【正文】 越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 力。由于它具有體積 小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (1000)高 10 倍 。在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。因此， 目前在直 流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小的情況下，仍 采用機(jī)組供電、晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大部分都 已 改用晶閘管相控整流供電了。 目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢(shì)主要 有以下幾個(gè)方面： (1)提高調(diào)速系統(tǒng)的單機(jī)容量。 (2)提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單、緊湊。 (3)提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷及其自動(dòng)復(fù)原等多種功能。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為 : n= ???eC RIU aaa (11) 式 (11)中 : Ua電樞端電壓 (V)； Ia電樞電流 (A)； ?Ra電樞電路總電阻 (?)； ?每極磁通量 (wb)； Ce與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 。 由 (11)式可知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法有三種 : (1)調(diào)節(jié)電樞電壓 Ua，改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng) 。 (2)改變電機(jī)主磁通 ?，只能減弱磁通，使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬 恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級(jí)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小 。 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 3 (3)改變電樞電路電阻 ?Ra， 在電動(dòng)機(jī)電 樞 外串 聯(lián) 電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級(jí)調(diào)速 ，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低。 在一般意義上，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制要求大致有三方面： (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(無級(jí) )調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 (2)穩(wěn)速 —— 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下不允許有較大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 (3)加、減速 —— 頻繁起制動(dòng)的設(shè)備要求盡快的加減速以提高生產(chǎn)率。 一般情況下，調(diào)速和穩(wěn)速在各種場(chǎng)合下都能碰到，我們給出調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。 (一 )調(diào)速范圍 D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 nmax 和最低轉(zhuǎn)速 nmin 之比叫做調(diào)速范圍，用字 母 D 表示 : D =minmaxnn (12) 其中 nmax 和 nmin 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速 。 (二 )靜差率 S 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所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 ?nnom，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s 用百分函數(shù)表示為 : s =0nnnom? 100% (13) 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。并且，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才 有意義。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有一定的關(guān)系。 在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速中，常以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 nnom 為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降為 ?nnom，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 s =minnnnom? (14) 于是， nmin = n0min??nnom=snnom???nnom=s n)1( nom??s （ 15） 而調(diào)速范圍為： D=minmaxnn =minnnnom (16) 將上式 （ 15） 中 nmin 代入式 (16)，得 D=)1( SnSnnomnom?? (17) 對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或 ?nnom 值是一定的。 因此，由式 (17)可見，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說 要求越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類。 (一 )跟隨性能指標(biāo) a)上升時(shí)間 tr 在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第 一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?C 所經(jīng)過的時(shí)間。 b)超調(diào)量 ? 輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 ?=???C CCmax ?100% (18) c)調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 從開始到輸出穩(wěn)定下來的一段時(shí)間，一般我們用誤差帶 2%— 5%的 t∞ 來表示輸出穩(wěn)定。 (二 )抗擾性能指標(biāo) 是指控制系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行中受到干擾，經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程后，總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。 a)動(dòng)態(tài)降落△ Cmax% 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 5 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，在過度中引起的輸出量 最大降落值△ Cmax 做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 C∞ 1 的百分?jǐn)?shù)表示，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)降落后又重新恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 C∞ 2,用 (C∞ 1─ C∞ 2)表示靜差。 b)恢復(fù)時(shí)間 tv 從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 C∞ 2 之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量 Cb 的 ? 5%(或 ? 2%)范圍內(nèi)所需要的時(shí)間 （ Cb 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值 ） 。 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說，動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而 隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性為主。 [1][2] 本 論文研究的目的與內(nèi)容 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能 ,在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) ,如軋鋼機(jī)及其輔助機(jī)械、礦井卷揚(yáng)機(jī)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際直流調(diào)速系統(tǒng)中 ,應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)較為成熟的是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán) ,用以保證啟動(dòng)過程中只有電流反饋起作用保證最大允許恒定電流 ,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能以最大的加速度啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后使電流轉(zhuǎn)矩同負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡 ,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 ,達(dá)到“時(shí)間最優(yōu)控制” ,到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)控制使得轉(zhuǎn)速恒定。 傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多采用結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的帶限幅的PID 調(diào)節(jié)控制器 ,在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) ,由于各種因素 ,如控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與實(shí)際有偏差 ,又由于 電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù) (如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ) 并不如模型那樣一成不變 ,在某些應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)隨工況而變化 。同時(shí) ,電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對(duì)象 ,許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素。因此被控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性 ,使得 PID 控制器的參數(shù)往往難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài) ,而且參數(shù)的一成不變也 難以跟隨現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。 由于模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型 ,能夠根據(jù)日常生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則動(dòng)態(tài)地輸出 ,能利用其非線性特性 ，突破 PID 方法的局限，使調(diào)速系統(tǒng)既有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，又有較 高的穩(wěn)定程度。除此之外，模糊控制又進(jìn)一步提高了調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 魯棒性， 對(duì)于我們解決直流電動(dòng)機(jī)雙閉 環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)（甚至是交流調(diào)速系統(tǒng)）的控制策略有重要的借鑒意義。 利用模糊 PID 控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用 ,對(duì)傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流電 動(dòng) 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造 ,并通過仿真演示來說明其優(yōu)良特性是本文的主要內(nèi)容。 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 7 第 2 章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理 直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速 ， 這是從單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。采用 PI 控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動(dòng)的最大電流。加上電機(jī)反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達(dá)到最大值之后迅速降下來。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減少下來，使起動(dòng)過程變慢，起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時(shí)間。我們希望使電流在起動(dòng)時(shí)始終保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升，過渡過程時(shí)間大大縮短。另一方而，在一個(gè)調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個(gè)信號(hào)，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。為獲得近似理想的起動(dòng)過程，并克服幾個(gè)信號(hào)在一處的綜合的缺點(diǎn)，經(jīng)研究與實(shí)踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 雙閉環(huán)系統(tǒng)組成的思想是，在系統(tǒng)設(shè)立兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接，電流環(huán)在里面，為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，為外環(huán)。其調(diào)速系統(tǒng)原理如圖 21 所示： 圖 21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖中 ASR 和 ACR 分別代表轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器， TG 為測(cè)速計(jì)，可看作純比例環(huán)節(jié)。 GT 和 V 是晶閘管觸發(fā)器和整流裝置，控制晶閘管整流裝置總離不開 觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時(shí)，把它們當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來看。該環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 電路的控制電壓 Uct， 輸出量是理想空載整流電壓 Udo。圖中， ASR 和 ACR 均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出均設(shè)有限幅電路。 ACR 輸出限幅值為 Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值 Udm。 ASR 輸出限幅值為 Uim*，它決定了主環(huán)中的最大允許電流 Idm。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 為了更清楚地了解轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性，必須對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析。圖 22 為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 ACR和 ASR 的輸入、輸出信號(hào)的極性，主要視觸發(fā)電路對(duì)控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求 ACR 的輸出 Uct 為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求 ACR的輸入 Ui*為負(fù)極性，所以，要求 ASR 輸入的給定電壓 Un*為正極性。 圖 22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 以電流調(diào)節(jié)器 ACR 為核心的電流環(huán) 電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過電流檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流。由于 ACR 為 PI 調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓 ?Ui= ?Ui*+Ui= ?Ui*+?Id=0， 即 Id=Ui*/?。其中 ?為電流反饋系數(shù)。 當(dāng) Ui*一定時(shí)，由于電流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在Ui*/?數(shù)值上。當(dāng) Id?Ui*/?時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過程為： Id↑→?Ui=|?Ui*+?Id|↓→Uct↓→Ud↓→Id↓ 最終保持電流穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過程。 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 為核心的轉(zhuǎn)速環(huán) 基于模糊 PID 控制 的 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 9 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。 由于 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn) 態(tài)時(shí)應(yīng)滿足 ?Un=Un*??n=0，即 n=Un*/?。 當(dāng) Un*一定時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 將穩(wěn)定在 Un*/?數(shù)值上。當(dāng) n?Un*/?時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過程為： 負(fù)載 ↑→n↓→?Un=(Un*??n)↑→|Ui*|↑? 0? |?Ui|↑→Uct↑→Ud↑→n↑最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過程。 [3] 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性及穩(wěn)態(tài)參數(shù) 分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 的關(guān)鍵是掌握轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性，它有兩種狀態(tài)：飽和 — 輸出達(dá)到限副值，輸入量的變化不再影響輸出（除非輸入信號(hào)變極性使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和）， 這時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)； 不飽和 — 輸出未達(dá)到限幅值，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，使輸入偏差電壓 ?Un 在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 啟動(dòng)時(shí)，突加階躍給定信號(hào) Un*，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)速偏差電壓?Un 很大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 飽和，輸出為限幅值 Uim*且不變，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。在此情況下，電流負(fù)反饋環(huán)起恒流調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速線性上升，從而獲得極好的下垂特性，如圖 23 中的 AB 段虛線。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值且略有超調(diào)時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入信號(hào)變極性，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)起調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速保持恒定，即 n= Un*/?保持不變，見圖23 中 n0A 段虛線。 此時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速 n 的變化，而電流環(huán)則要求維持電流不變。這不利于電流對(duì)轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)，有使穩(wěn)態(tài)特性變軟的趨勢(shì)。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，起主導(dǎo)作用，而電流環(huán)的作用只相當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動(dòng)作用而已，只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最終靠 ASR 的積分作用，可消除轉(zhuǎn)速偏差。因此，雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性具有近似理想的“挖土機(jī)特性”。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 23 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 當(dāng)系統(tǒng)的 ASR 和 ACR 兩 個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和且系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，各變量間的關(guān)系為： Un*= Un= ?