【正文】 ，可長期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個最高速度就是額定速度，比如： 1： 1000，假定該調(diào)速系統(tǒng)的最大（額定速度）為 2020rpm，則其最小運(yùn)行速度為 2rpm。指標(biāo)越寬，調(diào)速范圍越大，系統(tǒng)性能越好。 恒功率調(diào)速范圍是指調(diào)速系統(tǒng)在額定功率下，可長期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個最低速度就是額定速度，比如： 1： 2，假定該調(diào)速系統(tǒng)的額定速度為 1000rpm，則其最高運(yùn)行速度為 2020rpm。 動態(tài)速降 它是指電機(jī)由空載突加額定負(fù)載時最大的速度跌落（下降），這個值越小 ，表明系統(tǒng)響應(yīng)快，系統(tǒng)特性硬。 恢復(fù)時間 當(dāng)電機(jī)突加額定負(fù)載后可以恢復(fù)到原先速度所需的時間，時間越短，響應(yīng)越好，反之表明系統(tǒng)響應(yīng)慢。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 7 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖 21 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的 PI 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU ，圖中用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅值，輸出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。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時為零。 )( sU i? )( sE )( sI dL?? 11 ?sTon )( sU n? ASR 11?sT oi )( sU c )( sI dACR 1?sTKss)(0 sU d 1/1?sTRl sTRm eC1?1?sT oi??? ? )( sn??1?sT on?電 流 環(huán) 圖 22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 22。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，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳武漢理工大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 8 遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。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，為了平衡這個延遲作用，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，使得二者在時間上恰好的配合。 由測速發(fā)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 ，濾波時間常數(shù)用 onT 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間常數(shù) onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程 理想啟動過程 由前面的分析可知，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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。 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)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)過程的電 流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)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(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。 帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 23 所示。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 9 圖 23 帶電流截至負(fù)反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程 在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)允許過載能力，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(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形見圖 24，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 圖 24 理想快速啟動過程 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖 24所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流 過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠武漢理工大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 10 電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個問題。 實際啟動過程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓，由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖 25。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程轉(zhuǎn)速和電流波形 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、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以 I、和 III。 （ 1） 第 Ⅰ 階段 電流上升的階段 突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流 dI 迅速上升。當(dāng) d dlII? 時， i imUU? ，電流調(diào)節(jié)器的作用使 dI 不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中， ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而 ACR 一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 11 （ 2） 第 Ⅱ 階段 恒流升速階段 從電流升到最大值 dmI 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中， ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 *imU 作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定 (電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù) )，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反電動勢正也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動， 0dU 和 dU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。由于電流調(diào)節(jié)器 ACR 是 PI 調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， dI 應(yīng)略低于 dmI 。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電壓 0dmU 也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計中必須注意的。 （ 3） 第 Ⅲ 階段 轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)階段 在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)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 輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即 ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流 dI 也因而下降。但是，由于 dI 仍大于負(fù)載電流 dlI ，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn) 速仍繼續(xù)上升。到 d dlII? 時，轉(zhuǎn)速 n達(dá)到峰值。此后，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流 dI 也出現(xiàn)一段小于 dlI 的過程，直到穩(wěn)定 (設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好 )。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 與 ACR 都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)， ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則是力圖使 dI 盡快地跟隨 ASR 的輸出 量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程三個特點： 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)。當(dāng) ASR 飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR 不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)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)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。分析過渡過程時，還必須注意初始狀 態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 起動過程中主要的階段是第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)揮電機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能最快。這個階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。但整個起動過程與理想快速起動過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第 I、Ⅲ 兩段電流不是突變。不過這兩段的時間只占全部起動時間中很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。 采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。 轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進(jìn)