【正文】 將加到放大器的輸入端，此時(shí)偏差電壓 。當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)， 使 降低， 降低， 降低；從而限制電流過(guò)大的增加。這時(shí)，由于的 下降，再加上 的增大，由式 可知，轉(zhuǎn)速將急驟下 降 ，從而使機(jī) 械特性出現(xiàn)很陡的下垂。如圖 717的 b段所示。在 a段主要是負(fù)反饋起作用，特性較硬；在 b 段主要是電流截止負(fù)反饋起作用，使特性下垂（很軟）。這樣的特性有時(shí)稱(chēng)為 “ 挖土機(jī)特性 ” 圖 717調(diào)速系統(tǒng)的 “ 挖土機(jī) ” 機(jī)械特性 )( 0URIU cafn ??fifns UUUU ????fnU U? cUdUaU aaRI?e aaa KRIUn ??當(dāng)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)起主導(dǎo)作用時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖 718所示。 dU dIdmI當(dāng)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)起主導(dǎo)作用時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖 718所示。 機(jī)械特性很陡下垂還意味著，堵轉(zhuǎn)時(shí) (或起動(dòng)時(shí) )電流不是很大。 這是因?yàn)樵诙罗D(zhuǎn)時(shí)，雖然轉(zhuǎn)速 n=0，反電動(dòng)勢(shì) E＝ 0，但由于電流 截止負(fù)反饋的作用，使 大大下降，從而 不致過(guò)大。此時(shí) 電流稱(chēng)為堵轉(zhuǎn)電流 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的框圖簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)，在第 2章的例子中已經(jīng)給出： 1)/(1)()(2 ???mamea TsTTKsUsN ?代入圖 715中，由圖可見(jiàn)，它是一個(gè)二階系統(tǒng)，已知 二階系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。但若考慮到晶閘管有延遲，晶 閘管整流裝置的傳遞函數(shù)便為 )1/(0 ?sK s ? [見(jiàn)式 71]， 晶閘管延遲的系統(tǒng)框圖如圖 719a所示。由圖 719可 見(jiàn)，它實(shí)際上是一個(gè)三階系統(tǒng)。若增益過(guò)大，它可能 成為不穩(wěn)定系統(tǒng)。 2．系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析 由于調(diào)速系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)，如前所述，恒值控制系統(tǒng)主要考慮的是負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩 （擾動(dòng)量）所引起的穩(wěn)態(tài)誤差。 為了便于分析起見(jiàn)，今將比較點(diǎn)③處的（ ）移至比較點(diǎn)②處，根據(jù)比較點(diǎn)移動(dòng)法則，（ ）移至②處，應(yīng)乘以 和 ，即乘以 。將（ ）移出后，直流電動(dòng)機(jī)的框圖就可簡(jiǎn)化為如圖 b所示的功能框圖 。 LT?)( LT?LT?LT??Tk/1)]/1/(1[ aa RsL ? ?Taa kRsL /)( ?在求取穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，曾應(yīng)用拉氏變換終值定理來(lái)求取，如今若令圖 b中的，則圖 b可轉(zhuǎn)換為如圖 c所示的框圖。這類(lèi)框圖通常稱(chēng)它為 “ 穩(wěn)態(tài)框圖 ” ，由穩(wěn)態(tài)框圖求取因擾動(dòng)而引起的穩(wěn)態(tài)誤差比較直觀方便。 由圖 c可見(jiàn)，圖中的擾動(dòng)量變?yōu)?，?duì)比式與式，不難發(fā)現(xiàn)，的量綱式也式電流 I，可標(biāo)為，于是擾動(dòng)量可標(biāo)為（），參見(jiàn)圖 c。若不計(jì)摩擦力，則，因此可認(rèn)為，于是擾動(dòng)又可寫(xiě)為（）（這里僅是一種等效的交換，并不意味著存在一個(gè)外界的 “ 電流干擾 ” ）。 a） 圖 719直流調(diào)速系統(tǒng)框圖的變換（變換成穩(wěn)態(tài)框圖） 由圖 c可以很方便地得到因負(fù)載擾動(dòng)而產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差 (轉(zhuǎn)速降 Δn) ????eaaaLeKSeKRIKRIKKKKn??????? 11)()/(1)/(1?? eks KKKK /?式中 (開(kāi)環(huán)增益 )。 若此調(diào)速系統(tǒng)不設(shè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié) (即開(kāi)環(huán)系統(tǒng) )，則式 (72) 中的 α＝ 0，于是 K＝ 0，此時(shí)的轉(zhuǎn)速降為 ?eaaKRIn ?? （ 713） 對(duì)照式 (712)與式 (713)可見(jiàn)： 調(diào)速系統(tǒng)增設(shè)了負(fù)反饋環(huán)節(jié)后，將使轉(zhuǎn)速降減為開(kāi)環(huán)時(shí) 的 1/(1+K)，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。這是反饋控制系 由以上分析可見(jiàn)，采用比例調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，不論 kK 取值多少，總是有靜差的。若對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng) 合，則通常采用比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) ，其中含有積分環(huán)節(jié)，加之 PI調(diào)節(jié)器又位于擾動(dòng)量 作用點(diǎn)之前，因此該系統(tǒng)變?yōu)?Ⅰ 型系統(tǒng)，對(duì)階躍信號(hào)為無(wú)靜差，即轉(zhuǎn)速降 ，靜差率 。 這里的 ，是一種理論上的數(shù)值，它是假設(shè) PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)增益為無(wú)窮大 為前提的。事實(shí)上，由運(yùn)放器構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)其增益即為運(yùn)放器開(kāi)環(huán)增益（穩(wěn)態(tài)時(shí)，反饋電容 C相當(dāng)開(kāi)路）（ ）。若以此數(shù)值代入式（ 712），則。但設(shè)置 PI調(diào)節(jié)器后，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差 ,甚至造成不穩(wěn)定，這可通過(guò)增加 PI調(diào)節(jié)器微分時(shí)間常數(shù) T和降低增益 K來(lái)解決（亦即適當(dāng)增大運(yùn)放器反饋回路的電容 C和減小反饋回路的電阻 R來(lái)解決）。 改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是在系統(tǒng)穩(wěn)定、穩(wěn)態(tài)誤差小于規(guī)定值的前提下進(jìn)行的，這通常也是通過(guò)增加 PI調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù) T和調(diào)整增益 K來(lái)進(jìn)行的。 上面通過(guò)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，介紹了分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般步驟與方法，下面將通過(guò)實(shí)例分析介紹讀解實(shí)際線路的一般步驟與方法。 TsTsKsG )1()( ??LT0??n 0?s0??n???? TsTsKs )1(lim0左右610?kK）（ ?? 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)），是由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。如前節(jié)所述，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速。又采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。這對(duì)一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿(mǎn)足要求。但是由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，加上電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達(dá)到最大值后便迅速降下來(lái)。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減小下來(lái)，使起動(dòng)加速過(guò)程變慢，起動(dòng)的時(shí)間也比較長(zhǎng)（即調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)）。 而有些調(diào)速系統(tǒng)，如龍們刨床（ Planer）、軋鋼機(jī)（ Rolling Mills）等經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。因此，我們希望能充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)時(shí)的電流保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升，使過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間大大縮短。另一方面在一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端綜合幾個(gè)信號(hào)，各個(gè)參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為了獲得近似理想的起動(dòng)過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)在一處綜合的缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)研究與實(shí)踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 731所示。系統(tǒng)的組成框圖如圖 732所示。 圖 731轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)有兩個(gè)反饋回路，構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)回路，（故稱(chēng)雙閉環(huán)）。其中一個(gè)是由電流調(diào)節(jié)器 ACR和電流檢測(cè) 反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個(gè)是由速度調(diào)節(jié)器 ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè) 反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。由于速度環(huán)包圍電流環(huán)，因此稱(chēng)電流環(huán)為內(nèi)環(huán)（又稱(chēng)副環(huán)），稱(chēng)速度環(huán)為外環(huán)（又稱(chēng)主環(huán)）。在電路中，ASR和 ACR實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，即由 ASR去 “ 驅(qū)動(dòng) ” ACR，再由 ACR去 “ 控制 ” 觸發(fā)電路。圖中速度調(diào)節(jié)器 ASR和電流調(diào)節(jié)器 ACR均為比例加積分（ PI）調(diào)節(jié)，其輸入和輸出均設(shè)有限幅電路。 ASR的輸入電壓為偏差電壓，（為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)），其輸出電壓即為 ACR的輸入電壓，其限幅值為。 ACR的輸入電壓為偏差電壓， (為電流反饋系數(shù) )，其輸出電壓即為觸發(fā)電路的控制電壓，其限幅值為。 ASR和 ACR的輸入、輸出量的極性，主要視觸發(fā)電路對(duì)控制電壓的要求而定。這里設(shè)觸發(fā)要求為正極性，由于運(yùn)放器為反相輸入端輸入，所以應(yīng)為負(fù)極性。由于電流為負(fù)反饋，于是便為正極性。同理，由要求為負(fù)極性，則應(yīng)為正極性，又由于轉(zhuǎn)速為負(fù)反饋，所以便為負(fù)極性。各量的極性如圖 731所示。在框圖中，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將調(diào)節(jié)器看成正相端輸入，而將極性識(shí)別放到具體線路中去。這樣調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)中的負(fù)號(hào)便可不寫(xiě)，使分析也更容易理解。 此外， ASR和 ACR均有輸入和輸出限幅電路。輸入限幅主要是為保護(hù)運(yùn)放器。 ASR的輸出限幅值為，它主要限制最大電流（分析見(jiàn)下面）。 ACR的輸出限幅值為，它主要限制晶閘管整流裝置的最大輸出電壓。 圖 732轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 733 圖中速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 sTsTKnnn1? 電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 sTsTKiii1? 框圖中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)共有 13個(gè) 電流反饋系數(shù)—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)—轉(zhuǎn)速慣量到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械電動(dòng)機(jī)及機(jī)械負(fù)載折合—極磁通量）電動(dòng)機(jī)工作磁通量（磁—電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)恒量—電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩恒量—為電樞回路電感，數(shù)，電動(dòng)機(jī)電樞回路時(shí)間?！妱?dòng)機(jī)電樞回路電阻—晶閘管整流裝置增益—電流調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)，—電流調(diào)節(jié)器增益?！俣日{(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)?！俣日{(diào)節(jié)器增益?！??GeTddddddsiiiiiiinnnnnnnJKKLRLTTRKCRTTRRKKCRTTRRKK??????///00若系統(tǒng)再增添各種濾波環(huán)節(jié)，則參數(shù)還要增加。 圖中的變量由（共 12個(gè)）； ）電流反饋電壓（反饋量—）轉(zhuǎn)速反饋電壓（反饋量—）負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩（擾動(dòng)量—轉(zhuǎn)速（輸出量）—給定量（輸入量）—fifnLsnUUTnU此外各種參變量有：和為偏差電壓，為控制電壓， ()為整流輸出電壓(電動(dòng)機(jī)電樞電壓 )， Ia為電樞電流， E為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)， Te為電磁轉(zhuǎn)矩。 框圖中共有 9個(gè)環(huán)節(jié)，其中一個(gè)反映了電磁慣性，一個(gè)反映了機(jī)械慣量。除了電機(jī)內(nèi)部的閉環(huán)外，它還有兩個(gè)閉環(huán)。系統(tǒng)框圖把圖中 9個(gè)環(huán)節(jié)的功能框和它們之間的相互聯(lián)系，把各種變量之間的因果關(guān)系、配合關(guān)系和各種結(jié)構(gòu)參數(shù)在其中的地位和作用，都一目了然地、清晰地描繪了出來(lái)。這樣的數(shù)學(xué)模型，就為我們以后分析各種系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并進(jìn)而研究改善系統(tǒng)性能的途徑提供了一個(gè)科學(xué)而可靠的基礎(chǔ)。 在討論工作原理時(shí)，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，運(yùn)放器的輸入端將“看作”正相端輸入。 圖 733轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 1) 電流調(diào)節(jié)器 ACR的調(diào)節(jié)作用：電流環(huán)為由 ACR和電流負(fù)反饋組成的閉環(huán)， 它的主要作用是穩(wěn)定電流。 由于 ACR為 PI調(diào)節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入電壓必為零，亦即。（若，則積分環(huán)節(jié)將使輸出繼續(xù)改變）。由此可知，在穩(wěn)態(tài)時(shí)。此式的物理含義是： 當(dāng)為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器 ACR的調(diào)節(jié)作用，整流裝置的電流將保持在的數(shù)值上。 假設(shè)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)圖 734。 圖 734電流環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 這種保持電流不變的特性，將使系統(tǒng)能： ① 自動(dòng)限制最大電流。由于 ACR有輸出限幅，限幅值為，這樣電流的最大值便為，當(dāng)時(shí)，電流環(huán)將使電流降下來(lái)。由上式可見(jiàn)，整定電流反饋系數(shù)（調(diào)節(jié)點(diǎn)位器）或整定 ASR的限幅，即可整定的數(shù)值。一般整定（額定電流）。 ② 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)而引起電流波動(dòng)時(shí)，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器 ACR 的調(diào)節(jié)作用，使電流很快回復(fù)原值。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響幾乎看不出來(lái)（在僅有轉(zhuǎn)速環(huán)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)后，要通過(guò)轉(zhuǎn)速的變化，并進(jìn)而由轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣調(diào)節(jié)過(guò)程慢得多，速降也大）。 2) 速度調(diào)節(jié)器