【文章內(nèi)容簡介】 種狀態(tài)：(1)當ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)。(2)當ASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。2．轉速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓為負值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉速響應必然有超調(diào)。3．準時間最優(yōu)控制。 起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 1. 轉速調(diào)節(jié)器的作用(1)轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。(2) 對負載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉速外環(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（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 當電機過載甚至堵轉時，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(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。可逆調(diào)速系統(tǒng)可逆調(diào)速系統(tǒng)的形式生產(chǎn)實踐中許多生產(chǎn)機械要求電機能夠可逆運轉，如可逆軋機的來回軋制，龍門刨工作臺的往返工作，礦井卷揚機和電梯的提升和下降，電氣機車的前進和后退等等。有些生產(chǎn)機械雖不要求可逆運行，但卻要求能進行快速電氣制動。因此，這些生產(chǎn)機械都要求電機的電磁轉矩能夠自由改變方向，我們稱此系統(tǒng)為可逆調(diào)速系統(tǒng)。直流電機的電磁轉矩方向可由磁場和電樞電流的方向來決定。磁場方向不變，通過改變電樞電壓極性實現(xiàn)可逆運行的系統(tǒng)稱為電樞可逆系統(tǒng)，如圖2－13所示。兩組晶閘管之間，有兩種基本聯(lián)結方式；第一種是由一個交流電源同時向兩組晶閘管供電，稱為反并聯(lián)線路。如圖2－13 a)所示。第二種是兩組晶閘管分別由兩個獨立的交流電源供電，稱為交叉聯(lián)結線路。如圖2－13 b)所示。Ma)L2L1VRU~U~VFU~IaU~VR－＋L1L2VF－＋MUdozUdofih b)圖2－13 電樞可逆系統(tǒng)若電樞電壓極性不變，通過改變勵磁電流方向而實現(xiàn)可逆運行的系統(tǒng)稱為磁場可逆系統(tǒng)，如圖2－14所示。Ten能量M 圖2－14 磁場可逆系統(tǒng)當系統(tǒng)容量很大時，如果采用磁場可逆系統(tǒng)，在電樞回路中只需要一套大容量的晶閘管裝置；而勵磁回路需要增設兩套晶閘管裝置，但其容量，相對來說時很小的， 故可大量節(jié)省系統(tǒng)的投資費用，缺點是電機勵磁回路的時間常數(shù)很大，往往達到幾秒甚至十幾秒，所以系統(tǒng)的快速性差，另外，磁場可逆系統(tǒng)的控制回路也十分復雜，所以，只有當系統(tǒng)的容量很大，而且對快速性要求不高時，才考慮采用磁場可逆系統(tǒng)。邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)當工藝過程對系統(tǒng)過渡特性的平滑要求不是很高時，采用無環(huán)流系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，一律采用反并聯(lián)線路。如圖2－15所示是工業(yè)上應用最多的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。它消除環(huán)流的方法是：當一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，切斷了環(huán)流的通路。Ui*UnUn*Uc2LGUiYBUc1FHGTFVFVRGTRU－U－ASRACR－1MI～U－GWLZ圖2－15 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的主回路采用反并聯(lián)線路；因為無環(huán)流，所以沒有設置環(huán)流電抗器，另外，增加無環(huán)流邏輯裝置（簡稱WLZ）。此控制系統(tǒng)采用典型的雙環(huán)系統(tǒng)。與自然環(huán)流不同之處在于采用了WLZ對正反兩組觸發(fā)器GTF和GTR進行脈沖的釋放和控制。下面主要討論無環(huán)流邏輯裝置的工作原理。WLZ的任務，是正確的對正反兩組晶閘管裝置進行切換，當系統(tǒng)的工作狀態(tài)要求電機產(chǎn)生正向轉矩，即要求電機電樞電流為正時，WLZ將正組觸發(fā)器GTF的脈沖釋放出來，去觸發(fā)正組晶閘管裝置工作，同時，封鎖反組脈沖，使反組晶閘管的控制極上失去觸發(fā)脈沖，以保證不產(chǎn)生環(huán)流。相反，當系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化，要求電機產(chǎn)生反向轉矩，即要求電樞電流為負時，則WLZ應對系統(tǒng)進行切換，將正組脈沖封鎖，反組脈沖釋放。所以，為了保證WLZ正確工作，必須首先檢測出系統(tǒng)對電樞電流Ia極性的要求。顯然，轉速調(diào)節(jié)器ASR輸出的電流給定信號Ui*恰好反映了工作狀態(tài)對電樞電流Ia 的大小和極性的要求。所以WLZ應首先對電流給定信號Ui*的極性進行鑒別，以決定應該釋放哪一組脈沖，封鎖哪一組脈沖，即WLZ應具有給定電流鑒別器，將鑒別的結果作為邏輯裝置的第一個驅(qū)動信號。電流給定信號方向變化，是系統(tǒng)邏輯切換的必要條件，但不是充分條件。例如當系統(tǒng)進行制動時，電流給定信號Ui*極性改變，僅表示制動過程的開始，但當實際電樞電流反向之前瞬間，仍然必須保證本組工作，以便本組逆變階段的完成，只有在實際電流降到零時，再給WLZ發(fā)出切換的命令。另一方面，如果本組電流沒有斷續(xù)，強行封鎖處在逆變狀態(tài)下的本組觸發(fā)脈沖，是絕對不允許的。所以，WLZ還必須具備有零電流檢測器，對實際負載電流進行檢測，等到電流真正到零時，送出零電流信號，作為WLZ的第二個驅(qū)動信號。WLZ的第二個組成部分時邏輯運算電路。因為給定電流極性信號和零電流信號都是模擬量，在進行邏輯運算以前應轉變成數(shù)字量。邏輯運算電流包括邏輯判斷環(huán)節(jié)和方向記憶環(huán)節(jié)。前者是根據(jù)給定電流極性信號的零電流信號的數(shù)字量進行邏輯判斷，然后發(fā)出切換指令，后者用于記憶切換后的狀態(tài)，直到下一次切換條件成熟，才允許進行下一次切換。 WLZ的第三個組成部分是延時電路，由封鎖延時和釋放延時環(huán)節(jié)組成。封鎖延時是指從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原工作組脈沖，二者之間應該留出來的等待時間。這是因為電流是脈動的，時高時低，而零電流檢測器有很小動作電流Io的要求。如果脈動電流瞬時低于Io而實際仍在連續(xù)變化時，就發(fā)出了零電流信號而降本組脈沖封鎖，則會使處于本組逆變階段的過程顛復。設置封鎖延時后可避免此點，因經(jīng)過一段時間，電流仍不再超過Io，說明電流確實斷開了。釋放延時是指從封鎖原工作組脈沖到開放另一組脈沖之間的等待時間。設置該環(huán)節(jié)是因為晶閘管一旦被觸發(fā)，只有待電流過零時才能真正關斷，并經(jīng)過一般時間以后方可恢復阻斷能力。若在此之前，讓另一組導通，則會使兩組晶閘管同時導通，造成電源短路。WLZ的最后組成部分使邏輯聯(lián)鎖環(huán)節(jié)，主要用于防止邏輯裝置誤動作而同時開放正反兩組脈沖，即UI、UII不可能同時為“1”態(tài)。WLZ的功能如圖2－16所示。零電流檢測UIIUi圖2－16 WLZ的功能及其輸入輸出信號UIUi*給定電流極性鑒別邏輯判斷封鎖延時方向記憶釋放延時邏輯聯(lián)鎖改變電樞電壓實現(xiàn)調(diào)速控制是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案。調(diào)速范圍D與靜差率S是直流調(diào)速系統(tǒng)的兩項重要調(diào)速指標。系統(tǒng)的靜差率是指最低轉速時的靜差率。系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指滿足一定靜差率條件下的調(diào)速比。兩項調(diào)速指標互相關聯(lián)，只有同時提出才有意義。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)較大范圍的轉速平滑調(diào)節(jié)，但靜態(tài)速降大，機械特性不硬，當對調(diào)速精度有較高要求時不能滿足具有一定靜差率的調(diào)速范圍的要求，需引入轉速負反饋控制，這樣將負載擾動引起的靜態(tài)速降減小為原來開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+k),因而在一定靜差率下的調(diào)速范圍擴大（1＋K）倍，或者說在一定調(diào)速范圍內(nèi)減小靜差率。作用在閉環(huán)系統(tǒng)反饋環(huán)內(nèi)主通道上的各個環(huán)節(jié)上的擾動都會受到閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)作用的抑制，這些擾動作用最終造成的轉速變換量都將減小。有靜差調(diào)速系統(tǒng)其控制量與偏差成正比，只能減小偏差而不能 消除它，其根本原因是采用了比例調(diào)節(jié)器，若換為PI調(diào)節(jié)器，則系統(tǒng)的控制量與調(diào)節(jié)過程中偏差對時間的積累成正比，穩(wěn)態(tài)時偏差為零，依靠積分調(diào)節(jié)器的記憶作用保持一定的控制量，這樣便成為無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器串級聯(lián)接，轉速反饋為外環(huán)，電流反饋為內(nèi)環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調(diào)整限幅值大小或調(diào)整電流反饋系數(shù)β值就可改變最大電流Iam。在起，制動過程中，速度調(diào)節(jié)器很快進入飽和，輸出限幅值為電流環(huán)提供了最大電流給定，電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，在它的調(diào)節(jié)作用下，使電流保持最大值，這時系統(tǒng)實際為一個恒電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)的起，制動過渡過程中電流的波形接近于理想的最佳過渡過程波形，當轉速超調(diào)后，速度調(diào)節(jié)器退出飽和，對轉速起主要調(diào)節(jié)作用，電流環(huán)成為電流隨動系統(tǒng)。電流反饋環(huán)使得系統(tǒng)的抗干擾能力增強，作用在電流環(huán)前向通道上的一切擾動作用，如電網(wǎng)電壓擾動等，受到電流環(huán)的及時調(diào)節(jié)所抑制，使轉速不受或少受擾動的影響。電流內(nèi)環(huán)還起到改造速度外環(huán)中調(diào)節(jié)對象結構及參數(shù)的作用，加快了轉速環(huán)的調(diào)節(jié)響應過程，在靜特性上，轉速環(huán)的調(diào)節(jié)作用保證了系統(tǒng)的無靜差，電流環(huán)的作用使系統(tǒng)具有較理想的挖土機下垂特性。有許多生產(chǎn)機械要求電機既能正轉，又能反轉，還需要快速的起動和制動。也就是說需要可逆調(diào)速系統(tǒng)。當工藝過程對系統(tǒng)的過渡特性的平滑要求不高時，采用邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。該系統(tǒng)要采用無環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)。其特點就是任何時刻都只有一組晶閘管在工作。調(diào)速系統(tǒng)的工程設計實際自動調(diào)速系統(tǒng)是一個高階的系統(tǒng)，精確設計是相當復雜而困難的，在工程應用上很不方便，因此工程上需要建立簡便實用且具有一定準確度的工程設計方法。 典型系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)所含積分環(huán)節(jié)的個數(shù)，將系統(tǒng)分為I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)。理論證明：0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是有靜差的，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。實際上很少應用。因此，多用I型和II型系統(tǒng)。典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為—系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； —系統(tǒng)的開環(huán)增益。閉環(huán)系統(tǒng)結構圖示于圖31a)所示，圖31b表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 a） 圖3－1典型I型系統(tǒng)b）圖3－1典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)結構簡單，對數(shù)幅頻特性的中頻段以dB/dec的斜率穿越零分貝線，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。選擇參數(shù)時應保證 或 。相角穩(wěn)定裕度 。典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，系統(tǒng)的動態(tài)性能取決于開環(huán)增益K和時間常數(shù)T。但時間常數(shù)T在實際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，因此I型系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)只有開環(huán)放大系數(shù)K。確定K后，系統(tǒng)的性能就確定了。 由圖3－1中對數(shù)幅頻特性曲線，可知在Wc處，對數(shù)幅頻特性的分貝值為0，這時，所以可得 所以 K＝Wc 這一關系說明，開環(huán)放大系數(shù)K越大，則截止頻率Wc越大，系統(tǒng)響應越快。當Wc增大時，導致系統(tǒng)的相位裕量減小，相對穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)的超調(diào)量變大。這說明系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性是互相矛盾的。具體選擇K時，應綜合考慮，以滿足各項動態(tài)性能指標的要求。（1）開環(huán)放大系數(shù)K和跟隨性能指標的關系典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為，—無阻尼時的自然振蕩角頻率；—阻尼比，或稱衰減系數(shù)。從典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，我們可以知道其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：參數(shù)、與標準形式中的參數(shù)、之間的換算關系如下 ，且。在零初始條件及階躍輸入作用下，跟隨性能指標和Wn， 的關系為上升時間： 超調(diào)量： ，調(diào)節(jié)時間和的關系復雜，很難用公司精確表示，通常采用下式近似確定。當允許誤差帶為時： 當允許誤差帶為時： 相角裕量： 典型I型系統(tǒng)在不同K值下的跟隨性能指標如表3－1 所列。表31 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系阻尼比超調(diào)量%0%%%%%上升時間峰值時間相角穩(wěn)定裕度176。176。176。176。截止頻率在表3－1 中，當K＝，時的情況稱作“二階最佳系統(tǒng)”。這是一種比較好的參數(shù)選擇，可以作為當初選參數(shù)的依據(jù)。但不能理解為唯一的最佳參數(shù)選擇。更重要的是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，來確定什么樣的參數(shù)更好。（2）參數(shù)和抗擾性能指標的關系 抗擾性能指標表示系統(tǒng)在擾動作用的適應能力，是評價自動控制系統(tǒng)的一項重要指標。動態(tài)抗擾性能?？刂葡到y(tǒng)的結構，擾動作用點以及擾動作用函數(shù)的形勢有關。擾動作用下的動態(tài)結構圖如圖3－2a所示 3－2 擾動作用下典型I型系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 在擾動作用下輸出變化量的象函數(shù)為，在階躍擾動下，當，則，階躍擾動后輸出變化量的動態(tài)過程函數(shù)，式中——控制對象中小時間常數(shù)與大時間常數(shù)的比值。取不同的m值，可計算出相對應的動態(tài)過程曲線，從而求得最大動態(tài)降落和恢復時間，的基值，的基值為T。計算結果列于表3－2所示。表32 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系%%%%由表32中的數(shù)據(jù)可以看出，當控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復時間卻拖得較長。典型Ⅱ型系統(tǒng) 典型II型系統(tǒng)的結構及開環(huán)對數(shù)頻率特性典型II型系統(tǒng)的閉環(huán)結構圖如圖3－3所示。是一個三階系統(tǒng)。它是由兩個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)