【正文】 引起的輸出量最大 降 落值 maxC? 稱作動態(tài)降落。 maxC 超過穩(wěn)態(tài)值 ?C 的百分數(shù)叫做超調(diào)量，即 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 21 %100m a x ?????C CC? (34) 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。由于分母中2s 的相頻特性是 180176。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用 I型和 II 型系統(tǒng)。 工程設(shè)計方法的基本思路 作為工程設(shè)計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng) 而用運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 a） 單閉環(huán)系統(tǒng) b） 雙閉環(huán)系統(tǒng) 圖 34 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 2） 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以 通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。 2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。直到， dmd II ? ， *imi UU ? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長，標志著這一階段的結(jié)束。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 12 第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 由雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)（見圖 24），即可繪制出雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 31 所示。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ，則 *nn UU ? ，ASR 將 退出飽和狀態(tài)。 1． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* 由第一個關(guān)系式可得 0* nUn n ?? ? (21) 從而得到圖 25 所示靜特性的 CA 段。 圖 23 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 10 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 24 所示。 a） 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程 b） 理想的快速起動過程 圖 21 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。為此，在電機最大允許電流和 轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣， 電動機的轉(zhuǎn)速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。那么，引入電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓 *nn UU ?? ，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的（ 1+K）倍。 4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使 Kp 變化）。因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 )( KIC RIn e dcl ??? (15) 只有 ??K ，才能使 0??cln ，而這是不可能的。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將 使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 任何一臺需要控 制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 3） 改變電樞回路電阻 R。 直流電機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn (11) 式中 n —— 轉(zhuǎn)速（ r/min）。從 20 世紀 60 年代以來，現(xiàn)代工業(yè)電力拖動系統(tǒng)達到了全新的發(fā)展階段。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。我們知道采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。直流電動機在額定轉(zhuǎn)速以下運行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上 運行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。在一定時期以內(nèi)，直流拖動仍將具有強大的生命力。 R—— 電樞回路總電阻（ ?）。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。這兩個指標合稱 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。 圖中， UPE 是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓 dU 。 2．抵抗擾動 , 服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。 3．系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度 給定精度 —— 由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。例如，由于故障使機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 7 第二章 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 轉(zhuǎn)速﹑電流 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 對于一個完整的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)所要達到的性能指標、整個系統(tǒng)的綜合性價比以及系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、工作的可靠性等都是相當(dāng)重要的，這就要求我們考慮問題要非常周全，能夠考慮到各方面因素對整個系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的影響。另一方面，在一個調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外 環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，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 號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時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)。這就是靜特性的運行段，它是一 Ks ? 1/Ce U*n Uc Id E n Ud0 Un + + ASR + U*i R ? ACR Ui UPE 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 11 條水平的特性。這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)﹑外兩個閉環(huán)的效果。 圖 31 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析 我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于圖 21b) 所示的 理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時 ，有必要首先探討它的起動過程。與此同時，電動機的反電動勢 E 也按線性增長見圖 32，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時間內(nèi)， dLd II ? ，直到穩(wěn)定。 3） 準時間最優(yōu)控制。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。 1． 電流調(diào)節(jié)器作用 1） 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 3） 其輸出限幅值決定電動機允 許的最大電流。 工程設(shè)計方法的原則 1） 概念清楚、易懂。 這樣做，就把穩(wěn)、準、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進一步滿足其他動態(tài)性能指標。 選擇它作為典型的 I型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段 以20 /dB dec? 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。 典型 I型系統(tǒng)與典型 II型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和西門子方法中的 “ 二階最佳系統(tǒng) ” 與“ 三階最佳系統(tǒng) ” 是一樣的，只是名稱不同 。通常以輸出 量的初始值為零時給定信號階躍變化下的過渡過程為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過度過程要到 ??t 才穩(wěn)定，但實際上由于存在各種非線性因素，過度過程到一定時間就終止了。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差?？傊?，一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而跟隨系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計上的方便。 圖 42 電流環(huán)最終簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 2． 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。圖中 *iU為電流給定電壓 , dI?? 為電流負反饋電壓 ,調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓 cU 。圖中 U?n 為轉(zhuǎn)速給定電壓， ? n為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 U?i 。 MATLAB 是建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上的一種分析和仿真工具軟件包，包含各種能夠進行常規(guī)運算的 “工具箱 ”，如常用的矩陣代數(shù)運算、數(shù)組運算、方程求根、優(yōu)化計算及函數(shù)求導(dǎo)積分符號運算等；同時還提供了編程計算的編程特性，通過編程可以解決一些復(fù)雜的工程問題；也可繪制二維、三維圖形，輸出結(jié)果可視化。目前，采用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)仿真獲得了普遍的應(yīng)用。 MATLAB 是由 Math works 公司 1984 年推出的一套數(shù)值計算軟件，分為總包和若干個工具箱，可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值、自動控制、信號處理、圖像處理等各個領(lǐng)域的計算和圖形顯示功能。 Simulink 模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者混合系統(tǒng)。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 33 數(shù)見式 ssksW iiiA C R ?? )1()( ?? 式中 ik —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 3． 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) ① 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時間常數(shù)為 shT nn 1 8 ???? ?? ② 由式 (414)可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 KN = 12222 62 1 ?? ????? sThh n 于是，由式可得 ASR 的比例系數(shù)為 )1( ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ? ③ 代入數(shù)據(jù)得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 s sW A SR )( ?? 4． 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 11 608 ?????? sKK nNN ??? ① 校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足 iI ssTK ???? ??? 11 滿足簡化條件。這正好驗證了按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)其超調(diào)量會很小的事實。 3．電流環(huán)頻域分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 38 根據(jù)自動控制原理，頻域分析的特點是運用閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻域特性曲線來分析閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)及其性能，頻域分析的主要內(nèi)容是畫 Bode 圖與計算頻域性能指標。一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。 3．轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 41 圖 610 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)圖 得出電流環(huán)的 頻域性能指標： 幅 值裕度： Gm =； 相角裕度： Pm = ； 幅值穿越頻率： Wcp = 1?s ； 剪切頻率： Wcg = 1?s 。 本文設(shè)計的是轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，在設(shè)計中， 使我對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成、數(shù)學(xué)模型、靜特性和動態(tài)性能有