【文章內(nèi)容簡介】 ，也會有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：1．飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法分析，不能簡單地用線性控制理論來分析起動(dòng)過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。2．轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其它控制方法抑制超調(diào)。3．準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許的條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過程I、III兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過程與理想起動(dòng)過程相比還有一些差距，不過這兩階段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的部分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。最后，應(yīng)該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁報(bào)閘。必須回饋制動(dòng)時(shí)，可采用可逆的電力電子變換器。 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。1．抗負(fù)載擾動(dòng)由圖25可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2．抗電網(wǎng)電壓變化擾動(dòng)電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生了擾動(dòng)作用。首先來看單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。如圖27a），圖中的和都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，存在者能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快的反映到被調(diào)量上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓的擾動(dòng)性能要差一些。a) b)圖27 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用 a)單閉環(huán)系統(tǒng) b)雙閉環(huán)系統(tǒng) 電網(wǎng)電壓波動(dòng)在可控電源電壓上的反映在圖27b）所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI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。2．電流調(diào)節(jié)器的作用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（即外環(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)抗擾作用；3）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。第三章 電力拖動(dòng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)必須從動(dòng)態(tài)校正的需要來解決。針對單閉環(huán)系統(tǒng)采用的借助伯德圖設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置的方法，當(dāng)然也適用于雙閉環(huán)系統(tǒng)。問題是設(shè)計(jì)每一個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)，都必須先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后的系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)試湊，才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并計(jì)算參數(shù)。反復(fù)試湊過程也就是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾諸方面矛盾的正確解決過程，需要有熟練的設(shè)計(jì)技巧才行，于是便產(chǎn)生建立更簡便適用的工程設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子元件和集成電路組成。經(jīng)過合理的簡化處理，整個(gè)系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)，而用運(yùn)算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過程就要簡單的多。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。有了必要性和可能性，各種工程設(shè)計(jì)方法便相繼提出。其中有德國西門子公司提出的“調(diào)節(jié)器最佳整定”法，包括“模最佳”和“對稱最佳”兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法，傳入我國后，習(xí)慣上稱作“二階最佳”和“三階最佳”設(shè)計(jì)。這種方法已在國際上普遍應(yīng)用，其公式簡明好記，但也存在一些問題，例如，只有所謂的“最佳”參數(shù)計(jì)算公式，調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，如果系統(tǒng)性能不夠滿意，不能明確調(diào)整參數(shù)的方向；特別是沒有考慮到調(diào)節(jié)器飽和這一關(guān)鍵問題，使計(jì)算結(jié)果存在不小的誤差。在經(jīng)過學(xué)者對該方法的深入分析研究，并吸取隨動(dòng)設(shè)計(jì)用的“振蕩指標(biāo)法”和其他學(xué)者提出的“模型系統(tǒng)法”的長處，歸納出調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：1．概念清楚、易懂。2．計(jì)算公式簡明、好記。3．不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)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(jì)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)。 如果要求更精確的動(dòng)態(tài)性能，可參考“模型系統(tǒng)法”。對于復(fù)雜的不可能簡化成典型系統(tǒng)的情況，可采用高階系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)。 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路作為工程設(shè)計(jì)方法，首先使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣做就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其它動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按照現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了。這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 典型系統(tǒng)一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以用下式表示 （31）其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和負(fù)數(shù)極點(diǎn)。分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)有重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù)，1，2，…的不同數(shù)值，分別稱作0型、I 型、II型、…系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論已證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而III型和III型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型和II型系統(tǒng)。I型和II型系統(tǒng)還有多種多樣的結(jié)構(gòu)，下面各選一種作為典型。1．典型I型系統(tǒng) 作為典型I型系統(tǒng)，其開環(huán)的傳遞函數(shù)為 （32）式中 ——系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；——系統(tǒng)的開環(huán)增益。它的閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖31a）所示。而圖31b）表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。選擇它作為典型的I型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段的斜率穿越線，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。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時(shí)保證 或 于是，相角穩(wěn)定裕度。2．典型II型系統(tǒng)在各種II型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型II型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （33） a) b)圖31 典型I型系統(tǒng) a) 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b) 開環(huán)對數(shù)頻率特性a) b)圖32 典型II型系統(tǒng) a) 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b) 開環(huán)對數(shù)頻率特性它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖32所示，其中頻段也是的斜率穿越線。由于分母中相對應(yīng)的相頻特性是，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)，就無法把相頻特性提高到線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)圖32b）的特性，顯然應(yīng)保證 或 而相角穩(wěn)定裕度為 比T大的多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。典型I型系統(tǒng)與典型II型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和西門子方法中的“二階最佳系統(tǒng)”與“三階最佳系統(tǒng)”是一樣的，只是名稱不同。然而，階數(shù)上是三階或二階只是表面現(xiàn)象，因?yàn)榻?jīng)過降階處理后，高階系統(tǒng)可以近似地降為低階，而I型和II型以及由此表明的在穩(wěn)態(tài)精度上的差異才是這兩類系統(tǒng)本質(zhì)上的區(qū)別，所以采用現(xiàn)在的命名更妥當(dāng)。 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動(dòng)輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。1．跟隨性能指標(biāo) 在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零時(shí)給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟蹤過程，這時(shí)的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。1）上升時(shí)間，圖33繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的是輸出量的穩(wěn)定值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到所經(jīng)過的時(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性；2）超調(diào)量，與峰值時(shí)間在階躍響應(yīng)過程中，超過以后輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時(shí)間時(shí)達(dá)到最大值，然后回落。超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)叫做超調(diào)量即 （34）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好； 圖33　典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)3）調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到才穩(wěn)定，但實(shí)際上由于存在各種非線性因素，過渡過程到一定時(shí)間就終止了。為了線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時(shí)間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下（或?。┑姆秶鸀樵试S誤差帶，將輸出量達(dá)到并不超出該誤差帶所需要的時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。顯然，調(diào)節(jié)時(shí)間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含者它的穩(wěn)定性。2．抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖34。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。1）動(dòng)態(tài)降落，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)抗擾量，所引起的輸出量最大降落值稱作動(dòng)態(tài)降落。一般用占輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，（）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)速降；2）恢復(fù)時(shí)間，從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的的 （或取）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，見圖34。其中稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況而定。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值作為基準(zhǔn)值。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較小，例如小于5%（這是常有的情況），則按進(jìn)入范圍來定義的恢復(fù)時(shí)間只能為零，就沒有意義了，所以必須選擇一個(gè)比穩(wěn)態(tài)值更小的作為基準(zhǔn)。實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同。例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正圖34 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)反向軋制許多道次，因而對轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能都有較高的要求，而一般生產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)則主要要求一定的轉(zhuǎn)速抗擾性能，其跟隨性能如何沒有多大關(guān)系。工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床用的位置隨動(dòng)系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，而大型天線的隨動(dòng)系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對抗擾性能也有一定的要求?？傊话銇碚f，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而跟隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。 典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)見式（32），它包括開環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)兩個(gè)參數(shù)。其中，時(shí)間常數(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益，也就是說，是唯一定的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)的大小。圖35繪出了在不同值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性，箭頭表示值增大時(shí)特性變化的方向。當(dāng)時(shí)，特性以斜率穿越線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性，由圖中特性可知 所以