【導(dǎo)讀】的運(yùn)用領(lǐng)域在現(xiàn)實(shí)生活中的許多領(lǐng)域，也起到了不可或缺的作用。優(yōu)點(diǎn)在整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)中獨(dú)占鰲頭。行修正改善，經(jīng)過大量的研究和實(shí)踐證明，可采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)引回的反饋量的性質(zhì)可大致分為電壓反饋，電流反饋，轉(zhuǎn)速反饋等。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，習(xí)慣采用電流、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)據(jù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出合理的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。要求的系統(tǒng)模型。調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行比較。

　　

【正文】 型系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)特性 典型 Ⅱ 型系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)抗擾性能與參數(shù)的關(guān)系分別如表 444 所示 。 表 Ⅱ 型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo) h 3 4 5 6 7 8 9 10 σ % % % % % % % % Ttr/ Tts/ k 3 2 2 1 1 1 1 1 由上表可知：調(diào)節(jié)時(shí)間隨 h 的變化不是單調(diào)的， h 減小時(shí)，上升時(shí)間快， h增大時(shí)，超調(diào)量小。綜合各指標(biāo)， h=5 動(dòng)態(tài)性能比較適中 [18]。 表 Ⅱ 型系統(tǒng) 各 參數(shù) 與 動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)的關(guān)系 h 3 4 5 6 7 8 9 10 bCC /max? % % % % % % % % Ttm/ Ttv/ 由上表可得： h越小，抗擾性能越好，但超調(diào)量增大， 一般取 h=5。 22 綜合以上四個(gè)表格可看出， 兩種系統(tǒng)各有長(zhǎng)短，對(duì)于 Ⅱ 型 來說，其 抗擾性能比較好 但 超調(diào)量相對(duì)較大， 而對(duì)于 Ⅰ 型 來講，它在超調(diào)量上很優(yōu)勢(shì)，但是不耐干擾，二者可根據(jù)不同的要求和運(yùn)用環(huán)境選擇合適的一種。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜差分析 在轉(zhuǎn)速環(huán)中，如果 運(yùn) 用比例調(diào)節(jié)器 ，那么我們可寫出這一模塊 的輸出為： npc UKU ?? （ ） 當(dāng) 0,0 ??? UU 時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行； 當(dāng) 0,0 ??? UU 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。 由式（ ）不難看出，控制電動(dòng)機(jī)的電壓與比較電壓 nU? 直接掛鉤，但有個(gè)重要的缺點(diǎn)，輸入和反饋必須要有曉以電壓差電動(dòng)機(jī)才能轉(zhuǎn)，一但電壓差為零（當(dāng)然是做到無差了）電動(dòng)機(jī)卻不轉(zhuǎn)了，而使用比例積分調(diào)節(jié)器基本能作到無差調(diào)節(jié)且保證電動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)。其中最主要的角色就是積分環(huán)節(jié)，采用比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器，它將輸出一點(diǎn)點(diǎn)積累起來，當(dāng)達(dá)到穩(wěn) 定轉(zhuǎn)速時(shí)，新增為零， 而積分調(diào)節(jié)器 給也 的輸出 量 則 積累了從開始到結(jié)束這一時(shí)間內(nèi) 輸入偏差量的 所有 歷史 和，使輸出能 保持不變，達(dá)到穩(wěn)定也做到無差了。下面 以簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)作介紹加以論證。 采用比例調(diào)節(jié)器 時(shí) 系統(tǒng) 是有靜差的 ， 而運(yùn)用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)我們就可以消除靜差，這是使用它的好處，做到無差調(diào)速。 對(duì)于突 然 加 上一個(gè) 負(fù)載 的時(shí)候，以 動(dòng)態(tài)抗擾 性能來說 ， 比例 積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的 是有很大區(qū)別的 ：只要?dú)v史上 曾經(jīng) 有過 nU? ， 無論 現(xiàn)在 nU? 存在與否 ，其積分 和 就 一定會(huì)存在且不為零 ， 便能發(fā)出系統(tǒng)正常工作 運(yùn)行所 必 需的控制 性輸入 電壓 cU ， 而 比例調(diào)節(jié)器的輸出 卻做不到這一點(diǎn)，因?yàn)樗c某時(shí)刻的nU? 掛鉤，如果為零不轉(zhuǎn)，即 只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀 。 想要弄清比例系統(tǒng)的工作原理不妨看看它的原理圖 （如圖 ） ， 分析 它在控制 過程的情況或誤差 ， 都可從其原理圖開始，當(dāng)然我們已經(jīng)知道 的 是，僅有它所參與的 閉環(huán) 系統(tǒng)是 有靜差 的 ， 我們可能分析它的靜差過程與原由，來找到解決的方法，比例積分就是這樣 出現(xiàn)的。采用它時(shí)， 負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為 ： )1()1)(1( )1)(1()()(200 l i ml i m KCRIKsTsTTsTTSTCRsIsnsnedlllmslsedlss ??????????????? （ ） 23 這 和靜特性分析的結(jié)果是 相符合 的。 niUiiACR0RoU 圖 比例調(diào)節(jié)器原理圖 當(dāng) 然這樣會(huì) 出現(xiàn)靜差， 根據(jù)上面的分析， 要 做到 無差，就要 改變調(diào)節(jié)器 。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，系統(tǒng)中必須接入無靜差元件，它在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)有 一個(gè)調(diào)整輸出以消除偏差，而 沒有偏差 時(shí)它的輸出 穩(wěn)定 不 變。所以 為解決 系統(tǒng) 的 靜差 問題 ，應(yīng) 采用典型的無靜差元件 — 比例積分 元件 （ PI 調(diào)節(jié)器）。 若 拿 比例積分調(diào)節(jié)器（圖 ）控制， PI 有這樣的 關(guān)系： ?? ???? dtUURRdtUCRURRU ininoin ?11 in01101o （ ） 當(dāng)零 狀態(tài) 時(shí)， 運(yùn)用數(shù)學(xué)工具可有它的 傳遞函數(shù)為： ssKsU sUW PIinoPI ?? )1()( )()s( ??? （ ） 式中，“ 01 RRKPI ? 是它的 放大 倍 數(shù)； CR1?? 是 它 的超前時(shí)間常數(shù) ” 。 在零初始條件和階躍輸入條件下，由（ ）可得 PI 調(diào)節(jié)器的輸出特性表達(dá)式為 ： tUUKU ininpi ???o （ ） 24 niUiiACR0RoU1R 圖 比例積分器 的原理 圖 則穩(wěn)態(tài)速差為 ： 0)1()1)(1()1)(1(.)()(200l i ml i m ??????????????? sKCKsTsTTsTssTsTsC RIsnssnpiesmlmslSedlss ????（ ） 由式 知 ，比例積分控制 做到了 無靜差 的 調(diào)速。 25 5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 整體思路是先里后外，設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)后再著手外環(huán) 。 使用基本原理設(shè)計(jì)好 電流環(huán)以后，把 它當(dāng)作 轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。 在檢測(cè) 的電流 信號(hào)中常有交流分量，為了 使它不 影響調(diào)節(jié)器的輸入， 應(yīng) 加入低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié) 會(huì) 使反饋信號(hào)延遲，為了消除此延遲 的影響，要 在給定位置 增設(shè) 一個(gè) 同時(shí)間差的 慣性環(huán)節(jié) 以確保時(shí)間上的同步 。同理， 為消除 測(cè)速發(fā)電機(jī) 引起的一些干擾 換向紋波， 我們也需要 加入 一個(gè) 濾波環(huán)節(jié) 。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1） 結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在 圖 里， 點(diǎn)畫線 包圍 的 那一部分 為電流環(huán)，反電動(dòng)勢(shì) 干擾 對(duì)于 它的作用是一個(gè)緩慢的 過程 ，當(dāng)電流 在 突然 間發(fā)生 變化時(shí)，可以 暫時(shí) 認(rèn)為 0??E 。這樣，我們?cè)诎凑?動(dòng)態(tài)性能來設(shè)計(jì) 本 環(huán) 節(jié) 時(shí)， 完全就 可以暫時(shí)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化 對(duì)它帶來 的 各種 動(dòng)態(tài)影響。不考慮電機(jī) 定子 反電動(dòng)勢(shì)，對(duì) 本 環(huán) 節(jié) 干擾的條件是 lmci TT13?? （ ） 式中 ，“ ci? 指 本 環(huán) 的 開環(huán)截止頻率 ” 。 將給定信號(hào)及反饋濾波同時(shí)移至環(huán)內(nèi)前向通道上，再將給定信號(hào)變成?)(* sUi ，則電流環(huán)將等效為單位負(fù)反饋控制系統(tǒng) [20]。 最后，由于一般情況下 oiT 和 sT 都比 lT 小得多，從而可當(dāng)作小慣性群近似地看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 oisi TTT ??? （ ） 則電流環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為 ： oisci TT131?? （ ） （ 2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從動(dòng)態(tài)要求上看，電樞電流不允許有太大的超調(diào)。從靜態(tài)要求上看，希望電流 靜差小甚至沒有 靜差。因此， 本 環(huán) 設(shè)計(jì) 主要以跟隨性能為主，應(yīng)采用 Ⅰ 型系統(tǒng)是比較合適的 。 26 電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，校正成 Ⅰ 型系統(tǒng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器要選用PI 型的，其傳遞函數(shù)用如下式子表示 [21]。 ssKsW iiiA C R ?? )1()( ?? （ ） 式中 ，“ i? 指 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)； iK 指 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ” 。 為了實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)和調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消 [24]，選擇 i? = lT （ ） 于是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖變成圖 51所示的典型形式，其中 RKKK i si? ??? （ ） )1( ??sTs KiI?)(*sUi )(sId 圖 Ⅰ 型系統(tǒng)電流環(huán) 的 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 上述結(jié)果 做了很多的 假設(shè)條件 并在此基礎(chǔ)之上 得到的，這些條件是： ① 對(duì) 電力電子變換器 進(jìn)行 純滯后 性 的近似處理 sci T31?? （ ） ② 不 再 考慮反電動(dòng)勢(shì) 有 變化 會(huì) 對(duì) 本 環(huán)的動(dòng)態(tài)影響 lmci TT13?? （ ） ③ 對(duì) 電流環(huán)慣性群 作 近似處理 oisci TT131?? （ ） （ 3） 本環(huán) 調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 27 由（ ）得，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為 iK 和 i? ，而 i? 已經(jīng)選定，需要求的只 iK ，可依照所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選取。一般情況下，希望電流超 調(diào)量為 %5?i? ，由表 ，可選 ?? ， ??? iTK ，則 ici TK ?? ?? 21? （ ） 再結(jié)合 考慮 式（ ）和式（ ） 整理后有： )(22 ilsisli TTKRTK RTK ?? ?? ?? （ ） 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1） 本環(huán) 的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可看作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，需要先求其閉環(huán)的傳遞函數(shù) )(sWcli ： 111)1(1)1(/)()()(2*???????????????sKsKTsTs KsTsKsUsIsWiiiidc l i ? （ ） 不考慮高次項(xiàng)， )(sWcli 可以降低階次近似表示成 111)(???sKsWcli （ ） 近 似條件式為 i TK??? 31? （ ） 式中， “ ? 指 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率 ” 。 電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一環(huán)節(jié)其輸入量為 )(*sUi ，于是電流環(huán)可在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)等效成 [24] 28 111)()()(* ????sKsWsUsI c l iid ?? （ ） （ 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 和電流環(huán) 一樣，將轉(zhuǎn)速給定濾波及反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)移入環(huán)內(nèi)，并將給定信號(hào)變?yōu)??)(* sUn ，再將兩個(gè)時(shí)間常數(shù)為 IK1 和 onT 的小慣性環(huán)節(jié)合并在一起，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn TKT ??? 1 （ ） 為了既要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)無靜差，又想滿足好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)要有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)為 Ⅱ 型系統(tǒng)，也使用比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器 [25]。 它的傳遞函數(shù)可表示為： ssKsW nnnA SR ?? )1()( ?? （ ） 式中 ，“ n ? 是 本 環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)； nK 是 本 環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ” 。 這樣，直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的開環(huán)傳 遞函數(shù)可表示為 )1()1()1()()1()(2ee ???????? sT