【文章內容簡介】 “ 0”開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ∞C 時所經過的時間來定義的，它反應了動態(tài)響應的快慢。 (2) 超調量 σ 和峰值時間 pt 輸出量到達峰值 maxC 時的時間為峰值時間 pt 。峰值超過穩(wěn)態(tài)值的百分哈爾濱理工大學學士學位論文 7 數(shù)比值叫超調量，即 %100m a x ?????C CC? (28) 系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性便是由超調量來反應的，即要想系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性越好 ，則超調量就得越小。 (3) 調節(jié)時間 st 輸出量達到穩(wěn)態(tài)值的 ? 5%(或 ? 2%)的范圍所需 要用的 時間稱為調節(jié)時間。它 主要反映的 是輸出量 在 調節(jié) 期間 的快慢 程度 。 包含 系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。 2. 抗擾性能指標 在穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中，加一個負擾動量 F 使輸出量降低 ，得到輸出量由降低到恢復的過程就是系統(tǒng)抗擾過程。動態(tài)降落和恢復時間是動態(tài)抗擾指標的了兩大要素。 (1) 動態(tài)降落 maxCΔ 穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中，給系統(tǒng)加一個擾動所產生的最大降落值 maxCΔ 為動態(tài)降落。一般來說，我們用 100max Δ∞CC %來表示 ，或者選用某個基準值bC ，然后用 %100max ??bCC 來表示。 (2) 恢復時間 vt 標準階躍函數(shù)使用時從第一次出現(xiàn)擾動作用開 始，最后到輸出量達到穩(wěn)定值，與新穩(wěn)態(tài)值 ∞C 的差值在某個基準值 bC 的 5177。 %或 (177。2%)范圍之內所經過的時間我們稱之為恢復時間 vt 。 一般來說，對于各種動態(tài)指標的要求在實際控制系統(tǒng)中的應用各有不同，調速系統(tǒng)中的跟隨性能指標主要應用于隨動系統(tǒng)，抗擾性能指標應用于動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng) [8]。 直流調速系統(tǒng)工作原理 眾所周知，對于一個直流電動機調速系統(tǒng)具有多種調速系統(tǒng)方式，主要常用的有開環(huán)直流電機調速系統(tǒng)、單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)和多閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)。而在這幾種直流電機調速系統(tǒng)中尤其以雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)為主。直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在電機的電流和轉矩受限的情況下仍能充分發(fā)揮電機的過載能力 ,而且能夠使電流和轉矩保持允許的最大值，并且能夠加速運行，當達到穩(wěn)定轉哈爾濱理工大學學士學位論文 8 速時 ,讓電流減小而轉矩很快與負載相平衡 ,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此我們可以知道雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的主要 工作原理是：當處于起動過程時只有電流負反饋作用。而后穩(wěn)定運行時 ,讓系統(tǒng)只有轉速負反饋作用。雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖如下圖 24 所示。 圖 24 雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)圖 從圖 24 中可以看到， *nU 表示轉速外環(huán)的轉速給定電壓， nU 為轉速外環(huán)的轉速反饋電壓，兩者的差值 nU? 代表了轉速外環(huán)的偏差值作用于轉速調節(jié)器 ASR 的輸入端，經過轉速調節(jié)器 ASR 的比例放大和積分去靜差使得其輸出端變?yōu)殡娏髡{節(jié)器 ACR 的輸入給定電壓 *iU ， *iU 表示電流內環(huán)的電流給定電壓，由電流互感器 TA 經二極管轉化的電壓 iU 反向作用于電流調節(jié)器 ACR 的輸入端， iU 代表電流內環(huán)的電流反饋電壓，它與電流內環(huán)的電流給定電壓做差所得的值 iU? 作用于電流調節(jié)器 ACR 的輸入端，同樣經過比例積分調節(jié)使得輸出端作為電力電子變換器 UPE 的輸入端，電力電子變換器 UPE 經過變換可從直流電機中輸出轉速 n，最后轉速 n 與測速發(fā)電機 TG 連接轉換為電壓的方式給到轉速外環(huán)，如此形成循環(huán)，構成閉合回路 [9]。下圖 25 為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖 。 圖 25 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和動態(tài)數(shù)學模型 調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 從上文中我們不但可以知道雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)是由兩個帶限幅作用的 PI 調節(jié)器串聯(lián)構成，再者也了解了電流調節(jié)器 ACR 的最大給定電壓 *iU 受 轉速調節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 的限制，電力電子變換器UPE 的最大輸出電壓 dmU 由電流調節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 決定，如圖 26 所示為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構造圖 [10]。 圖 26 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 直流電動機的傳遞函數(shù) 當勵磁是額定的狀態(tài)下并且電樞電流也是連續(xù)的時候，電樞閉合電路的動態(tài)平衡方程式為下式 （ 29） ： )(0 dtdITIREU dldd += (29) 對上面的式子進行拉氏變換得下式 （ 210） ： )()()()(0 sIsRTsRIsEsU dldd ??+= (210) 而 RLTl =是 電樞 控制 回路的電磁時間常數(shù) ，單位為秒 (s)。 將式 （ 210） 整理成電流比電壓的形式可得傳函為下式 （ 211） ： 11)()()(0 += sT RsEsU sIldd （ 211） 從電機的動力學方程可知電磁轉矩和負載轉矩的關系為式 （ 212） ： 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 dtdnGDTT le 3752= （ 212） 可得式（ 213）： RdtdETII mdld = （ 213） 式子（ 213）中的mem CCRGDT 375 2= 是直流電機 系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。 將上式 （ 213） 進行 拉氏變換可得電勢比電流的傳函為下式 （ 214） ： sTRsIsI sE mdLd =)()( )( （ 214） 上式 （ 214）中 的mLdL CTI = 為負載電流 ，單位是 A。 晶閘管觸發(fā)裝置的整流傳函 晶閘管觸發(fā)裝置的整流環(huán)節(jié) 在一定的工作范圍內 可看成 是一個 電壓響應超前電流的環(huán)節(jié)，屬于 純滯后環(huán)節(jié)。 而失控時間是影響這個 滯后 作用的主要因素 。 咱們可以按mfTs 1max =這個公式來表示，由公式可以看出 最大失控時間 與 交流電源頻率 f 和 一周內整流電壓的脈動波數(shù) m 有關； 當電流在連續(xù)的狀態(tài)下，我們可把晶閘管整流觸發(fā)裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)，因此它的傳函可寫成下式（ 215）； sTKsW Sss +≈ 1)( （ 215） PI 調節(jié)器的傳函 轉速調節(jié)器 ASR 和電流調節(jié)器 ACR 為了實現(xiàn)快速無靜差，可以將它們均設為比例積分控制規(guī)律，即兩個調節(jié)器的比例部分 P 能使控制作用迅速的被響應，達到要求但有靜差，因此加上積分部分 I 來消除穩(wěn)態(tài)誤差。其傳函見式（ 216）： ssKsW PPI ττ 1)( += （ 216） 其中 PK 表示 PI 調節(jié)器的比例放大倍數(shù)， τ 表示 PI 調節(jié)器的積分時間常數(shù)。 將上述各傳遞函數(shù)以結構圖的形式連接起來便得到了雙閉環(huán)直流電機調 速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖， 其中轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器因為采用了 PI 控制而能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，晶閘管整流裝置以近似為一階慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)了穩(wěn)哈爾濱理工大學學士學位論文 11 定快速的必要條件，再加上直流電動機的傳遞函數(shù)，使得系統(tǒng)實現(xiàn)了雙閉環(huán)。 如圖 27 所示，因此雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的數(shù)學模型也就一目了然 [11]。 n*nU 1?sT Kss1/1?sTRl sTRm eC1dLI++cU 0dU+E+dI??n )(W A SR*iU iU ）（ sA CRW 圖 27 雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 本章小結 本章首先主要說明了直流調速系統(tǒng)的控制方式有三種，而這三種中以調壓調速最優(yōu)，然后又重點闡述了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的性能指標，有穩(wěn)態(tài) 性能指標和動態(tài)性能指標，并分別介紹了各個指標的分類，為后續(xù)的單片機控制實現(xiàn)數(shù)字化打下了基礎。其次本章又闡述了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理結構。最后又詳細介紹了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構和動態(tài)結構的數(shù)學模型構成，為后面的內容做好了鋪墊！ 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 第 3章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工程設計 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)參數(shù)的選擇 該電動機選擇直流電動機，由晶閘管供電，整流裝置選擇三相橋式電路，其各個參數(shù)如下：直流電動機額定電壓 U=220V,額定電流 I=140A,額定轉速 n=2020r/min，電動勢系數(shù) eC = rV min/? ，過載倍數(shù) λ =；晶閘管放大倍數(shù)為 sK =60；電樞回路總電阻 R= Ω ； 設電磁 時間常數(shù)lT =，機電時間常數(shù) mT =；由于采用三相橋式電路，其滯后時間常數(shù) sT =； 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工程設計方法 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構圖應該是在原來的動態(tài)結構圖基礎上增加了電流濾波環(huán)節(jié)、轉速濾波環(huán)節(jié)和給定信號上的濾波環(huán)節(jié)。下圖31 表示增加濾波環(huán) 節(jié)的動態(tài)結構圖 [12]。A S R A C Rn ( s )11on ?T*nU 11?sToi 1?sTKss1/1?sTRl sTRm eC1 )(sIdL+)(sUi+)(sUc)(0sUd+E ( s )+)(sId1?sT oi?1?sT on? 圖 31 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構圖 圖中的 oiT 表示電流反饋濾波時間常數(shù)；圖中的 onT 表示轉速反饋濾波時間常數(shù)；從圖中可見在電流環(huán)上加了電流濾波環(huán)節(jié)，在轉速環(huán)上加了轉速濾波環(huán)節(jié)，在兩個給定信號上同樣加了濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng) 以 “先內環(huán)后外環(huán) ”的設計 規(guī)范 ，即 先規(guī)劃 內環(huán)（ 電流環(huán) ） ， 漸漸的 向外 規(guī)劃 ， 而 后把電流環(huán)看做成系統(tǒng)的一個 子 環(huán)節(jié)，再 規(guī)劃外環(huán)（ 轉速 環(huán)） 。 我們知道雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的電流環(huán)的一個特別的作用是能夠在動態(tài)過程中讓電樞電流不超過允許的最大值，故電流環(huán)一般被規(guī)劃為典型的 I 型系統(tǒng)，用 PI 調節(jié)器可以做到穩(wěn)態(tài)無靜差；為了讓轉速環(huán)也做到穩(wěn)態(tài)無靜差，所以也運用 PI 調節(jié)器，即加一個積分環(huán)節(jié)，但是轉速環(huán)內部的哈爾濱理工大學學士學位論文 13 電流環(huán)已經有個積分環(huán)節(jié)，再加上一個共計兩個積分環(huán)節(jié)，就此轉速環(huán)規(guī)劃為 II 型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)中，晶閘管的滯后時間常數(shù) sT和電流反饋濾波時間常數(shù) oiT 一般都比電磁時間常數(shù) lT 小很多，所以可將兩者相加近似為一個一階慣性環(huán)節(jié)，我們取 oisl TTT += ，這樣，電流環(huán)是一個雙慣性環(huán)節(jié)，同理，轉速環(huán)可寫成)1()( += sTs KsW。 1. 電流調節(jié)器設計 首先需要知道設計的指標，有靜態(tài)指標和動態(tài)指標。靜態(tài)指標滿足無靜差，動態(tài)指標滿足電流的超調量 σ 小于等于 5%。 其次由 節(jié) 中給出的各個參數(shù)可知 sT =，電流濾波時間常數(shù)oiT 滿足三相橋式電路每個波頭的時間是 ，因此 oiT =2ms=。電流環(huán)小時間常數(shù)之和 ∑iT= sT + oiT =。 計算 電壓的抗擾性能： ≈≈∑ilTT ，滿足各項指標 。然后計算電流調節(jié)器參數(shù)，由于要求σ 小于等于 5%，可 選擇 ∑ iITK =，因此 ????? sTK iI。電流反饋系數(shù) )(/0 4 NIVAV ??? ； 所以 ACR 的 比例系數(shù)為??s iIi K RKK ?= ?? ?? ， 電流截止頻率 ciω =，檢驗晶閘管為 cis sT ????? / 13 1，滿足條件。 cilm sTT ?????? ? 1313，滿足條件。 按照上述所計算的參數(shù)，再加上附錄中表 1 提供的數(shù)據(jù)可知 :σ =%5%，滿足設計要求。 2. 轉速調節(jié)器設計 首先需要知道設計的指標，有靜態(tài)指標和動態(tài)指標。靜態(tài)指標滿足轉速無靜差，動態(tài)指標滿足空載啟動到額定轉速時的轉速超調量 nσ 小于等于10%。 其次由 節(jié)中給出的各個參數(shù)來確定時間常數(shù)。已知 =∑iITK，由于電流環(huán)可以作為速度環(huán)、電流環(huán)的一個子部分可以等效時間常數(shù)設置為IK1 ，則 sTK iI 1 ==∑= ， 速度濾波時間常數(shù) onT =，哈爾濱理工大學學士學位論文 14 因