【正文】 (13) 或用百分?jǐn)?shù)表示 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 %10 00 ??? nns N (14) 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 接下來介紹幾種主要的可控直流電源： 1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 —— 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 eK —— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎無處不使用電力拖動(dòng)裝置。故需要引入轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)，本文著重闡明其控制規(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)。首先介紹轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性，接著說明該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并從起動(dòng) 和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。軋鋼機(jī)、電鏟、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等各類生產(chǎn)機(jī)械都要采用電動(dòng)機(jī)來傳動(dòng)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 由式 (11)可以看出，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法： 1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。 2）靜止式可控整流器 —— 用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 在了解了這些后，再來介紹一下轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 1．被調(diào)量有靜差 從原理圖 11 中分析可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K 值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。 2）交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使 Ks 變化）。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 檢測(cè)精度 —— 反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。 為了 解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。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。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 21a） 所示 ,起動(dòng)電流突破 dcrI 以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值 dmI 后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。 圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 cU 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 ? — 電流反饋系數(shù) 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。穩(wěn)態(tài)時(shí) dmimd IUI ?? ?* (22) 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖 25 中的虛線。 第 I 階段是電流上升的階段（ 0～ 1t ） 突加給定電壓 *nU 后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用 , cU ﹑ doU ﹑ dI 都跟著上升，當(dāng) dLd II ? 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中 ACR 是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。 圖 32 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的特點(diǎn) 由上一節(jié)所述，我們得到起動(dòng)過程的特點(diǎn)有以下三點(diǎn)： 1） 飽和非線性控制。采用飽和非 線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍也得到應(yīng)用。在設(shè)計(jì) ASR 時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 4） 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。于是便產(chǎn)生建立更簡便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法的必要性。 4） 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計(jì)算公式。根據(jù) 0,1,2,r? … 的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、 … 系統(tǒng)。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 圖 35 典型Ⅰ型系統(tǒng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 2．典型 II型系統(tǒng) 在各種 II型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型 II型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 2 ( 1)() ( 1)KsWs s Ts? ?? ? (33) 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如 圖 36所示 。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到 ?C 所經(jīng)過的時(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。 2． 抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量 F 后，輸出量由降低到恢復(fù)的 過渡 過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖 38所示 。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值 2?C 作為基準(zhǔn)值。此圖有濾波環(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)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1． 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) lT 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中 ,可認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 0??E 。其傳遞函數(shù)可以寫成 ssKSW iiiA C R ?? )1()( ?? (41) 式中 Ki —— 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)。 圖 46 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)小慣性的近似處理 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 46） 。 TFKCb 22? (419) 且有 meTCRK ?2 (420) nTT ?? (421) 而 dldm IIF ?? (422) 故 mnNmedldmnb TTnzTC IIRTn ?? ?????? )(2)(2 ? (423) 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。簡單地說，仿真是建立相應(yīng)物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上解算的過程。其工作過程一般是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計(jì)算法，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序，使系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能為計(jì)算機(jī)所接受并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行；運(yùn)行仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，再根據(jù)仿真試驗(yàn)的結(jié)果。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“ Simu” ，一詞表明它可以用于計(jì)算機(jī)仿真，而“ Link”一詞表明它能進(jìn)行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 第六章 參數(shù)整定以及仿真 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿 真的相關(guān)數(shù)據(jù) 直流電機(jī)的主要參數(shù)如下： 額定電壓： 220?eU V 額定電流： ?eI A 額定轉(zhuǎn)速： 1500?en r∕min 電勢(shì)系數(shù)： ?eC ∕r 允許過載倍數(shù) ?? ,晶閘管放大倍數(shù) 60?sK 電流反饋系數(shù)： ?? V∕A 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ?? V 電磁時(shí)間常數(shù)： ?LT s 機(jī)電時(shí)間常數(shù)： ?mT s 電樞回路總電阻： ?? 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： ?onT s 電流濾波時(shí)間常數(shù)： ?oiT s 中頻寬： h=5，超調(diào)量： %5?i? PI 控制算法的參數(shù)整定 一 .電流環(huán)的計(jì)算 1． 確定時(shí)間常數(shù) ① 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts， 三相橋式電路的平均失控時(shí)間： Ts=? ② 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT ： sToi ? ③ 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 iT? ,按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 sssTTT oiSi ?????? 2． 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量 %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，在根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定把電流環(huán)校正成哪一類系統(tǒng)。 ③ 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 cioiS TT ????? 131131 滿足近似條件。取內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 ???400R ，各電阻和電容值計(jì)算如下 ?????? nn ，取 ???900nR FFRC nnn ?? 3 ???? ，取 FCn ?? FFRTC onon ? 30 ????? ，取 FCon ?? 6． 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)，查附表 3 得 %?n? ,不能滿足 %10?n? ?？梢姡到y(tǒng)的跟隨性能是很好 的?？梢婋娏鳝h(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。按照?qǐng)D 67 分別在擾動(dòng)信號(hào)作用點(diǎn)2 和 3 加階躍擾 動(dòng)信號(hào)后進(jìn)行仿真，它們的階躍響應(yīng)曲線如圖 69a）和圖 69b）所示。 4． 起動(dòng)過程電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出仿真分析 圖 612 是模擬電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速 的仿真曲線。由此可見，它與我們前面第三章所敘述的起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速波形基本上是一致的，仿真結(jié) 果與理論分析較為吻合。負(fù)載擾動(dòng)可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)要求超調(diào)小于 10%。對(duì)于電流環(huán)，通過上面 的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點(diǎn)： 1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。所以，應(yīng)按 ASR 退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。 二．轉(zhuǎn)速環(huán)的計(jì)算 1. 確定時(shí)間常數(shù) ① 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)IK1 由 ??iITK 知 ssTK iI ???? ? ② 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT sTon ? ③ 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) nT? sTKT onIn 018 ?????? 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計(jì)要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，生產(chǎn)工藝一般要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)為無靜差，動(dòng)態(tài)性能具有良好的抗擾性能。從動(dòng)態(tài)上看，希望在啟動(dòng)過程中電流不要超過允許值，也不要有超調(diào)量，或者超調(diào)量越小越好。系統(tǒng)也能夠是多采樣頻率的 （ Multiarte） ，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率結(jié)合起來。 系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)是建立在數(shù)學(xué)模型上的。 一般地說，系統(tǒng)可以分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，這些系統(tǒng)按時(shí)間變量的不同又可以分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，它們各有不同的描述。本章就是對(duì)轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。由此可見， ASR 也應(yīng)該采用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 )1( ?? ssKW nn nA SR ?? (412) 式中 Kn —— 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)間系數(shù)。 (33) 圖 43 校正成典型Ⅰ性系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖 44 繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 )(* sUi /? ，則 電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 圖 41 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。 實(shí)際控制系統(tǒng)對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的 要求各有不同。 圖 38 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) 1） 動(dòng)態(tài)降落 maxC? 系 統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾 動(dòng) 量，所