【正文】 TssTh hsTh hhTsscl h為斜率為20dB/dec的中頻段寬度。 第二章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論 21 典型 Ⅰ 型和典型 Ⅱ 型系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，無(wú)論是電機(jī)還是調(diào)節(jié)器都被看成一個(gè)拉普拉斯變換成的s域模型，這些環(huán)節(jié)通過(guò)串并聯(lián)合反饋連接在一起，構(gòu)成了系統(tǒng)，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，就要先清楚一些典型系統(tǒng)的特性。隨著離散控 制器及其理論的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論有了用武之地。轉(zhuǎn)速，電流反饋控制的調(diào)速系統(tǒng)是一種串級(jí)系統(tǒng)，所以其整定系統(tǒng)參數(shù)的方法也借鑒了一般串級(jí)系統(tǒng)的差別，但又有不同于一般串級(jí)系統(tǒng)的。 本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是針對(duì)一套調(diào)速系統(tǒng)（包括電源，電機(jī)，勵(lì)磁回路等）建立模型并整定出帶濾波的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，投入運(yùn)行。高性能的計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)完成復(fù)雜的運(yùn)算；系統(tǒng)辨識(shí)，參數(shù)估計(jì)和算法魯棒性上的應(yīng)用，大幅改善了控制效果。 典型 Ⅰ 型和典型 Ⅱ 型系統(tǒng)的區(qū)別在于原點(diǎn)處零極點(diǎn)的個(gè)數(shù)不同，而除原點(diǎn)外其他處的零極點(diǎn)個(gè)數(shù)則區(qū)分了同一典型系統(tǒng)的不同系統(tǒng)。 對(duì)于 Ⅰ 型系統(tǒng)而言，開(kāi)環(huán)增益 K 越大，截至頻率c?也越大，系統(tǒng)的響應(yīng)也越快，但是相角裕量裕量?會(huì)變小，在響應(yīng)上的表現(xiàn)就是調(diào)節(jié)時(shí)間變短，但是振蕩會(huì)加劇。 24 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ACR 首先要對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略反電動(dòng)勢(shì)的影響，再將內(nèi)環(huán)等效為單位負(fù)反饋，進(jìn)行小慣性環(huán)節(jié)近似處理，可以得到 圖 22 電流內(nèi)環(huán)的簡(jiǎn)化 其中 sT 和 oi 一般都比lT小得多，可以近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 oisi TTT ??? 設(shè)計(jì)出電流調(diào)節(jié)器后將電流環(huán)作等效處理 12 1)( ?? ? sTsW icli 而內(nèi)環(huán)可以簡(jiǎn)化為典型 Ⅰ 型環(huán)節(jié)，從而在穩(wěn)態(tài)性能上得到電流無(wú)靜差，在暫態(tài)性能上有較強(qiáng)的跟蹤能力。 作的規(guī)整度，主要收電機(jī)的轉(zhuǎn)軸偏離中心程度和換向片 和電刷的接觸電阻。 電源端電壓dU 電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 2121 nn UUC dde ??? 電源等效內(nèi)阻nR 斷開(kāi)勵(lì)磁回路，固定給定電壓ctU在 （實(shí)驗(yàn)中是 ），改變電樞串聯(lián)回 路的阻值，得到兩組端電壓和電樞電流的值 1212ddddn II UUR ?? 。 電樞電流 dI 電源端電壓dU 給定電壓 ct 平波電感內(nèi)阻dR 不通電的情況下，用萬(wàn)用表直接測(cè)電感的阻值。 突加給定的轉(zhuǎn)速變化圖 表 31 各模型參數(shù)的測(cè)量方法 32 模型測(cè)定實(shí)驗(yàn)的計(jì)算分析 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 (1) 測(cè)量參數(shù)aR 測(cè)量結(jié)果 1 測(cè)量結(jié)果 2 測(cè)量結(jié)果 3 平均值 標(biāo)準(zhǔn)差 ? ? 相對(duì)偏差 % % % 表 32 電樞內(nèi)阻的測(cè)量結(jié)果 測(cè)量結(jié)果的不同主要是由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸的偏心，導(dǎo)致?lián)Q向片和電樞間接觸或緊或松，接觸電阻或小或大，實(shí)際電機(jī)運(yùn)行中還存在氣隙偏心等問(wèn)題 ，但是只要對(duì)電樞電阻的影響小于 2%就可以忽略。 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 原始數(shù)據(jù)中的nUct和建立模型后仿真得到的結(jié)果又較大差異，這一點(diǎn)有可能是勵(lì)磁變化導(dǎo)致的，在后面的模型偏差分析中會(huì)做較詳細(xì)的討論。通常系統(tǒng)工作在死區(qū)和飽和區(qū)中間的線性區(qū)內(nèi)。 sK在0dct U?的關(guān)系中表現(xiàn)為兩者的斜率，這個(gè)斜率應(yīng)該隨著ctU的增加而先變大后變小，但在ctU為 1V 時(shí)出現(xiàn)了一些反復(fù)，這應(yīng)該是由于測(cè)量過(guò)程中的誤差帶來(lái)的，是由于在記錄這一點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有將電樞電流調(diào)回 導(dǎo)致的。 ctU/v 0dU/v n/ rpm dI/A 0dU/v n/ rpm 83 582 111 756 127 891 159 1086 163 1137 187 1283 223 1560 2 222 1530 模型仿真結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 晶閘管整流器輸出的電源電壓較大時(shí)，也是電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的給定電壓也較大，可以看到，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的模型仿真結(jié)果又較大的差異，可能有以下一些原因帶來(lái)了 模型偏差 ①實(shí)驗(yàn)中勵(lì)磁磁通可能改變了，導(dǎo)致測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)的勵(lì)磁磁通和建立模型某一參量時(shí)的勵(lì)磁磁通不相匹配，也就是說(shuō)在這一模型中電動(dòng)勢(shì)系數(shù)是不合適的。 ②改變電樞電阻，觀察轉(zhuǎn)速的變化 圖 35 改變電樞電阻后的電機(jī)起動(dòng)（空載 /負(fù)載） 可以看到，在存在負(fù)載時(shí)，電樞電阻偏大會(huì)降低最后的轉(zhuǎn)速，但是計(jì)算模型時(shí)的電阻只包括電樞內(nèi)阻，電抗阻值和電源內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)時(shí)還存在起動(dòng)電阻沒(méi)有完全切 除的可能，所以電阻測(cè)量的偏差不是模型誤差的來(lái)源。 電流內(nèi)環(huán)的要求主要是快速跟隨，轉(zhuǎn)速外環(huán)的主要要求是抗擾動(dòng)，消除轉(zhuǎn)速靜差，由此確定內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化為典型 Ⅰ 型系統(tǒng)，外環(huán)為典型 Ⅱ 型。 ②計(jì)算 ACR的限幅值，等于最大控制電壓除以它對(duì)應(yīng)的電源放大系數(shù)Sctmm KUU ?Io ③調(diào)節(jié)運(yùn)放反向端和輸出端所連的電阻 piR，直到運(yùn)放輸出端輸出電壓恰好為預(yù)設(shè)的限幅值。 + + + M TG + + RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id Ri Ci Ud + + R0 R0 Rn Cn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM UPE 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29 3 調(diào)節(jié)好電流反饋系數(shù)? ① 計(jì)算電流內(nèi)環(huán)的反饋系數(shù) dmimIU*?? ② 將手動(dòng)給定接入 ACR 的反向輸入端，ACR輸出端接晶閘管電源，電機(jī)不施加勵(lì)磁。 ② 將雙閉環(huán)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)按圖連接好，加入勵(lì)磁磁通和負(fù)載，反饋線也接好。 Ⅱ .系統(tǒng)須要穩(wěn)定運(yùn)行，也就轉(zhuǎn)速不出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，否則整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)都會(huì)不斷振蕩。 5 測(cè)定兩條系統(tǒng)的靜特性曲線 ① 將整定后的參數(shù)調(diào)整好并記錄下來(lái)。 6 得到系統(tǒng)的電流，轉(zhuǎn)速起動(dòng)波形 ① 將給定調(diào)到最大，突加給定，在示波器上顯示轉(zhuǎn)速（nU)和電樞電流（iU)的起動(dòng)波形，得到調(diào)整后系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)。 ① 為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，我們?cè)谟?jì)算電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)時(shí)忽略了反電動(dòng)勢(shì)的影響，但是反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速成正比，雙閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中反電動(dòng)勢(shì)的變化會(huì)引起起動(dòng)電流的波動(dòng)，并且會(huì)給電流帶來(lái)靜差。 ③ 高階系統(tǒng)低階化成為一階慣性環(huán)節(jié)，加快了電流的跟隨作用，這樣設(shè)計(jì)出四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速，電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 35 來(lái)的系統(tǒng)超調(diào)量會(huì)減小，實(shí)際運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)更大的 超調(diào)。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)必須構(gòu)成負(fù)反饋，一旦環(huán)內(nèi)沒(méi)有一個(gè)環(huán)節(jié)取反，系統(tǒng)就會(huì)失去對(duì)轉(zhuǎn)速的控制作用，轉(zhuǎn)速很快會(huì)上升到 2200rpm 左右。 ④ 在 給定電壓太小時(shí)，空載或者負(fù)載過(guò)輕時(shí)出現(xiàn)了電流斷續(xù)的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速也隨之大幅波動(dòng)。 首先是傳遞函數(shù)模型，以往傳遞函數(shù)模型都是 題設(shè)中已知的，這次是第一次讓我們自己來(lái)測(cè)量分析雙閉環(huán)系統(tǒng)各個(gè)部分的模型，讓我認(rèn)識(shí)到，模型就是對(duì)環(huán)節(jié)主要參數(shù)的突出和對(duì)次要參數(shù)或者復(fù)雜參數(shù)的忽略，例如電機(jī)的模型，我們只抓住了電機(jī)的慣性特性（電機(jī)的起動(dòng)需要時(shí)間，起動(dòng)過(guò)程電流和轉(zhuǎn)速都有一個(gè)變化過(guò)程）和電磁特性（電機(jī)在電路中就等效為一個(gè)實(shí)際電感）。 然后是工程方法整定調(diào)節(jié)器，我們第一次對(duì)限幅有了體會(huì)，實(shí)際系統(tǒng)中的積分器一定有飽和，為了防止飽和，有必要人為設(shè)置限幅，限幅值的大小取決于輸出端的兩個(gè)正負(fù)鉗位電阻，與輸入無(wú)關(guān)。自己要理解老師的實(shí)驗(yàn)要求，變成自己在做實(shí)驗(yàn)。在這里還是感謝一下肖勇老師，感謝他在百忙之中為我們悉心指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的思路上，大致順序是按實(shí)驗(yàn)的時(shí)間順序完成的，不過(guò)同樣實(shí)驗(yàn)部分的實(shí)驗(yàn)前分析，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和 實(shí)驗(yàn)結(jié)論是寫(xiě)在一起的，便于查閱。 最后是參數(shù)整定，計(jì)算得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)只能作為參考，實(shí)際整定的結(jié)果和計(jì)算有相當(dāng)大的差距，這是簡(jiǎn)化過(guò)程和計(jì)算偏差帶來(lái)的，測(cè)定靜特性方程和動(dòng)態(tài)起動(dòng)波形圖的方法都是以往涉及的的，這次只是再溫習(xí)罷了。 同時(shí)，自己建立和化簡(jiǎn)傳遞函數(shù)模型的過(guò)程也使自己加深了對(duì)傳遞函數(shù)作用的理解，傳遞函數(shù)的存在可以大致描述但 輸入單輸出的系統(tǒng)，對(duì)于可能存在的耦合，傳遞函數(shù)模型無(wú)法準(zhǔn)確地描述，這也是為什么電流環(huán)的簡(jiǎn)化模型忽略了反電動(dòng)勢(shì)。