【正文】 本設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來(lái)完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。改變電阻只能 實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速。 本設(shè)計(jì)選用第二種靜止可控整流器。 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。 實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能 在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入 輸出關(guān)系為 )(1 scs0d TtUKU ??? (26) 按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 sTKsU sUsW se)( )()( sc0ds ??? (27) u 2 u d Uc t t a1 0 Uc1 Uc2 a1 t t 0 0 0 a2 a2 Ud01 Ud02 Ts O O O O 圖 25 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（ 28）變成 ?????????33s22ssssss!31!211ee)( ss sTsTsT KKKsW sTsT (28) 考慮 到 Ts 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。 AB 段特性和 CA 段相比有兩個(gè)特點(diǎn)： 1） 電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 SSRKKP ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是 1)( s ss ?? sTKsW （ 221） 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路繪于圖 211，動(dòng)態(tài)電壓方程為 EtILRIU ??? dd ddd0 （ 222） 忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 tnGDTT dd3752Le ?? （ 223） 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 nCE e? （ 224） 和 dme ICT ? （ 225） 整理后得 )dd( dd0d tITIREU l??? （ 226） tERTII ddmdLd ?? （ 227） 式中 dLI —— 負(fù)載電流， mLCTI ?dL。 設(shè) dLI =0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(1)1()1)(1(/)1)(1(/1)1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespc???????????????????????sKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll ? 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 0111 )(1 sm2sm3sm ?????? ??? sKTTsK TTTsKTTT ll （ 234） （ 233） 圖 214 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 一般表達(dá)式為 0322130 ???? asasasa 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 00000 30213210 ?????? aaaaaaaa ， 各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 0111 )( smsmsm ??????? ? KTTTKTTK TTT ll 或 ssms )1())(( TTKTTTT ll ???? 整理后得 s2ssm )(TT TTTTK ll ??? （ 235） 臨界放大系數(shù) crK ， crKK? 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 a) b) ： 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmI 的恒流過(guò)程。 2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了 獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖 35 所示。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm*imd IUI ?? ? （ 32） 式中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 0n*n nnUU ?? ??? （ 33） dLdi*i IIUU ?? ??? （ 34） sdL*nesdesd0c /K RIUCK RInCKUU ????? ? （ 35） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 1）轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *nU 決定的； 2） ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dLI 決定的； 3）控制電壓 cU 的大小則同時(shí)取決于 n 和 dI ，或者說(shuō)，同時(shí)取決于 *nU 和 dLI 。 ： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。 其中 0iT —— 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) 0nT —— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 圖 37 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。 圖 39b 表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 ssKsW iiiA C R )1()( ?? ?? （ 39） 式中 iK —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 由此可見(jiàn)， ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ssKsW nnnA S R )1()( ?? ?? （ 322） 式中 nK —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。在建模的時(shí)候，首先要分析系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)的每個(gè)細(xì)節(jié)，從 SIMULINK 模塊箱中找到合適的模塊；然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以將實(shí)際系統(tǒng)中的主電路參數(shù)作為初始值，根據(jù)需要，不斷調(diào)整控制部分的參 數(shù)。 電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ? ssKsWiiiACR ?? 1?? ACR 超前時(shí)間常數(shù)： sTli ??? ； 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因?yàn)橐?%5?i? ，故應(yīng)取 ??iITK ，因此 ?? ??? sTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ??????siIi KRKK ?? 。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 sTon ? ； 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) nT? 。 3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %%m ax ??kbCC；而 min/ rC RIneNN ????? ，故? ? % 01 60 %%% *ma x ??????????????????? ?? ?mnNbn TTnnZCC ??能滿足設(shè)計(jì)要求。 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個(gè)階段。 與此 同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， d0U 和 cU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 dI 恒定。直到 dI =dLI 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 eT = LT ，則 nd /td = 0，轉(zhuǎn)速 n才到達(dá)峰值（ t=3t 時(shí)）。 當(dāng) *iU 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?*iU 數(shù)值上。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 48 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2） 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多 和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 lll nnsc0cc ?? 和op0opop nns ?? 按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 op0n = cl0n 時(shí)， Kssl ??1 opc （ 44） 3）如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍 開(kāi)環(huán)時(shí) )1(op Nop snsnD ??? 閉環(huán)時(shí) )1(c Nc snsnDll ??? 再考慮式（ 44），得 opc )1( DKD l ?? (45) 要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器，且 K 足夠大。 仿真結(jié)果分析總結(jié) 從仿真結(jié)果可以看到，啟動(dòng)過(guò)程的第一階段是電流上升階段。 優(yōu)點(diǎn)：抗擾性能強(qiáng) 缺點(diǎn)：成本高，存在穩(wěn)定性問(wèn)題 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作穩(wěn)定，因此，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)及擾動(dòng)作用能預(yù)先知道并且系統(tǒng)要求精度不高時(shí)，可以采用開(kāi)環(huán)控制。第二階段 ， ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。 比例調(diào)節(jié) a） 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 49 比例調(diào)節(jié)開(kāi)環(huán)系統(tǒng) a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 410 比例調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng) 比例積分控制規(guī)律 從無(wú)靜差的角度表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜 差率有一定的要求。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過(guò)程。 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。突加給定電壓 *nU 后， dI 上升，當(dāng) dI 小于負(fù)載電流 dLI 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)殡娏鳈z測(cè)信號(hào)中常含有交流成分，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)oiT 按需要而定。 由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。 因?yàn)?cis sT ????? ? 13 1，所以滿足近似條件。 設(shè)計(jì)要求： ①靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；②動(dòng)態(tài)指標(biāo)： 電流超調(diào)量 %5?i? ，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10?n? 。無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇 5?h 4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí) 現(xiàn) 模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路 圖中 *nU —— 為轉(zhuǎn)速給定電壓， n?? —— 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓， *iU —— 調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在一般情況下，希望電流超調(diào)量 i? 5%， 選 ? =， iI ?TK =，則 iciI 21??? TK ? （ 312） 再利用式（ 323）和式 （ 324)得到 )(22 isisi ?? ?? TTKRTK RTK ll ?? （ 313） 電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式 0ii RRK? （ 3