【導(dǎo)讀】產(chǎn)機(jī)械需要動力的場合，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。本文所論述的是“V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真”。速裝置、平波電抗器L和電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)。的直流電流更平滑；電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源。當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。環(huán)境的保護(hù)有著重大影響。在高速增長的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的雙重。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國家高12%~55%左右，90%. 我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量。達(dá)6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動裝置之一。術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機(jī)

　　

【正文】 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和限幅工作狀態(tài)及退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算 若將退飽和過程與負(fù)載擾動過程加以比較，則不難發(fā)現(xiàn)它們的變化規(guī)律是相同的，因而可找到一條計算退飽和超調(diào)量的捷徑，那就是用抗擾性能指標(biāo)來計算退飽和超調(diào)量。 當(dāng) ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖入圖 （ a） 。由于我們感性趣2 2 2 21 5 1 3962 2 5 0 . 0 1 7 4N nhK hT ????? ??5 0 .0 1 7 4 0 .0 8 7nnh T s? ?? ? ? ?( 1 ) 6 0 . 5 0 . 1 3 0 . 2 5 282 2 5 0 . 0 1 7 4 2 . 5 0 . 0 0 8n e m e mnNnC T h C TKK R h T R? ? ????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 28 的只是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以上的超調(diào)部分，所以只考慮實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值 △ n=nns 相應(yīng)地轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖 （ b） 。初始調(diào)件則轉(zhuǎn)化為 (0 ) 0, (0 )d dmn I I? ? ? () 在這里轉(zhuǎn)速超調(diào)量的基準(zhǔn)值是 ns,在，在抗擾指標(biāo)中， △ C 的基準(zhǔn)是 12/aC TN T? () 對比前面的條件可知 ， dm LN I I?? () 圖 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 所以動態(tài)升速 △ n 的基準(zhǔn)值為 () 已知開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為 / 2 . 5 1 5 . 6 / 0 . 1 3 3 0 0 / m i nN N en I R C r? ? ? ? ? () 則基準(zhǔn)又可以表示為 () 于是經(jīng)過基準(zhǔn)值換算后，可得退飽和超調(diào)量為 () 1 emCTT R? nTT??( 1 )( 1 )nnnnKss T s???? ??? emRC T sn( a )( 1 )( 1 )nnnnKss T s???? ??? emRC T s++/nU ? I dI L ILI d+ n?( b )1 2 ( )2/ n d m Lb emR T I In N T T CT? ???2 nNbNmTnn IT????m a x m a xm a x% 10 0% ( %)2( )( %)( 1. 25 15 .6 0) 30 0 0. 01 7481 .2 % 215 .6 12 00 0. 253. 53 % 6%bs b snd m L Nb N s mn C nn C nTC I I nC I n T???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ??? 29 上述分析表明， ASR 的飽和非線性，使轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量的具體數(shù)值與轉(zhuǎn)速環(huán)的兩個時間常數(shù)的比值 TΣ n/Tm，開環(huán)機(jī)械特 性的斜率，最大電流 Idm，負(fù)載大小有關(guān)，特別是與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 △ nmax 與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無關(guān)，不會因 ns 的不同而變化，但是退飽和超調(diào)量 δ%卻與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)， ns=nN 與 ns= 時的退飽和超調(diào)量大不相同。 綜上所述，可得如下結(jié)論： 退飽和超調(diào)量的大小與動態(tài)降速的大小是一致的。也就是說，考慮 ASR 的飽和和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能并不矛盾，而是一致的。 轉(zhuǎn)速環(huán)的并聯(lián)微分校正 —— 轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的引入 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計方便的優(yōu)點，是一種應(yīng)用最廣泛的 調(diào)速系統(tǒng)。然而，其動態(tài)性能的不足之處是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，抗擾性能的提高受到一定限制。為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，以及消除可逆調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的“停車反調(diào)”現(xiàn)象，有必要在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋?？梢宰C明，采用帶微分負(fù)反饋的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上符合現(xiàn)代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制”，因而可以獲得實際可行的最優(yōu)動態(tài)性能。 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 所示。其中 Cdn 的作用主要是對轉(zhuǎn) 速信號進(jìn)行微分，稱作微分電容，而 Rdn 的主要作用是濾去微分后帶來的高頻嘈聲，稱 之 為濾波電阻。為了分析帶微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動態(tài)結(jié)構(gòu)，首先必須求出這種調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。微分反饋支路電流的拉氏變換式為 () 因此，圖 虛地點 A 的電流平衡方程為 () +02R02R02R02RU nC 0RnAR/ C onC onC dnR dn α nVcc00( ) ( ) ( )() 1( 1 ) ( 1 ) 1n dn ion on dn dn nnU s C sn s U snsR T s R T s R C s R Cs??? ? ?? ? ? ?()()() 11dndn dn dndndnC sn snsisR C sR Cs?? ?????? 30 圖 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 整理后德 () 式中 0dn dnRC? ? —— 轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)； odn dn dnT R C? —— 轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)。 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及退飽和時間和轉(zhuǎn)速的計算 帶轉(zhuǎn) 速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別僅在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增加了電容 Cdn 和電阻 Rdn，即在轉(zhuǎn)速反饋的基礎(chǔ)上疊加了一個轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號。在轉(zhuǎn)速變化過程中，兩個信號一起與給定信號 Un 相抵，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更早一些達(dá)到平衡并開始退飽和。由圖 可見，普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的退飽和點是 O， ,現(xiàn)在提前到 T 點， T 點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 nt 比 ns 低，因而有可能在進(jìn)入線性閉環(huán)系統(tǒng)工作之后沒有超調(diào)就趨于穩(wěn)定，如圖 中曲線 ② 所示。下面計算其退飽和后，系統(tǒng)的動態(tài)性能取決于轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)入線性狀態(tài)后的過度過程，其初始條件就是退飽和點 （ 圖 中 T 點）的轉(zhuǎn)速和電流。 T 點的電流仍是 Idm，其轉(zhuǎn)速 nt 則要通過退飽和時間 tt 來計算。 當(dāng) t≤ tt 時， ASR 仍飽和， Id=Idm，轉(zhuǎn)速線性增長。若將小時間常數(shù) TΣn 的影響近似看成是轉(zhuǎn)速開始升高時的純滯后作用，此后便不再影響轉(zhuǎn)速的增長率，入圖 中的折線 O— TΣn— T 所示，則轉(zhuǎn)速上升過程可用下式描述 () ( ) ( ) ( )() 11 1 1n dn i non on od n nnU s sn s U sns sT s T s T s K s??? ??? ? ? ?? ? ?( ) ( ) ( ) ,ndm LemRn t I I t TCT ?? ? ?ntT?? 31 圖 轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋對啟動過程的影響 ① — 普通雙閉環(huán)曲線；② — 帶微分負(fù)反饋的曲線 當(dāng) t=tt 時， ASR 開始退飽和，其輸入信號 △ Un=0,由圖 可得 () 由式 （ ） ，考慮到 ttTΣn,則 () 且 () 將式 （ ） 和 （ ） 代入式 （ ） ，并注意到 Un/α=ns,得 ()退飽和時間為 () 代入式 （ ） 得退飽和轉(zhuǎn)速 () 由式 （ ） 和 （ ） 可見，與未加微分負(fù)反饋的情況相比，退飽和時間的提前量恰好是 τdn,而退飽和轉(zhuǎn)速的提前量是 tnTO/On s n t t 1 t 2 ①②| tnnt dn t ttUdn d?? ???( ) ( )nt dm L temRn I I t TCT ?? ? ?| ( )n t tt dm Lt e md R IId C T? ??( ) ( ns dm L t dnemRn I I t TCT ??? ? ? ?() ne s mt dndm LC n TtTR I I ??? ? ??()t s dm L dnemRn n I ICT ?? ? ?()dm L dnemR IICT ?? 32 () 轉(zhuǎn)速微分反饋參數(shù)的工程設(shè)計方法 根據(jù)式 （ ） 可以畫出帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （ a） 所示。為了分析方便起見，取 Todn=Ton,再將濾波環(huán)節(jié)移到轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，并按小慣性環(huán)節(jié)近似方法，令 () 得簡化后的結(jié)構(gòu)圖，如圖 （ b） 所示，圖與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，只在反饋通道中增加了一個微分項 τdns。 可推得 τdn 的近似工程計算公式為 () 式中 δ—— 用小數(shù)表示的允許超調(diào)量， h=τn/TΣn。 因為 δ 不可能為負(fù)，所以無超調(diào)時的 τdn 應(yīng)該是 () 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)受負(fù)載擾動時的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。Mrmin 準(zhǔn)則選擇參數(shù)，且取 h=5，采用計算機(jī)防真所得系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)列于表 中，其中 表 中數(shù)據(jù)表明，引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，動態(tài)速降顯著減小， τdn越大，動態(tài)速降越小，但恢復(fù)時間增加。應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的 τdn 值?？傊?，引入轉(zhuǎn)速微分反饋可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的抗擾性能。 2nionT T T????42 21 ( )n Nsdn m dm L NInh TTh I I n??????? ? ?0 42| 0 .0 6 3 81 ndn h Tsh?? ?? ????2 nLbemRT In CT? ??11onTs ?1nnnsKs??? 1/21iTs???emRC T s1onTs??1dnodnsTs???++n