【文章內(nèi)容簡介】 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)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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)中的作用可分別歸納如下。 1． 電流調(diào)節(jié)器作用 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 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 2） 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 3） 在轉(zhuǎn) 速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 4） 當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(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機(jī)允 許的最大電流。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 1． 工程設(shè)計(jì)方法的必要性 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選擇可采用伯德圖的方法來設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)每一個調(diào)節(jié)器時，都須先求出該閉環(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)生建立更簡便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法的必要性。 2． 工程設(shè)計(jì)方法的可能性 現(xiàn)代 的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(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，只要內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 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)過程就要簡便得多。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 工程設(shè)計(jì)方法的原則 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)。 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步： 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，同時滿足所需的穩(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)一步滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)。 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 ??????? niirmjjsTssKsW11)1()1()(? (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 rs 項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)有 r 重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。根據(jù) 0,1,2,r? … 的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、 … 系統(tǒng)。自動控制理論已證明， 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 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 ()( 1)KWs s Ts? ? (32) 式中 T —— 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K —— 系統(tǒng)的開環(huán)增益。 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 以20 /dB dec? 的斜率穿越 0dB 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)時保證 Tc 1?? 或 1cT? ? 45carctg? ?? 于是，相角穩(wěn)定裕度 0000 459090180 ?????? Tar c t gTar c t gr cc ?? 它的閉環(huán)系 統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 35a） 所示。而圖 35b） 表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開環(huán)對數(shù)頻率特性 圖 35 典型Ⅰ型系統(tǒng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 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 2 ( 1)() ( 1)KsWs s Ts? ?? ? (33) 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 36所示 。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開環(huán)對數(shù)頻率特性 圖 36 典型Ⅱ型系統(tǒng) 在典型 II 型系統(tǒng)中，其中頻段也是以 20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線。由于分母中2s 的相頻特性是 180176。 ,后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié) ( 1)s?? ，就無法把相頻特性抬到 180176。線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)圖36 b） 中的特性，顯然應(yīng)保證 11c T?? ?? 或 T?? 而相角裕度為 Tar c t gar c t gTar c t gar c t gr cccc ?????? ?????? 00 180180 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 ? 比 T 大得多，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)。 通過以上的敘述我們知道 典型 I型系統(tǒng)和典型 II型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別外，一般來說，在動態(tài)性能中典型 I型系統(tǒng)可以在跟隨性能中做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型 II型 系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn) 工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動態(tài)性能指標(biāo)。自動控制系統(tǒng)的動態(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 )(tR 的作用下，系統(tǒng)輸出量 )(tC 的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出 量的初始值為零時給定信號階躍變化下的過渡過程為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態(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)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。 1） 上升時間 rt 圖 37 繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的 ?C 是輸出量 C 的穩(wěn)態(tài)值。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到 ?C 所經(jīng)過的時間稱作上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性。 圖 37 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo) 2） 超調(diào)量 ? 與峰值時間 pt 在階躍響應(yīng)過程中，超過 rt 以后，輸出量有可能繼續(xù)升高，到峰值時間 pt 是達(dá)到最大值 maxC ，然后回落。 maxC 超過穩(wěn)態(tài)值 ?C 的百分?jǐn)?shù)叫做超調(diào)量，即 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 %100m a x ?????C CC? (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。 3） 調(diào)節(jié)時間 st 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的快慢。理論上，線性系統(tǒng)的輸出過度過程要到 ??t 才穩(wěn)定，但實(shí)際上由于存在各種非線性因素，過度過程到一定時間就終止了。為了在線性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下 %5? 的范圍為允許誤差帶，將輸出量達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時間定義為調(diào)節(jié)時間。顯然，調(diào)節(jié)時間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它的穩(wěn)定性。 2． 抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個使輸出量降低的擾動量 F 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 38所示 。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。 圖 38 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) 1） 動態(tài)降落 maxC? 系 統(tǒng)運(yùn)行時，突加一個約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾 動 量，所引起的輸出量最大 降 落值 maxC? 稱作動態(tài)降落。一般用 maxC? 占輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?C 的百分?jǐn)?shù)%1001m ax ?? ?CC 來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 2?C ，（ 21 ?? ?CC ）是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。動態(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)載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降 maxn? ； 2） 恢復(fù)時間 vt 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?C之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的 bC 的 %5? （或取 %2? ）范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間 vt ，見圖 38。其中 bC 稱作抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況而定。如果允許的動態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值 2?C 作為基準(zhǔn)值。如果允許的動態(tài)降落較小，例如小于 5%（這是常有的情況），則按進(jìn)入 %5? 2?C 范圍來定義的恢復(fù)時間只能為零，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 就沒有意義了，所以必須選擇一個比穩(wěn)態(tài)值更小的 bC 作為基準(zhǔn)。 實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標(biāo)的 要求各有不同。例如，可逆軋鋼機(jī)需要連續(xù)正反向軋制許多道次，因而對轉(zhuǎn)速的動態(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)床用的位置隨動系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，而大型天線的隨動系統(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?，一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而跟隨系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 雙閉 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 首先我們看一下轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 41 所示。這就是我們最終要設(shè)計(jì)成的圖形。此圖有濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中 oiT —— 電流反饋濾波時間常數(shù)； onT —— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)。 圖 41 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表 示，以濾平電流檢測信號。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個遲延作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含換向紋波，因此也需要濾波，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入濾波環(huán)節(jié)。以下