【正文】 在圖中我們可以看到，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速逐漸增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間轉(zhuǎn)速基本達(dá)到穩(wěn)定。 階躍最大動(dòng)態(tài)降落： ???C 最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間： stp ? 同理由圖 69b）也可得到階躍擾動(dòng)響應(yīng)性能指標(biāo)有： 最大動(dòng)態(tài)降落： 24max ???C 最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間： stp ? 由上面的仿真圖可以看出 它的抗擾性能有如下幾點(diǎn)： 1）由于負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的 作用。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 39 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 40 圖 68 轉(zhuǎn)速環(huán)階躍響應(yīng) Simulink 曲線 通過(guò)編程運(yùn)行出的轉(zhuǎn)速圖如上圖，由圖 68 可以看到曲線單調(diào)上升，完全無(wú)超調(diào)，并且在 3s 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 2．電流環(huán)抗擾性能分析 可知其性能指標(biāo)： 最大動(dòng)態(tài)降落： ???C 最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間： stp ? 同理，圖 63b）為電流環(huán)在擾動(dòng)作用點(diǎn) 3 施加單位階躍信號(hào)的擾動(dòng)響應(yīng)曲線，由圖可知其性能指標(biāo)： 最大動(dòng)態(tài)降落： ???C 最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間： stp ? 對(duì)大多數(shù)機(jī)器設(shè)備，控制系統(tǒng)的抗擾性能指標(biāo)是至關(guān)重要的，它比系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)更為人們所關(guān)注。實(shí)際上，附表 3 是按線性系統(tǒng)計(jì)算的超調(diào)量，而突加階躍給定時(shí)， ASR 飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，具有飽和非線性特性。 5． 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 根據(jù)圖 45，取 ???400R ，各電阻和電容值為 ???????? ii ，取 ??? FFRC iii ?? 3 ???? ， 取 uFCi ? FFRTC oioi ? 30 ????? ，取 FCoi ?? 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 %5% ??i? ，滿足設(shè)計(jì)要求。從穩(wěn)態(tài)上看，希望電流環(huán)做到無(wú)靜差 。最近幾年，后來(lái)崛起的 Simulink 己成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域在構(gòu)建、仿真與分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)上使用最為廣泛的軟件包，它支持線性及非線性系統(tǒng)，能創(chuàng)建連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間或者兩者混合的系統(tǒng)模型。進(jìn)一步修正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。 數(shù)學(xué)模型是仿真的基礎(chǔ)，只有建立正確的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)，才能得到正確的仿真結(jié)果，仿真才有意義。這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對(duì)系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 li T?? (42) 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖 43 所示的典型形式。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。其中 oiT —— 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)； onT —— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較小，例如小于 5%（這是常有的情況），則按進(jìn)入 %5? 2?C 范圍來(lái)定義的恢復(fù)時(shí)間只能為零，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 22 就沒(méi)有意義了，所以必須選擇一個(gè)比穩(wěn)態(tài)值更小的 bC 作為基準(zhǔn)。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。 圖 37 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo) 2） 超調(diào)量 ? 與峰值時(shí)間 pt 在階躍響應(yīng)過(guò)程中，超過(guò) rt 以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時(shí)間 pt 是達(dá)到最大值 maxC ，然后回落。 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn) 工藝對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 圖 36 典型Ⅱ型系統(tǒng) 在典型 II 型系統(tǒng)中，其中頻段也是以 20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線。自動(dòng)控制理論已證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而 III型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 5） 適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 2． 工程設(shè)計(jì)方法的可能性 現(xiàn)代 的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 2． 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 由圖 34a） 和 34b） 對(duì)比分析可知 1） 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。 最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。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)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單地用線性控制理論來(lái)分析整個(gè)起動(dòng)過(guò)程，也不能簡(jiǎn)單地用線性控制理論來(lái) 籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。 第Ⅲ階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ 2t 以后） 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn ? 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 *imU ，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng) dI ? dLI 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電樞電流 dI 迅速上升?？傊?，雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號(hào)的過(guò)渡過(guò)程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)。式 (22)所描述的靜特性對(duì)應(yīng)于圖 25 中的 AB 段，它是一條垂直的特性。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，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 。這就要求系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？只用一個(gè)調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，問(wèn)題是在系統(tǒng)中應(yīng)該如何聯(lián)接。 對(duì)于經(jīng)常正﹑反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。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(lái)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。 限流保護(hù) —— 電流截止負(fù)反饋 起動(dòng)的沖擊電流 —— 直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。 3）電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成 Ce 變化 ）。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器，即 pK =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。 3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 —— 用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。 2） 減弱勵(lì)磁磁通 ?。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)﹑位置系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系 統(tǒng)。隨著對(duì)生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。但是，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)就難以滿足需要。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2 第一章 概 述 直流電動(dòng)機(jī)的原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力 拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 ?—— 勵(lì)磁磁通（ bW ）。 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。 1． 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? (12) 其中 maxn 和 minn 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù) 載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由 IGBT 或 PMOSFET組成的 PWM 變換器；對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開(kāi)關(guān)器件，如 GTO、IGCT 等；對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。 擾動(dòng) —— 除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量 變化的因素都叫做 “擾動(dòng)作用 ”。 如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控 制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。 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。為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)。 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳，圖 21b） 所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖 32 所示 。當(dāng) ACR 采用 PI調(diào)節(jié)器時(shí) ，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， dI 應(yīng)略低于 dmI 。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段振蕩過(guò)程。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制” ，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 2） 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 1． 工程設(shè)計(jì)方法的必要性 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選擇可采用伯德圖的方法來(lái)設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)每一個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)，都須先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過(guò)反復(fù)試湊，才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并計(jì)算參數(shù)。 2） 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記。 典型系統(tǒng) 一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可以用下式表示 ??????? niirmjjsTssKsW11)1()1()(? (31) 其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和負(fù)數(shù)極點(diǎn)。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時(shí)保證 Tc 1?? 或 1cT? ? 45carctg? ?? 于是，相角穩(wěn)定裕度 0000 459090180 ?????? Tar c t gTar c t gr cc ?? 它的閉環(huán)系 統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 35a） 所示。 然而，階數(shù)上是三階或二階只是表面現(xiàn)象，因?yàn)榻?jīng)過(guò)降階處理后，高階系統(tǒng)可以近似地降為低階，而 I型和 II型以及由此表明的 在 穩(wěn)態(tài)精度上的差異才是這兩類系