【文章內容簡介】 結構圖 圖 213 直流電動機的動態(tài)結構圖的變換和簡化 測速反饋環(huán)節(jié) ??? )( )()( nfn sn sUsW （ 231） 閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如圖 214所示。帶比例放大器的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以近似看作是一個三階線性系統(tǒng)。 反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 )1)(1()( m2ms ???? sTsTTsTKsWl （ 232） 式中 eCKKK SP ?? 。 設 dLI =0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調速系統(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)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的特征方程為 0111 )(1 sm2sm3sm ?????? ??? sKTTsK TTTsKTTT ll （ 234） （ 233） 圖 214 反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 一般表達式為 0322130 ???? asasasa 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 00000 30213210 ?????? aaaaaaaa ，， 各項系數(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，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 第三章 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 和調節(jié)器的工程設計方法 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)及其靜特性 第 2 章中表明，采用轉速負反饋和 PI 調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可 以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。 ： 是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。 圖 31 直流調速系統(tǒng)起動過程 的電流和轉速波形 a）帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng) b) 理想的快速起動過程 : 1) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程如圖 31a 所示，起動電流達到最大值 dmI 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。 2) 理想起動過程波形如圖，這時，起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。 a) b) ： 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmI 的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。 ： 1）起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋； 2）穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 1. 系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用， 可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖 32所示。 圖 32 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構 ASR— 轉速調節(jié)器 ACR— 電流調節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 圖中，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 2. 系統(tǒng)電路結構 為了 獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用 PI 調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 Uc 為正電壓 的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。 圖 33 雙閉環(huán)直流 調速 系統(tǒng)電路原理圖 圖中表出，兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。 1) 轉速調節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值； 2) 電流調節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。 穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 圖 34 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 存在兩種狀況： 1) 飽和 —— 輸出達到限幅值 當調節(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節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器 暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。 2) 不飽和 —— 輸出未達到限幅值 當調節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性如圖 35 所示。 1）轉速調節(jié)器不飽和 di*i0n*n IUU nnUU ? ???? ??? ??, —— 轉速和電流反饋系數(shù)。 由第一個關系式可得 0*n nUn ?? ? （ 31） 從而得到上圖靜特性的 CA 段。與此同時，由于 ASR 不飽和， *im*i UU? ，從上述第二個關系式可知 : dmd II ? 。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。這 就是靜特性的運行段，它是水平的特性。 2）轉速調節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 dm*imd IUI ?? ? （ 32） 式中，最大電流 dmI 是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式（ 32）所描述的靜特性是上圖中的 AB 段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于 n 0n 的情況，因為如果 n 0n ，則 nU *nU ， ASR 將退出飽和狀態(tài)。 圖 35 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性 1） 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。 2）當負載電流達到 dmI 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。 這就是采用了兩個 PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用 “準 PI 調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系 0n*n nnUU ?? ??? （ 33） dLdi*i IIUU ?? ??? （ 34） sdL*nesdesd0c /K RIUCK RInCKUU ????? ? （ 35） 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 1）轉速 n 是由給定電壓 *nU 決定的； 2） ASR 的輸出量 *iU 是由負載電流 dLI 決定的； 3）控制電壓 cU 的大小則同時取決于 n 和 dI ，或者說，同時取決于 *nU 和 dLI 。 這些關系反映了 PI 調節(jié)器不同于 P 調節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI 調節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要 PI 調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。 鑒于這一特點，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(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)計算相似，即根據(jù)各調節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)： 轉速反 饋系數(shù) max*nmnU?? （ 36） 電流反饋系數(shù) dm*imIU?? （ 37） 兩個給定電壓的最大值 *nmU 和 *imU 由設計者選定，設計原則如下： 1） *nmU 受運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。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 1. 系統(tǒng)動態(tài)結構 圖 36 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 在單閉環(huán)直流調 速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如下圖 36所示。 圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用 PI 調節(jié)器，則有 ssKsWnnnA S R 1)( ?? ?? ssKsWiiiAC R 1)( ?? ?? 調節(jié)器的工程設計方法 ： 用經典的動態(tài)校正方法設計調節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設計者有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗，而初學者則不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法。 ： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設計方 法的可能性。 ： 1）概念清楚、易懂； 2）計算公式簡明、好記； 3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調整的方向； 4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式； 5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 4 工程設計方法的基本思路： 作為工程設計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調節(jié)器的設計過程分為兩步： 第一步，選擇調節(jié)器結構 ,使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。 第二步，設計調節(jié)器的參數(shù)，以 滿足動態(tài)性能指標的要求。 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調節(jié)器 1. 系統(tǒng)設計對象 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構圖繪于圖 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、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 其中 0iT —— 電流反饋濾波時間常數(shù) 0nT —— 轉速反饋濾波時間常數(shù) 圖 37 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動 態(tài)結構圖 2. 系統(tǒng)設計原則 系統(tǒng)設計的一般原則：“先內環(huán)后外環(huán)” 從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。 電流調節(jié)器的設計 設計分為以下幾個步驟： ； ； ； 。 1. 電流環(huán)結構圖的簡化 1）忽略反電動勢的動態(tài)影響 圖 38 電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡 在按動態(tài) 性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即 E?≈ 0。這