【文章內容簡介】 s 能使最低轉速下 系統(tǒng) 轉速 達到穩(wěn)定 ，那么，較高轉速時靜差率也必然 能 滿足 要求 。 圖 2— 1 不同轉速下靜特性曲線 11 實際上，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是 沒有任何聯(lián)系 ，二者 必須 同時提才有實際 意義 。一個調速系統(tǒng)的調速范圍 是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范圍 ，所以在沒有靜差率的限制 下 ， 任何調速系統(tǒng)都 無法 得到 確定 的 調速范圍， 反過來 也如此 二、動態(tài)性能指標 機械設備 及相關 生產工藝對 控制 系統(tǒng)的 動態(tài) 性能指標 有 很高的要求， 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 大致 包 括 兩方面， 一 是 對給定信號的跟隨性能指標 ，二 是 對擾動輸入信號的抗擾性能指標， 下 面 分別對二者進行敘述。 一、跟隨性能指標 在給定 信號（或 參考輸入信號） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況 會 隨著輸入 的變化而變化， 可 用跟隨性能指標來描述， 它的特征就是 服從 給定，緊緊跟隨給定。通常輸出量的初始值為零，將 階躍 信號作為 給定 信號輸入 ，這時系統(tǒng) 的 動態(tài)響應稱為階躍響應。通常情況 在階躍響應中 盡量 做到 輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 的 差 值 越小越好，達到 輸出 穩(wěn)態(tài) 的時間越短 越好。 下述 就 常用的階躍響應跟隨性能指 標 做出 敘述。 1）上升時間 圖 2— 2 為 單位階躍響應曲線圖 ，在上面 論述的 階躍響應跟隨過程中，輸出量從零從第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所需要的時間定義為動態(tài) 響應的 上升時間，它的 大小代表 著 系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性，該 值越小 表示 系統(tǒng) 的 響應速度越快。 圖 2— 2 單位階躍響應曲線圖 2）超調量 12 在典型的階躍響應跟隨過程 中， 系統(tǒng) 在峰值時間取得的 輸出 值 與 最終 穩(wěn)態(tài)值之比叫做超 調量，用百分數(shù)表示 如下 式 ： %100% m a x ?????c cc? （ 2— 4） 超調量的 大小代表 系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調量百分數(shù)越小表示 系統(tǒng) 的輸出響應 越 穩(wěn)定， 系統(tǒng)的輸出 在 干擾作用 下 變化越小。 3）調節(jié)時間 調節(jié)時間 代表系統(tǒng)響應過程的快慢 ，反映 系統(tǒng)的快速性， 通常這個 值越小越好 。 線性控制系統(tǒng)中，當 時 系統(tǒng)的 輸出才會 真正保持穩(wěn)定 ，但實際系統(tǒng)運行 過程中 往往存在眾多非線性等因素，過渡 過程 只有 有限的 一段， 因此 階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值 一般 取附近的范圍，圖 2— 2 中， 調節(jié)時間即為以響應曲線達到并不 超出規(guī)定 的 誤差允許 范圍 所需的最短時間 。 二、抗擾性能指標 調速 系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài) 運行 過程中 ，突加負載后 階躍 響應 的 動態(tài)過程 的變化 情況 作為系統(tǒng) 的 抗擾過程，由此定義抗擾動態(tài)性能指標，如 圖 2— 3 抗擾性能指標 包括 兩點，一 是動態(tài)降落， 二是 恢復時間。 下面 作 詳細敘述 ： 1）動態(tài)降落 轉速 處于 穩(wěn)定 狀態(tài) 時，突加一定 量 的擾動（如額定負載擾動）后引起轉速的最大降落值 稱 為動態(tài)降落， 即 擾動后系統(tǒng)的 最大 降落值與 最終輸出 穩(wěn)態(tài)值 之比的百分數(shù)。 動態(tài)降落后 經過 系統(tǒng)調節(jié)作用輸出 量 逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ，是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差總是低于 動態(tài)降落 的 。 2）恢復時間 從 突加一定量的 負載 擾動 開始，到輸出量基本上恢復到 穩(wěn)定狀態(tài) ，距新穩(wěn)態(tài)值之差進入某基準量 的 范圍之內所需的時間，定義為恢復時間 ，其13 中 是 比穩(wěn)態(tài)值更 小 的 基準值。 事實 上 大多 數(shù) 控制 系統(tǒng) 的 動態(tài)性能 指標的標準 不盡相同 ， 需要具體問題 具體分析 ，必須由機械 生產 的具體要求來確定 。 通常而言 ，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標以跟隨性能為主 ，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。 本次設計 是一個自動 調速系統(tǒng)， 調節(jié)器 的 參數(shù)整定在仿真 調試 過程 中要以 抗擾 效果為主。 圖 2— 3 突加擾動的動態(tài)過程 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 閉環(huán) 調速系統(tǒng) 設計 兩個調節(jié)器， 便可 實現(xiàn) 轉速和電流兩種負反饋分別起作用 。觀察下圖，兩個 調節(jié)器 按 一定規(guī)則 進行 串 級 聯(lián) 接，把 轉速調節(jié)器的輸出 作 為 電流調節(jié)器的輸入， 再 將電流調節(jié)器的輸出 來 控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 ，轉速調節(jié)器 調節(jié)器 和 電流調節(jié)器的輸出都是帶限 幅作用 的， 其中 轉速 調節(jié)器 ASR的 輸出限 幅電壓，這個限幅 電壓值決定了電流給定電壓的最大 值 ，而電流 調節(jié)器 ACR的 輸出限 幅值， 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 由 閉環(huán) 調速 系統(tǒng)的結構 可知 ， 雙閉環(huán)由 內環(huán)和外環(huán) 兩部分 組成，其中 電流調節(jié)環(huán) 稱 為 內環(huán) ， 轉速 調節(jié) 環(huán) 稱 為 外環(huán) ， 這樣就 構成 簡單的 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 本次 設計的 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器 ASR和 ACR都采用 PI調節(jié)器。因為 PI調節(jié)器存在 積分作用，只要 存在偏差 ，積分作用就會一直存在 直到 偏差消除 ，這樣可 使系統(tǒng)實現(xiàn)無 靜 差 式調節(jié) ，而比例調節(jié)器 是即時 作用， 檢測到 偏差 的 存在，系統(tǒng) 會 立即向著減少偏差的方向發(fā)展， 這樣就 提高 了 系統(tǒng)的快速 性 。 總之， PI調節(jié)器 作為控制器時既能 實現(xiàn)快速響應， 又能 實現(xiàn) 無 靜 差調節(jié) 。由此 ， 良好 的 靜態(tài) 性能和動態(tài)性能 都 兼而有之 ，基本14 達到 調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)、 準、快的 特點，能使調速 系統(tǒng)得到良好的調速效果。 所以， 本次設計中 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器 ASR和 ACR采用 PI調節(jié)器即可。 圖中： U*n、 Un— 轉速給定電壓和轉速反饋 電壓 U*i、 Ui— 電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR— 轉速調節(jié)器 ACR— 電流調節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 閉環(huán) 調速系統(tǒng) 設計 兩個調節(jié)器， 便可 實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用 。觀察上圖，兩個 調節(jié)器 按 一定規(guī)則 進行 串級 聯(lián) 接，把轉速調節(jié)器的輸出作 為 電流調節(jié)器的輸入， 再 將電流調節(jié)器的輸出 來 控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 ，由 閉環(huán) 調速 系統(tǒng)的結構可知 ， 雙閉環(huán)由 內 環(huán)和外環(huán) 兩部分 組成，其中電流調節(jié)環(huán) 稱 為內環(huán) ， 轉速 調節(jié) 環(huán) 稱 為外環(huán) ， 這樣就 構成 簡單的轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)直流調速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機啟動之后 ，電動機的實際轉速 大小或 兩15 端 電壓 小于 給定值， 這樣 給定信號 值 和反饋 信號 值就存在 偏差 ，使 速度調節(jié)器的輸入端存在一個差值信號，經信號 放大器的作用 使 輸出的電壓 值保持在 限 幅值 左右 ，速度調節(jié)器處于 開環(huán) ，速度調節(jié)器的輸出電壓作為一個 固定 給定值作為 電流調節(jié)器 的 輸入 ，則此時 最大電流給定值 作為 電流調節(jié)器 的 輸 入 ， 并 輸出移相信號， 對應 輸出 直流電壓和 電流都會 上升，直到與 最大給定值 相一致，可改變速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變電動機 的最大電流， 同時電動機會 以 最大電流恒流加速啟動。 在電動機轉速上升到 給定轉速后，速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零，兩個 調節(jié)器都會 退出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調節(jié)發(fā)揮 作用 。強加負載擾動 時 ，速度調節(jié)器輸入端產生的偏差信號會 迫使 ACR、 ASR 來改變觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋輸出的直流電壓發(fā)生 改變 ，從而 校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù)，還能抗電網電壓擾動 ，可以在電動機轉速還沒 受到影響 的 時候 ，很快 將 電流 值調整為 設 定值 ，由此 可 使速度能夠 更好 的 穩(wěn)定在某一轉速下 。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型和靜、動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直 流調速系統(tǒng)數(shù)學模型的確定與 可控硅觸發(fā)器和整流器 都有 關系 ， 全控式整流電路在穩(wěn)定 狀態(tài)下 ，觸發(fā)器控制電壓 Uct 與整流輸出電壓 Ua0 的關系為： )c o s (cos 220 cta KUAUAUU ?? ? 其中 ： A— 整流器系數(shù) 2U — 整流器輸入交流電壓 ? — 整流 器觸發(fā)角 ctU — 觸發(fā)器移項控制電壓 K— 觸發(fā)器移項控制斜率 整流和觸發(fā) 是余弦關系 ，工程應用 時 習慣將觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)近似 為 線性環(huán)節(jié)，放大系數(shù)用 K 表示 ： 。 繪制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如下： 16 圖 2— 4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 一、 系統(tǒng)靜特性分析 PI 調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征是分析系統(tǒng)靜態(tài)特性的關鍵因素，調節(jié)器一般 存在兩種狀態(tài) ：飽和狀態(tài)和 不飽和 狀態(tài)。 調節(jié)器 達到飽和 ， 則輸出為一個 定值 ， 輸出不再 受 輸入量變化影響 ，除 了出現(xiàn) 個反向輸入信號導致 調節(jié)器退出飽和 狀態(tài)，就是說，調節(jié)器達到飽和 可以 斷開輸入與輸出的 連 系， 無 聯(lián)系 即相當于 調節(jié)環(huán) 處于 開環(huán) 狀態(tài) ，而調節(jié)器不飽和 ， PI調節(jié)器的作用會 使 輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總保持 為零 。 通常，正常運行狀態(tài) ， 為了 保持電路 安全 ， 電流調節(jié)器 一直 都 處于 不 飽和狀態(tài)。然而，對于靜特性而 言 ，只有轉速調節(jié)器 有飽和與不飽和兩種 狀態(tài) 。 1．轉速 調節(jié)器 不飽和 該情況下 ， 轉速 、電流 調節(jié)器都不 飽和，穩(wěn)態(tài)后，它們的輸入偏差電壓都為零。 如下 式： 由第一個關系式可得： 由 式 可知 圖 26 所示靜特性曲線的 CA段 所 代表的意義 ，又 因 ASR不飽和， 可知 ，可推斷 CA 段 靜 特性從理 想空載狀態(tài) 直 到 。 但是 通常都不小于 額定電流 ， 這就是靜特性的運行段， 由 圖 也 可 觀察 它 就是一條水平的 特性。 2．轉速調節(jié)器 飽和 17 轉速 調節(jié)器 輸出達到限幅值 ， 相當于轉速外環(huán)斷開 ，系統(tǒng)不再 受 轉速變化的影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了無 靜差的 單 閉環(huán) 電流調節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)狀態(tài) 時 電流值 ： 其中，最大電流 取決于電動機允許 的 過載能力和拖動系統(tǒng)可 容的 加速度 最大值 ，由上式可得靜特性的 AB 段是 一段 垂直特性。上述 的 下垂特性只適合于 時，因為若 ，則 ， ASR將會退出 飽和狀態(tài) ，使 系統(tǒng)不 穩(wěn)定 。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 ， 系統(tǒng) 的 轉速 是 無靜差 的，此時起 主要調節(jié)作 用的是 轉速負反饋 ， 但負載電流達到 時 ，轉速調節(jié)器會 飽和輸出 ，此刻起 主要作用的 將 是 電流調節(jié)器 ， 系統(tǒng) 的 電流 表現(xiàn) 為 無靜差 調節(jié)，這樣 過電 流時會自動調節(jié)使 系統(tǒng) 保持安 全，這便是利用 兩個 PI 調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的結果。但是事實 上， 運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)永遠達不到 無窮大 ，所以， 表示 靜特性的兩段實際曲線與 理論值 存在 一個 很小的偏差，如下圖 2— 6中 的 虛線 圖 。 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性 二、 系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： （ 1）飽和非線性 ：當 轉速調節(jié)器 處于 飽和與 不飽和 狀態(tài) 時 ，系統(tǒng)在 不同的狀態(tài) 下會 有 相應 的變 化，不同 的狀況 表現(xiàn)為不同形式的線性系統(tǒng)，這時 要 采用分段線性化的方法來分析，不能簡單的用經典 控制理論來籠統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。 18 （ 2）轉速超調： 轉速調節(jié)器采用 PI 調節(jié)器 ， 那么轉速必然有超調，實際 上 PI控制 的 所有 自動控制系統(tǒng)都允許 轉速 有 很小 的 超調 ，對于完全不允許超調的情況，應采用其他控制 器 進行 控制。 （ 3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間內 的 控制稱為 “時間最優(yōu)控制” ， 對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。 利用飽和非線性的控制 方法 ， 用來 實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制 ， 這 是非常 具有 實用價值的控制策略， 并且 在各種多環(huán)控制中 都有應用 。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài) 抗干擾性能分析 ： 事實 上， 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的 動態(tài)性能非常 好 ， 特別 是抗擾性能， 要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動的 表現(xiàn)最為突出。 1． 抗負載擾動 根據(jù) 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 可觀察，負載擾動一般 加 在電流環(huán)之后，故只能