【正文】 3．轉(zhuǎn)速環(huán)頻域分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 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 。 3．電流環(huán)頻域分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 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。 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。 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)。目前，采用數(shù)字計算機的數(shù)學仿真獲得了普遍的應(yīng)用。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 。 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)?？傊话銇碚f，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。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。 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 。 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。 3） 其輸出限幅值決定電動機允 許的最大電流。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。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。 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。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)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 11 條水平的特性。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)。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。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。 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。這兩個指標合稱 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。 R—— 電樞回路總電阻（ ?）。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。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。 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）。 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。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。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，相當于偏差電壓 *nn UU ?? ，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的（ 1+K）倍。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。 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。 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 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。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。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 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。由于分母中2s 的相頻特性是 180176。 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。 實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標的 要求各有不同。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成 )(* sUi /? ，則 電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。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)器的超前時間系數(shù)。 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。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。 二．轉(zhuǎn)速環(huán)的計算 1. 確定時間常數(shù) ① 電流環(huán)等效時間常數(shù)IK1 由 ??iITK 知 ssTK iI ???? ? ② 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) onT sTon ? ③ 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(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)時為無靜差，動態(tài)性能具有良好的抗擾性能。對于電流環(huán)，通過上面 的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有如下幾點： 1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。負載擾動可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗擾性能大有改善。 4． 起動過程電動機的轉(zhuǎn)速輸出仿真分析 圖 612 是模擬電動機的起動過程轉(zhuǎn)速 的仿真曲線?？梢婋娏鳝h(huán)有足夠的穩(wěn)定裕量，其 頻域性能是很好的。取內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 36 ???400R ，各電阻和電容值計算如下 ?????? nn ，取 ???900nR FFRC nnn ?? 3 ???? ，取 FCn ?? FFRTC onon ? 30 ????? ，取 FCon ?? 6． 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當 h=5 時，查附表 3 得 %?n? ,不能滿足 %10?n? 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 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 電磁時間常數(shù)： ?LT s 機電時間常數(shù)： ?mT s 電樞回路總電阻： ?? 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： ?onT s 電流濾波時間常數(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)的計算 1． 確定時間常數(shù) ① 整流裝置滯后時間常數(shù) Ts， 三相橋式電路的平均失控時間： Ts=? ② 電流濾波時間常數(shù) oiT ： sToi ? ③ 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 iT? ,按小時間常數(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)。其工作過程一般是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計算法，并轉(zhuǎn)化為計算機程序，使系統(tǒng)的數(shù)學模型能為計算機所接受并能在計算機上運行；運行仿真模型，進行仿真試驗，再根據(jù)仿真試驗的結(jié)果。 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)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。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)器的超前時間常數(shù)。此圖有濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 2． 抗擾性能指標 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行中，突加一個使輸出量降低的擾動量 F 后，輸出量由降低到恢復的 過渡 過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖 38所示 。這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。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)。于是便產(chǎn)生建立更簡便實用的工程設(shè)計方法的必要性。在設(shè)計 ASR 時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。