【文章內容簡介】 即分別是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）聯結，如圖24所示。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。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PID調節(jié)器。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。圖中還表示了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm [7] 。+++MTG++RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMTGUPEM圖24 轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統原理圖圖中，ASR：轉速調節(jié)器；ACR—電流調節(jié)器；TG—測速發(fā)電機 轉速和電流調節(jié)器的作用分析轉速和電流兩個調節(jié)器的作用： （1）轉速調節(jié)器是調速系統的主導調節(jié)器，它是轉速n很快地跟隨給定電壓Un變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PID調節(jié)器，則可實現無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。（1）作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui（外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的[8]。第3章 PID控制雙閉環(huán)直流調速系統的設計直流電機雙閉環(huán)調速系統的設計主要是設計兩個調節(jié)器。調節(jié)器的設計一般包括兩個方面：第一選擇調節(jié)器的結構，以確保系統穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；第二選擇調節(jié)器的參數，以滿足動態(tài)性能指標。按照設計多環(huán)控制系統先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統中，應該首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。 常規(guī)PID控制器的原理常規(guī)PID控制器是指將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。通常PID控制系統由PID控制器和被控對象組成，其系統原理圖如圖31所示。圖31 常規(guī)PID控制系統原理圖由原理圖可以看出，系統是根據給定值與實際的輸出值構成控制的偏差：PID的控制規(guī)律為： (31)或寫成傳遞函數形式為： (32)式中， ： 比例系數； ： 積分時間常數；： 微分時間常數。對于PID控制器的設計和應用中，其核心問題之一就是參數的整定。PID各個參數對控制性能如下：(1)比例增益：成比例的反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，使系統偏差快速向減小的趨勢變化。當比例增益大的時候，PID控制器可以加快調節(jié)，但是過大的比例增益會使調節(jié)過程出現較大的超調量，從而降低系統的穩(wěn)定性，在某些嚴重的情況下，甚至可能造成系統不穩(wěn)定。(2)積分作用：主要用來消除靜差，以提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越強，反之越弱。積分作用的引入會使系統穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。(3)微分環(huán)節(jié)：主要是為了改善控制系統的響應速度和穩(wěn)定性。能反映偏差變化趨勢，并能在偏差信號值變得很大之前，在系統中引進一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節(jié)時間。在微分作用合適的情況下，系統的超調量和調節(jié)時間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當于一個高通濾波器，因此它對噪聲干擾有放大作用，而這是我們在設計控制系統時不希望看到的。所以我們不能過強地增加微分調節(jié)，否則會對控制系統抗干擾產生不利的影響[9]。 雙閉環(huán)直流調速系統的數學模型額定勵磁下的直流電動機可視為一個二階線性環(huán)節(jié)，電力電子變換器可按照一階慣性環(huán)節(jié)處理，轉速、電流調節(jié)器均設為PID調節(jié)器，以獲得良好的動、靜態(tài)特性。得到雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)結構框圖，如圖32所示?？紤]到實際的檢測問題，框圖中增加了電流、轉速濾波和給定濾波環(huán)節(jié)，用一階慣性傳遞函數表示。圖中Ton為轉速反饋濾波時間常數，Toi為電流反饋濾波時間常數,Ks為電力電子變換器的放大系數, Ts為電力電子變換器的滯后時間常數，R為電樞回路總電阻, Tl為電樞回路電磁時間常數，Tm為機電時間常數，Ce為電動勢系數，為轉速反饋系數，為電流反饋系數。CeACRRASRU*（s）電流環(huán)Idl（s）E（s）圖32 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖 電流調節(jié)器的設計 電流環(huán)結構化簡實際系統的電磁時間常數Tl一般都遠小于機電時間常數Tm，因而電流的調節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多，反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調節(jié)器的調節(jié)過程中可以近似地認為E基本不變，即。這樣在設計電流調節(jié)器時，可暫不考慮反電動勢的反饋作用，再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效移到環(huán)內，得到忽略反電動勢影響的電流環(huán)的近似結構圖33。ACRIdl（s）圖33 電流環(huán)化簡的動態(tài)結構圖 電流調節(jié)器的參數設計圖33表明，電流環(huán)的控制對象有三個小慣性環(huán)節(jié)，且，要校正成典型I型系統，采用PID調節(jié)器，其傳遞函數為WACR（S）=Ki (33)為了讓調節(jié)器零點對消掉對象的較大的時間常數極點，選擇 (34) (35)Id（s）圖34 校正成典型I型系統的電流環(huán)則電流環(huán)的動態(tài)結構為圖34的典型型式，其中 (36)對于典型I型系統，希望超調量%5%，可取KITs=，即 (37)Ki== (38) WACR（S）= (39)校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率： =KI=75s1 (310)晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 (311)滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 3 (312)滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數近似處理條件 (313)滿足近似條件。按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標，滿足設計要求[10]。 轉速調節(jié)器的設計把已設計好的電流環(huán)看作轉速調節(jié)系統中的一個環(huán)節(jié)，又因為電流環(huán)按典型I型系統設計，其等效電流環(huán)為 (314)原來電流環(huán)的控制對象是三個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數是Tl、Toi和Ts，閉環(huán)后，整個電流環(huán)近似為只有一個小時間常數為2Ts的一階慣性環(huán)節(jié)，這表明，電流閉環(huán)后，改造了控制對象，加快了電流跟隨作用。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖33中的電流閉環(huán)后，再把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內，則轉速環(huán)結構圖可簡化成圖35。ASRId（s）圖35 轉速環(huán)的等效結構圖Idl（s）n（s）大多數調整系統的轉速環(huán)都按典型II型系統進行設計。由圖25可見，要把轉速環(huán)校正成典型II型系統，轉速調節(jié)器ASR應采用PID調節(jié)器，其傳遞函數為 WASR（S）=Kn (315)讓調節(jié)器零點對消掉對象的較大時間常數極點，選擇 (316)這樣，調整系統的開環(huán)傳遞函數為Wn（S）= (317)其中，轉速環(huán)開環(huán)增益KN= (318)按照典型II型系統的參數選擇方法 (319)KN= (320)選擇中頻寬h=5，由（18）～（20）式得ASR的時間常數和比例系數Kn：== (321) Kn=== (322)由此可得轉速調節(jié)器的傳遞函數為WASR（S）= (323)由于沒有考慮反電動勢及負載對轉速環(huán)的影響，也沒有考慮轉速調節(jié)器在施加給定后很快就會飽和這個非線性，需對（323）式的=，才能使雙閉環(huán)調速系統的性能較好?，F取=，則WASR（S）= (324)校驗近似條件。轉速環(huán)截止頻率為 = (325)電流環(huán)傳遞函數簡化條件為 (326)滿足簡化條件。轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為 (327)滿足簡化條件[11]。 系統框圖建立和仿真根據前述計算的參數和雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)模型結構圖。用Matlab的Simulink對系統進行仿真。仿真過程為：首先在Simulink中建立仿真模型，如圖 36所示。然后設定仿真參數，仿真時間1s。 圖36 PID控制雙閉環(huán)直流調速系統模型圖37 PID控制雙閉環(huán)直流調速系統模型仿真結果我們知道設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此，在分析其動態(tài)性能時，首先要探討起動過程：雙閉環(huán)調速系統突加給定電壓Un*由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流在起動過程中經歷電流上升、恒流升速、轉速調節(jié)這三個階段，概括起來有三點：（1）轉速調節(jié)器ASR從起動到穩(wěn)速運行經歷了兩個狀態(tài)，即飽和限幅輸出和線性調節(jié)狀態(tài)。（2）電流調節(jié)器ACR從起動到穩(wěn)速運行只工作在一種狀態(tài)，即線性調節(jié)狀態(tài)，（3）如圖37所示，電動機的起動特性已經比較接近理想特性，說明該系統的設計對于起動特性來說已經達到預期的要求，有著飽和非線性控制、時間最優(yōu)控制和轉速超調的特點。從圖37輸出轉速n和電流I的波形可看出，起動電流最初上升迅速但超調量較小，當電機被起動后它很快又返回并保持為額定電流，滿足電機要求。轉速在起動電流的作用下平滑上升至電機額定轉速穩(wěn)定運行，其超調量亦非常小。在對系統的抗擾性能進行仿真后，便知這個直流雙閉環(huán)調速控制系統抗擾性能比較好。由圖37可得到的系統動態(tài)性能指標如下：跟隨性能指標：；；1613r/min；超調量=%；?？箶_性能指標：動態(tài)降落80，%。綜上所述，這個調速系統起動特性好、超調量小、抗擾性好，設計比較合理。 小結通過直流電機轉速、電流雙閉環(huán)調速系統數學模型，對電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器進行的設計，選擇了調節(jié)器的類型，給出了系統動態(tài)結構圖并進行了仿真和分析。雙閉環(huán)調速系統是基于“最短時間控制”原則設計的，在充分發(fā)揮電機過載能力的同時，可以獲得良好的靜、動態(tài)性能，在實際工程中有一定的應用價值[12]。第4章 模糊PID雙閉環(huán)直流調速系統的設計在工業(yè)控制過程中經常會碰到大滯后、時變、非線性的復雜系統。其中，有的參數未知或緩慢變化；有的存在滯后和隨機干擾；有的無法獲得精確的數學模型。模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數學模型，而根據人工控制組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長避短，即具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。這種Fuzzy—PID復合型控制器，對復雜控制系統和高精度伺服系統具有良好的控制效果，也是近年來十分熱門的研究課題。 模糊控制基本原理模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學著名教授查德（）首先提出的，經過20多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應用研究方面均取得重大成功[12]。模糊控制的基本原理框圖如圖41所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖中點劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)則由計算機的程序實現。實現一步模糊控制算法的過程描述如下：微機經中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號E的精確量進行模糊化變成模糊量