【正文】 ，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個(gè)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個(gè)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(dòng)態(tài)速降 它是指電機(jī)由空載突加額定負(fù)載時(shí)最大的速度跌落（下降），這個(gè)值越小 ，表明系統(tǒng)響應(yīng)快，系統(tǒng)特性硬。 恢復(fù)時(shí)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(shí)間，時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(gè)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(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， 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(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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 22。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(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 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) oiT 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)，使得二者在時(shí)間上恰好的配合。 由測(cè)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(shí)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(shí)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(dòng)過(guò)程 理想啟動(dòng)過(guò)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。 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)難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)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(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流 Idcr 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。 帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)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(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(dòng)過(guò)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(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)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)，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(dòng)過(guò)程波形見(jiàn)圖 24，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程。 圖 24 理想快速啟動(dòng)過(guò)程 實(shí)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(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 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)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(guò)程。問(wèn)題是希望在起動(dòng)過(guò)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(shí)加到一個(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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?zhàn)饔?，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(gè)問(wèn)題。 實(shí)際啟動(dòng)過(guò)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(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程示于圖 25。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動(dòng)過(guò)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(gè)階段，整個(gè)過(guò)渡過(guò)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(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)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(shí)， i imUU? ，電流調(diào)節(jié)器的作用使 dI 不再迅猛增長(zhǎng)，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(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 （ 2） 第 Ⅱ 階段 恒流升速階段 從電流升到最大值 dmI 開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。在這個(gè)階段中， ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正也按線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)， 0dU 和 dU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，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(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， 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(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)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(jì)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(kāi)始時(shí)，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(dòng)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(lái)，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(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn) 速仍繼續(xù)上升。到 d dlII? 時(shí)，轉(zhuǎn)速 n達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)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(guò)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(shí)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(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程三個(gè)特點(diǎn)： 飽和非線性控制 隨著 ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)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(jiǎn)單地應(yīng)用線性控制理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來(lái)處理。分析過(guò)渡過(guò)程時(shí)，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(guò)渡過(guò)程還是不一樣的。 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)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(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。這個(gè)階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。但整個(gè)起動(dòng)過(guò)程與理想快速起動(dòng)過(guò)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(guò)這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成份，已無(wú)傷大局，所以雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過(guò)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)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(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)