特性。從電動(dòng)勢(shì)公式和電壓方程可知</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　上式通常稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。此式表示，在端電壓U、勵(lì)磁電流均為常值的條件下，影響并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個(gè)：一是電樞電阻壓

20、降；二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，電樞電流增大，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時(shí)，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個(gè)因素的影響部分地互相抵消，使并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)用上，為保證并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性[10]。</p><p>　　并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開(kāi)。若勵(lì)磁繞組斷開(kāi)，=0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。此時(shí)若負(fù)載為輕載，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

21、速迅速上升，造成“飛車”；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到起動(dòng)電流，引起繞組過(guò)熱而將電機(jī)燒毀。這兩種情況都是危險(xiǎn)的。</p><p>　　機(jī)械特性是指，勵(lì)磁回路電阻=常值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。</p><p>　　2.1.3 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速</p><p>　　(1) 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)</p

22、><p>　　直流電動(dòng)機(jī)接到電源以后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過(guò)程稱為起動(dòng)過(guò)程。對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的基本要求是：① 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；② 起動(dòng)電流要??；③ 起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速，電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電樞電阻又很小，因而起動(dòng)電流將達(dá)到很大的數(shù)值，常須加以限制。另一方面，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)電流將使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之減小。這是互相矛盾的。通常采用保證足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

23、下盡量減小起動(dòng)電流的辦法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法有三種：① 直接起動(dòng)；② 接入變阻器起動(dòng)；③ 降壓起動(dòng)。</p><p>　　(2) 直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)</p><p>　　電動(dòng)機(jī)是用以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。直流電動(dòng)機(jī)在這些方面有其獨(dú)到

24、的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為</p><p>　　式中　—轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p><b>　　—電樞電壓（Ｖ）；</b></p><p><b>　　—電樞電流（Ａ）；</b></p><p>　　—電樞回路總電阻

25、（）；</p><p>　　—?jiǎng)?lì)磁磁通（Ｗb）；</p><p>　　—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。</p><p>　　在上式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：① 調(diào)節(jié)電樞供電電壓；② 減弱勵(lì)磁磁通；③ 改變電樞回路電阻。</p><p>　　對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式

26、為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)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（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主[1]。</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)</p><p>　　任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速

27、，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：</p><p>　　(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(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　(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(guò)大的轉(zhuǎn)速

28、波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p>　　(3) 加、減速。頻繁起、制動(dòng)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(dòng)盡量平穩(wěn)。</p><p>　　為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。</p><p><b>　　(1) 調(diào)速范圍&

29、lt;/b></p><p>　　生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)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D表示，即</p><p><b>　　（2.2）</b></p><p>　　其中，和一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)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(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速[11]。</p><

30、;p><b>　　(2) 靜差率</b></p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　或用百分?jǐn)?shù)表示</b></p>&

31、lt;p>　　顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)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。</p><p>　　然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。</p><p>　　由此可見(jiàn)，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)

32、并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過(guò)程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)[12]。</p><p>　　(3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系</p><p>　　在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為最高

33、轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即</p><p><b>　　于是，最低轉(zhuǎn)速為</b></p><p><b>　　而調(diào)速范圍為</b></p><p><b>　　將上面的式代入，得</b></p><p><

34、;b>　?。?.4）</b></p><p>　　式（2.4）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由式（2.4）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。</p><p>　　2.3 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題</p><p>　　圖2—2所示的晶閘管-電動(dòng)機(jī)系

35、統(tǒng)就是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時(shí)負(fù)載大小常有波動(dòng)，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過(guò)程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說(shuō)，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍D=20～40，靜差率s≤5%。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架

36、軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍D=3～10時(shí)，保證靜差率s≤0.2%～0.5%。在這些情況下，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求[13]。</p><p>　　圖2.2 晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　2.4 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)校正

37、</p><p>　　由前述分析可知，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速指標(biāo)要求。許多需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統(tǒng)同時(shí)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(cè)裝置。例如，在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，檢測(cè)出輸出量或被調(diào)量n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，與轉(zhuǎn)速給定電壓相比較后，得到偏差電壓，經(jīng)放大器產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

38、。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(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(huì)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)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>　　在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

39、兩方面的要求[14]。</p><p>　　動(dòng)態(tài)校正的方法很多，而且對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。</p><p>　　PID調(diào)節(jié)器中有比例微分（PD）、比例積

40、分（PI）和比例積分微分（PID）三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的帶后－超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。</p&

41、gt;<p>　　2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性</p><p>　　采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(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(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。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(lái)控制電

42、流的，但它只能在超過(guò)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，并不能很理想地控制電流的動(dòng)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)中，起動(dòng)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(guò)某一最大值后，就降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。</p><p>　　對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，盡量縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此

43、，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(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，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。</p><p>　　實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)

44、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(guò)程。問(wèn)題是，應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。要想既存在轉(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，只用一個(gè)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(gè)調(diào)節(jié)器。</p><p>　　(1) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p>

45、<p>　　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)中設(shè)置兩個(gè)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(jí)）聯(lián)接，如圖2.3所示。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)[15]。</p><p>　　為了

46、獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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)的電路原理圖如圖2—4所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)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。圖中還表示了兩個(gè)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。</p>

47、;<p>　　圖2.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　圖2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　(2) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先會(huì)出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.5所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來(lái)，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

48、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(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)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(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。</p><p>　　圖2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p>

49、<p>　　實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。</p><p>　?、?轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此</p><p><b>　　由第一個(gè)關(guān)系式可得</b></p><p><b>　　（2.5

50、）</b></p><p>　　此時(shí)，由于ASR不飽和，＜，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知＜。</p><p>　?、?轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　

51、　其中，最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，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(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)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

52、環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。</p><p>　　2.5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能</p><p>　　(1) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.6所示。圖中和分別表示

53、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。</p><p>　　圖2.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(2) 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。</p><p><b>　?、?抗負(fù)載

54、擾動(dòng)</b></p><p>　　由圖2.6可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。</p><p><b>　?、?抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)</b></p><p>　　電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。和都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅

55、就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。但從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，存在著能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快地反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動(dòng)的性能要差一些。</p><p>　　在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。

56、因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。</p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　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。</p><p>　?、?轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：</p><p>　　a 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n

57、很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)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(wú)靜差。</p><p>　　b 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。</p><p>　　c 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。</p><p>　?、?電流調(diào)節(jié)器的作用：</p><p>　　a 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(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即

58、外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。</p><p>　　b 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。</p><p>　　c 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。</p><p>　　2.5.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法</p><p>　　(1)

59、工程設(shè)計(jì)方法的基本思路</p><p>　　作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程分作兩步：</p><p>　　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(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；</p><p>　　第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　　在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

60、時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了。這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。</p><p><b>　　(2) 典型系統(tǒng)</b></p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可用下式表示</p><p><b>　?。?

61、.7）</b></p><p>　　其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和復(fù)數(shù)極點(diǎn)。分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，或者說(shuō)，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0,1,2,…的不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、II型、…系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，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)。</p><p&g

62、t;<b>　?、?典型I型系統(tǒng)</b></p><p>　　典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)選擇為</p><p><b>　　（2.8）</b></p><p>　　式中 T—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；</p><p>　　K—系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。</p><p>　　它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

63、圖如圖2.7a所示，而圖2—7b表示它的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。選擇它作為典型I型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以－20dB/dec的斜率穿越0dB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(shí)保證</p><p>　　或 </p><p>　　于是，相

64、角穩(wěn)定裕度。</p><p><b>　　a)</b></p><p><b>　　b)</b></p><p>　　圖2.7 典型I型系統(tǒng)</p><p>　　典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)</p><p&

65、gt;　　在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)誤差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為∞。因此I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　b 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)</p><p>　　閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p&g

66、t;　　式中 —無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；</p><p>　　—阻尼比，或稱衰減系數(shù)。</p><p>　　參數(shù)K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)、之間的換算關(guān)系</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p>&l

67、t;p>　　則 （2.12）</p><p>　　表2.1 典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　由二階系統(tǒng)的性質(zhì)可知，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng)時(shí)，是過(guò)阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)時(shí)，是臨界阻尼。由于過(guò)阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系

68、統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即。由于在典型Ⅰ型系統(tǒng)中，，代入式（2.11）得，因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取。</p><p>　　典型I型系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)KT的關(guān)系列于表2—1。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T為已知時(shí)，隨著K的增大，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)，而穩(wěn)定性變差。</p><p>　　具體選擇參數(shù)時(shí)，如果工藝上主要要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可取～0.6，把K選大一些；如果主要要求超調(diào)

69、小，可取～1.0，把K選小一些；如果要求無(wú)超調(diào)，則取，；無(wú)特ωc殊要求時(shí)，可取折中值，即，，此時(shí)略有超調(diào)（=4.3%）。</p><p>　　典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表2.2（KT=0.5）。</p><p>　　表2.2 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>

70、　　由表2.2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間拖得較長(zhǎng)。</p><p><b>　?、?典型II型系統(tǒng)</b></p><p>　　典型II型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　它的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖和

71、開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如圖2-8所示，其中頻段也是以的斜率穿越0dB線。由于分母中項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)（這往往是實(shí)際系統(tǒng)中必定有的），如果不在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)，就無(wú)法把相頻特性抬到線以上，也就無(wú)法保證系統(tǒng)穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)圖2.8b的特性，顯然應(yīng)保證</p><p>　　或 </p><p><b>　

72、　而相角穩(wěn)定裕度為</b></p><p>　　比T大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。</p><p>　　圖2.8 典型II型系統(tǒng)</p><p>　　典型II型系統(tǒng)與典型I型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有K和兩個(gè)。為了分析方便起見(jiàn)，引入一個(gè)新的變量h，令</p><p><b>　?。?/p>

73、2—14）</b></p><p>　　h是斜率為的中頻段的寬度，稱作“中頻寬”。參數(shù)之間的關(guān)系如下：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p><b>　?。?.17）</b></p&

74、gt;<p>　　典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)</p><p>　　在階躍輸入和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)都是無(wú)誤差的，在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與開(kāi)環(huán)增益K成反比。</p><p>　　b 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)</p><p>　　典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列

75、于表2.3中。</p><p>　　表2.3 典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）</p><p>　　由于過(guò)渡過(guò)程式衰減振蕩性質(zhì)，調(diào)節(jié)時(shí)間隨h的變化不是單調(diào)的，h=5時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短。此外，h減小時(shí)，上升時(shí)間快，h增大時(shí)，超調(diào)量小。把各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來(lái)看，h=5時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量一般都比典型I型系統(tǒng)大，而快速性要好。</p><p

76、>　　典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系列于表2.4。</p><p>　　表2-4 典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　由表2.4中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，一般來(lái)說(shuō)，h值越小，也越小，和都短，因而抗擾性能越好。這個(gè)趨勢(shì)與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與h值的關(guān)系恰好相反，反應(yīng)了快速性與穩(wěn)定性的

77、矛盾。但是，當(dāng)時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，h越小，恢復(fù)時(shí)間反而拖長(zhǎng)了。由此可見(jiàn)，h=5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間最短的條件是一致的。把典型II型系統(tǒng)抗擾性能的各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來(lái)看，h=5應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。</p><p>　　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)別以外，一般來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)性能中典型I型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(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(duì)較大，抗擾性能卻比

78、較好。這是設(shè)計(jì)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。</p><p>　　2.5.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2—9所示，其中的濾

79、波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)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(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)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(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得

80、到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。</p><p>　　圖2.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由測(cè)速電電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。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時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</b></p>

81、<p>　　(1) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)</p><p>　　在圖2.9點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往經(jīng)電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即。這樣，在按動(dòng)態(tài)

82、性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是</p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　式中，—電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效

83、成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，從其中可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。</p><p>　　最后，由于和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常為</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　則電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為</p><p><b>　　（2.20

84、）</b></p><p>　　(2) 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　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(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即

85、應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。</p><p>　　電流環(huán)的控制對(duì)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</p><p><b>　　（2.21）</b></p><p>　　式中 —電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p>&

86、lt;p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇</p><p><b>　?。?.22）</b></p><p>　　則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖2—14所示的典型形式，其中</p><p><b>　　（2.23）</b></p><p>　　上述結(jié)果是在一系列假定條件

87、下得以的，現(xiàn)將用過(guò)的假定條件歸納如下，以便具體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。</p><p>　?、?電力電子變換器純滯后的近似處理</p><p><b>　?。?.24）</b></p><p>　?、?忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響</p><p><b>　?。?.25）</b></p>&

88、lt;p>　　③ 電流環(huán)小慣性群的近似處理</p><p><b>　?。?.26）</b></p><p>　　(3) 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　由（2.21）可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和，其中已選定，待定的只有比例系數(shù)，可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。在一般情況下，希望電流超調(diào)量=5%，由表2.2，可選=0.707，

89、=0.5，則</p><p><b>　?。?.27）</b></p><p>　　再得用式（2.21）和式（2.22）得到</p><p><b>　?。?.28）</b></p><p>　　(4) 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型

90、電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2.10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。</p><p>　　圖2.10 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出</p><p><b>　?。?.29）</b></p><p><

91、;b>　?。?.30）</b></p><p><b>　?。?.31）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　(1) 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。&

92、lt;/p><p><b>　?。?.32）</b></p><p>　　忽略高次項(xiàng)，可降階近似為</p><p><b>　?。?.33）</b></p><p><b>　　近似條件式為</b></p><p><b>　?。?.34）<

93、/b></p><p>　　式中，—轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　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</p><p><b>　?。?.35）</b></p><p>　　這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)

94、的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)(內(nèi)環(huán))控制的一個(gè)重要功能。</p><p>　　(2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波的反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p><

95、b>　?。?.36）</b></p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求[17]。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量

96、大大降低。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.37）</b></p><p>　　式中 —轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b&g

97、t;　?。?.38）</b></p><p><b>　　令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為</b></p><p><b>　?。?.39）</b></p><p>　　則 </p><p>　　上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下：</p&g

98、t;<p><b>　?。?.40）</b></p><p><b>　?。?.41）</b></p><p>　　(3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式（2.14）有</p><p><b>　?。?.4

99、2）</b></p><p>　　再由式（2.17），有</p><p><b>　?。?.43）</b></p><p>　　因此 （2.44）</p><p>　　至于中頻寬h應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定，無(wú)

100、特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5為好。</p><p>　　(4) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　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2—11所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，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。</p><p>　　圖2.11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　與電流調(diào)節(jié)器

101、相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為</p><p><b>　?。?.45）</b></p><p><b>　?。?.46）</b></p><p><b>　　（2.47）</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)實(shí)例</b></p>

102、;<p>　　某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(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(dòng)機(jī)參數(shù)：，，，，允許過(guò)載倍數(shù)1.5，飛輪慣量；</p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)：；</p><p><b>　　電樞回路總電阻：；</b></p><p>　　勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流；&

103、lt;/p><p><b>　　時(shí)間常數(shù)：，；</b></p><p>　　電流反饋系數(shù)：V/A （≈10V/1.5）;</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （≈10V/）。</p><p>　　要求：(1) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為無(wú)靜差；</p><p>　　(2) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)為電流超調(diào)量5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速

104、時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%；</p><p>　　(3) 基于直流電動(dòng)機(jī)的基本方程，建立直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。</p><p>　　(1)．電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算</p><p><b>　?、?由 </b></p><p><b>　　得 1 （）</

105、b></p><p><b>　?、?（）</b></p><p>　?、?勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取0，則電樞電感估算如下：</p><p><b>　?。℉）</b></p><p>　?、?電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感：</p><p><b>　　（H）

106、</b></p><p><b>　?、?電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</b></p><p><b>　　（）</b></p><p><b>　?、?額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p>

107、<b>　　(2) 電流環(huán)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?、俅_定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　a 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；</p><p>　　b 電流濾波時(shí)間常數(shù)：</p><p>　　三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1～2）=3.33ms，因此，

108、=2ms=0.002s；</p><p>　　c 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)：</p><p>　?、?選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求：≤5%，而且，因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器用PI型，其傳遞函數(shù)為</p><p>　?、?確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p><b>　　ACR超前時(shí)間常

109、數(shù)</b></p><p>　　電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求≤5%時(shí)應(yīng)取，</p><p>　　因此 （）</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p><b>　?、?檢驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率 <

110、;/b></p><p>　　a 晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件為 ：</p><p><b>　　，滿足近似條件；</b></p><p>　　b 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 ：</p><p><b>　　，滿足近似條件；</b></p><p>　　c 小時(shí)間常

111、數(shù)近似處理?xiàng)l件 ：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　?、?計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下</p><p><b>　　，取40</b></p><p><b>　　，取0.75

112、</b></p><p><b>　　，取0.2</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　(3) 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?、?確定時(shí)間常數(shù)</b></p>

113、<p>　　a 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　b 轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)：</p><p>　　根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取=0.01s</p><p>　　c 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：</p><p>　?、?選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)

114、態(tài)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?、?選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益 </b></p><p>　　于是，ASR

115、的比例系數(shù)為</p><p><b>　?、?校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 </b></p><p>　　a 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 ：</p><p><b>　　，滿足近似條件；</b></p><p>　　b

116、小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 ：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　?、?計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容值（?。?lt;/p><p><b>　　，取470</b></p><p><b>　　，取0.2</b></p><p><

117、;b>　　，取1</b></p><p>　?、?校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：</p><p><b>　　當(dāng)h=5時(shí) </b></p><p><b>　　而 </b></p><p>　　因此，，滿足設(shè)要求。</p><p>　　3.直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與

118、研究</p><p>　　3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真</p><p>　　為了使雙閉調(diào)速環(huán)系統(tǒng)的研究更有意義，為此先做一個(gè)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真，不但可以用于比較，也對(duì)下面雙閉環(huán)模型的順利完成起到幫助作用。</p><p>　　從Power System和Simulink模塊庫(kù)中找出對(duì)應(yīng)的模塊，按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接得到開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真圖，如圖

119、3.1所示。</p><p>　　圖3.1 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。但是，由于同步脈沖觸發(fā)器和晶閘管整流橋是不可分割的兩個(gè)環(huán)節(jié)，通常作為一個(gè)組合體來(lái)討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進(jìn)行建模。接下來(lái)對(duì)模塊參數(shù)的設(shè)置和仿真參數(shù)的設(shè)置作個(gè)