【正文】 ）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b） 電流和轉(zhuǎn)速波形 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 42 無負(fù)載雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 43 帶負(fù)載雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 起動(dòng)過程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。 第 II 階段恒 流升速階段（ 1t ~2t ）。 轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。 電流環(huán) 以電流調(diào)節(jié)器 ACR 為核心的電流環(huán)工作原理 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。當(dāng) n＜ ?*nU 時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過程為： FZ↑→ n↓→ nU? =( nUn ??* )↑→∣ *iU ∣↑＜ 0→∣ iU? ∣↑→ aU ↑→ dU ↑→ n↑ 最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。比較式 (41)和 (42)可得出以下論斷。 在零初始狀態(tài)和階躍輸入下， PI 調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于圖 412a，從這個(gè)特性可以看出比例積分作用的物理意義。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 缺點(diǎn)：抗擾性能差 閉環(huán)控制：控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用而且還有無反向聯(lián)系及輸出對(duì)輸入有影響的控制。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后， ASR 輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它推出了飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。 在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn) PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖411 所示 比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出是由比例和積分兩部分相加而成的， ?? ???? tUUKtUCRURRU d1d1 ininpiin10in01ex ? （ 46） 式中 01Pi RRK ?—— PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)； 01RR?? —— PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。 反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性 比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。 1. 開環(huán) a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 47 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器開環(huán)系統(tǒng) 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 0* ???? nUU nn ? ，即 n= ?*nU 。 由于 ASR 采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 nU? 為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。 第 III 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ 2t 以后）。直到， dI = dmI ， iU = *imU 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 dI 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。所以在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號(hào)與反饋信號(hào)同步，并可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。 按跟隨和抗繞性能都較好的原則取 h=5，則 ASR 超前時(shí)間常數(shù)： shT nn ???? ?? ； 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 62 1 222 ??????? nN TThhK； 于是 ASR 的比例系數(shù)? ? 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 11 ?????? sKK nNN ??? 1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的 近似條件是否滿足 n T??51?。 現(xiàn)在 cilm sTT ?????? 1313，滿足近似條件。三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? ； 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT 。圖 315 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 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。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 *iU (s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 111)()()(Ic li*id???sKsWsUsI ?? （ 320） 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這時(shí)，電流環(huán)如圖 38 所示。 4 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路： 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反 饋系數(shù) max*nmnU?? （ 36） 電流反饋系數(shù) dm*imIU?? （ 37） 兩個(gè)給定電壓的最大值 *nmU 和 *imU 由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下： 1） *nmU 受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制； 2） *imU 為 ASR 的輸出限幅值。 2）當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是說， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 dI =0 一直延續(xù)到 dI = dmI ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dnI 的。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 存在兩種狀況： 1) 飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入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；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器 暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖 32所示。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 dcrI 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。如果是理想空載，則 dLI = 0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖 213b。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 引入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。解決辦法：引入電流截止負(fù)反饋。 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? (210) 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，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 圖 24 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入 輸出特性和 sK 的測(cè)定 圖 23 完整的 V M 系統(tǒng)機(jī)械特性 在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。對(duì)應(yīng)于 ? = 2? /3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。 2）晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的 dV/dt 與 di/dt都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。 2）靜止可控整流器。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法 : 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 。原因是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。說明 了 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理 和轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的性能 ， 詳細(xì)分析了系統(tǒng)的起動(dòng)過程及參數(shù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用 Simulink進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析轉(zhuǎn)速和電流的波形 ，并進(jìn)行調(diào)試，使系統(tǒng)趨于完善，合理 。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待?；蛘甙醋顕?yán)重的情況考慮，取 smaxs TT? 。然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。電流負(fù)反饋起作用后，相當(dāng)于圖中的 AB 段。 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 )1)(1()( m2ms ???? sTsTTsTKsWl （ 232） 式中 eCKKK SP ?? 。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnA S R 1)( ?? ?? ssKsWiiiAC R 1)( ?? ?? 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ： 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖 37，它與前述的圖 36 不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。 從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。 圖 313 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 )(*nsU /? ，再把時(shí)間常數(shù)為 1/ IK 和 n0T 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn 1 TKT ??? （ 321） 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見圖 314），現(xiàn)在在擾動(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)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(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。 系統(tǒng)的仿真分為三個(gè)步驟，分別是：建模、設(shè)置參數(shù)、仿真及仿真結(jié)果分析。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5?i? ，而且 ????ilTT ，因此，電流環(huán)可按典型I 型 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 sT i ?? ； 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT 。 現(xiàn)在 ion sTT ???????? 1312 131，滿足近似條件。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)過程示于圖 44。在這個(gè)階段中，ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 *imU 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 45 電流調(diào)節(jié)器開環(huán)系統(tǒng) 由于 ACR 為 PI 調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓 0** ???????? diiii IUUUU ? 即 dI = ?*iU 其中 ? —— 為電流反饋系數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過程。 1） 閉環(huán)系統(tǒng)靜特 性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多 開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為 edop CRIn ??和 )1(e dc KCRIn l ??? 它們的關(guān)系是 Knnl ???? 1 opc （ 43） 當(dāng) K值較大時(shí)， cln? 比 opn? 小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。圖 412b 比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)