【文章內(nèi)容簡介】 流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。其硬件結(jié)構(gòu)如圖21所示圖21 系統(tǒng)的總體框圖沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制第三章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制單片機(jī)控制的操作功能包括從控制對象中獲取各種信息，執(zhí)行反映控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一定的形式傳送到行機(jī)構(gòu)或顯示報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員控制臺單片機(jī)系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中，最主要的任務(wù)是執(zhí)行控制算法。系統(tǒng)構(gòu)成后，控制規(guī)律是反映單片機(jī)控制系統(tǒng)性能的核心。隨著控制理論和單片機(jī)水平的不斷發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能日益增強(qiáng)，適用的控制規(guī)律也越來越多，如PID調(diào)節(jié)、史密斯(Smith)預(yù)估控制、最優(yōu)控制、基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計(jì)方法和基于輸入輸出模型的設(shè)計(jì)方法等。PID控制式工業(yè)控制過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。在本系統(tǒng)中，采用了PID控制算法。PID控制器具有簡單而固定的控制形式，可以在很管得范圍內(nèi)保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來跟隨被控對象的變化，可以減小動態(tài)誤差。它是一種基于負(fù)反饋的控制方法，不僅在模擬調(diào)節(jié)器得到了廣泛應(yīng)用，而且更適合于單片機(jī)控制系統(tǒng)。PID具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)的物理意義明確，動態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)。在控制理論不斷發(fā)展的今天，常規(guī)PID控制器仍然是過程控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制器， PID調(diào)節(jié)器的基本原控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。如圖31 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （31）將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：⑴比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。⑵積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用度強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。⑶微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì)在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的PID控制規(guī)律為： （32）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 （33）式中 比例系數(shù)；積分時間系數(shù)；微分時間常數(shù)。將上式離散化為數(shù)字PID，只要將式中各項(xiàng)分別離散化就可以了，即為： （34） （35） （36） （37）其中，T為采樣周期。在上面離散化的過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e（kT）簡化表示為e（k），將上式（34）、（35）、（36）、(37)代入式（32）中，可得離散的PID表達(dá)式為 （38）或 （39）上式中，k是采樣序號k=0、2...。是k次采樣時刻的輸出值；是第k次采樣時刻輸入的偏差值；是k1次采樣時刻輸入的偏差值：是積分系數(shù)。是微分系數(shù)，. 位置式PID算法在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于本文的PID控制算法的輸出量要控制晶閘管的輸出電壓，此類對象適合用位置式PID控制算法，所以下面主要介紹位置式PID控制算法。由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式 (32)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按照模擬PID算法的算式(32)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換； (34) 式中T采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)，即省去T。將式(34)代入(32)，可得離散的PID表達(dá)式為 （35）或 （36）式中k采樣序號，k = 0，1，2u(k)第k次采樣時刻的單片機(jī)輸出值；e(k)第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k 1)第k1次采樣時刻輸入的偏差值；積分系數(shù)，=T/；微分系數(shù)，=/T；由z變換的性質(zhì)式（36）的z變換式為 （37）由式（37）便可得到數(shù)字PID控制器的z傳遞函數(shù)為 （38）或者 （39）由于單片機(jī)輸出的u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：晶閘管u(k)的值和晶閘管的輸出電壓值是一一對應(yīng)的，所以通常稱式(35)或(36)為位置式PID控制算法。圖32給出了位置式PID控制系統(tǒng)示意圖。圖32 位置式PID控制系統(tǒng)原理圖 調(diào)速單元PI參數(shù)的整定本系統(tǒng)選用的控制對象為直流電動機(jī)，基本參數(shù)為：額定功率為=，額定電壓為=110V，額定電流=46A，額定轉(zhuǎn)速為=1500rpm，電樞內(nèi)阻為R=，電磁時間常數(shù)為Td=，電勢常數(shù)= 5，機(jī)電時間常數(shù)=，三相橋式晶閘管整流器的滯后時間為=，放大倍數(shù)為=20，速度反饋系數(shù)=，電流反饋系數(shù)， = 直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，直流電動機(jī)通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸出量。假設(shè)電機(jī)補(bǔ)償良好，不計(jì)電樞反應(yīng)、禍流效應(yīng)和磁滯等因素帶來的影響，并設(shè)勵磁電流恒定，得直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型為： （310） 式中電樞電壓；電樞回路電感；電樞電流；電樞回路總電阻；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢系數(shù)，單位為n電動機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機(jī)軸上的運(yùn)動方程式為 （311）式中J電動機(jī)軸上(包括負(fù)載折算過來的) n電動機(jī)轉(zhuǎn)速； M電動機(jī)軸的電磁力矩：電動機(jī)軸的負(fù)載力矩。當(dāng)磁通不變時，有 （312）式中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為整理得到直流電機(jī)的微分方程 （313）式中電樞回路的電磁時間常數(shù)， ； 機(jī)電時間常數(shù)，； 電力拖動系統(tǒng)整個運(yùn)動部分折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量：n電動機(jī)轉(zhuǎn)速。進(jìn)而，我們可得直流電動機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)為： （314）根據(jù)式（314）可以看出直流電動機(jī)可以近似認(rèn)為具有兩個慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析該系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)結(jié)構(gòu)