【文章內(nèi)容簡介】 即分別是引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)結(jié)，如圖24所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PID調(diào)節(jié)器。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Uc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。圖中還表示了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)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(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中，ASR：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR—電流調(diào)節(jié)器；TG—測速發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的作用分析轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用： （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它是轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PID調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。（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Ui（外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。（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。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的[8]。第3章 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)方面：第一選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；第二選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)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(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。通常PID控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成，其系統(tǒng)原理圖如圖31所示。圖31 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖由原理圖可以看出，系統(tǒng)是根據(jù)給定值與實(shí)際的輸出值構(gòu)成控制的偏差：PID的控制規(guī)律為： (31)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式為： (32)式中， ： 比例系數(shù)； ： 積分時(shí)間常數(shù)；： 微分時(shí)間常數(shù)。對于PID控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，其核心問題之一就是參數(shù)的整定。PID各個(gè)參數(shù)對控制性能如下：(1)比例增益：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當(dāng)比例增益大的時(shí)候，PID控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分作用：主要用來消除靜差，以提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越強(qiáng)，反之越弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。(3)微分環(huán)節(jié)：主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。能反映偏差變化趨勢，并能在偏差信號(hào)值變得很大之前，在系統(tǒng)中引進(jìn)一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個(gè)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(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)不希望看到的。所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響[9]。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)可視為一個(gè)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(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均設(shè)為PID調(diào)節(jié)器，以獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖32所示。考慮到實(shí)際的檢測問題，框圖中增加了電流、轉(zhuǎn)速濾波和給定濾波環(huán)節(jié)，用一階慣性傳遞函數(shù)表示。圖中Ton為轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)，Toi為電流反饋濾波時(shí)間常數(shù),Ks為電力電子變換器的放大系數(shù), Ts為電力電子變換器的滯后時(shí)間常數(shù)，R為電樞回路總電阻, Tl為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，Tm為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，Ce為電動(dòng)勢系數(shù)，為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，為電流反饋系數(shù)。CeACRRASRU*（s）電流環(huán)Idl（s）E（s）圖32 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)化簡實(shí)際系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)Tl一般都遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動(dòng)勢E的變化快得多，反電動(dòng)勢對電流環(huán)來說只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為E基本不變，即。這樣在設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)，可暫不考慮反電動(dòng)勢的反饋?zhàn)饔?，再把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)等效移到環(huán)內(nèi)，得到忽略反電動(dòng)勢影響的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)圖33。ACRIdl（s）圖33 電流環(huán)化簡的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)圖33表明，電流環(huán)的控制對象有三個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，且，要校正成典型I型系統(tǒng)，采用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WACR（S）=Ki (33)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對消掉對象的較大的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇 (34) (35)Id（s）圖34 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)為圖34的典型型式，其中 (36)對于典型I型系統(tǒng)，希望超調(diào)量%5%，可取KITs=，即 (37)Ki== (38) WACR（S）= (39)校驗(yàn)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(shù)的近似條件 (311)滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 3 (312)滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (313)滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求[10]。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，又因?yàn)殡娏鳝h(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其等效電流環(huán)為 (314)原來電流環(huán)的控制對象是三個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)是Tl、Toi和Ts，閉環(huán)后，整個(gè)電流環(huán)近似為只有一個(gè)小時(shí)間常數(shù)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(nèi)，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖35。ASRId（s）圖35 轉(zhuǎn)速環(huán)的等效結(jié)構(gòu)圖Idl（s）n（s）大多數(shù)調(diào)整系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖25可見，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)采用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 WASR（S）=Kn (315)讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對消掉對象的較大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇 (316)這樣，調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wn（S）= (317)其中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN= (318)按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法 (319)KN= (320)選擇中頻寬h=5，由（18）～（20）式得ASR的時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)Kn：== (321) Kn=== (322)由此可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為WASR（S）= (323)由于沒有考慮反電動(dòng)勢及負(fù)載對轉(zhuǎn)速環(huán)的影響，也沒有考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在施加給定后很快就會(huì)飽和這個(gè)非線性，需對（323）式的=，才能使雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能較好。現(xiàn)取=，則WASR（S）= (324)校驗(yàn)近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 = (325)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 (326)滿足簡化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 (327)滿足簡化條件[11]。 系統(tǒng)框圖建立和仿真根據(jù)前述計(jì)算的參數(shù)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖。用Matlab的Simulink對系統(tǒng)進(jìn)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(shè)定仿真參數(shù)，仿真時(shí)間1s。 圖36 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型圖37 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型仿真結(jié)果我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此，在分析其動(dòng)態(tài)性能時(shí)，首先要探討起動(dòng)過程：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流在起動(dòng)過程中經(jīng)歷電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)這三個(gè)階段，概括起來有三點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行經(jīng)歷了兩個(gè)狀態(tài)，即飽和限幅輸出和線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。（2）電流調(diào)節(jié)器ACR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行只工作在一種狀態(tài)，即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，（3）如圖37所示，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性已經(jīng)比較接近理想特性，說明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于起動(dòng)特性來說已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的要求，有著飽和非線性控制、時(shí)間最優(yōu)控制和轉(zhuǎn)速超調(diào)的特點(diǎn)。從圖37輸出轉(zhuǎn)速n和電流I的波形可看出，起動(dòng)電流最初上升迅速但超調(diào)量較小，當(dāng)電機(jī)被起動(dòng)后它很快又返回并保持為額定電流，滿足電機(jī)要求。轉(zhuǎn)速在起動(dòng)電流的作用下平滑上升至電機(jī)額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，其超調(diào)量亦非常小。在對系統(tǒng)的抗擾性能進(jìn)行仿真后，便知這個(gè)直流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)抗擾性能比較好。由圖37可得到的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下：跟隨性能指標(biāo)：；；1613r/min；超調(diào)量=%；。抗擾性能指標(biāo)：動(dòng)態(tài)降落80，%。綜上所述，這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)特性好、超調(diào)量小、抗擾性好，設(shè)計(jì)比較合理。 小結(jié)通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行的設(shè)計(jì)，選擇了調(diào)節(jié)器的類型，給出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和分析。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是基于“最短時(shí)間控制”原則設(shè)計(jì)的，在充分發(fā)揮電機(jī)過載能力的同時(shí)，可以獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用價(jià)值[12]。第4章 模糊PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在工業(yè)控制過程中經(jīng)常會(huì)碰到大滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的存在滯后和隨機(jī)干擾；有的無法獲得精確的數(shù)學(xué)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(diǎn)是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)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(jié)合起來，揚(yáng)長避短，即具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。這種Fuzzy—PID復(fù)合型控制器，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)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(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授查德（）首先提出的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)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(diǎn)劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下：微機(jī)經(jīng)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(hào)E，一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量