【正文】 閉環(huán)控制又常稱 為反饋控制或偏差控制。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。圖 412b 比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。 1） 閉環(huán)系統(tǒng)靜特 性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為 edop CRIn ??和 )1(e dc KCRIn l ??? 它們的關(guān)系是 Knnl ???? 1 opc （ 43） 當(dāng) K值較大時(shí)， cln? 比 opn? 小得多，也就是說(shuō)，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。在這些情況下，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類(lèi)似的調(diào)節(jié)過(guò)程。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 46 電流調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過(guò)轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 45 電流調(diào)節(jié)器開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 由于 ACR 為 PI 調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓 0** ???????? diiii IUUUU ? 即 dI = ?*iU 其中 ? —— 為電流反饋系數(shù)。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： 圖 44 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 根據(jù) ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)： 1）當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)； 2）當(dāng) ASR 不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電 流隨動(dòng)系統(tǒng)。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中 ACR 是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。在這個(gè)階段中，ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 *imU 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。當(dāng) dI ≥ dLI 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 dI 迅速上升。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電 流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖 44。濾波環(huán)節(jié)可以抑制檢測(cè)信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也個(gè)反饋檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)延遲。 現(xiàn)在 ion sTT ???????? 1312 131，滿足近似條件。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ? ssKsWnnnA SR ?? 1?? 。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 sT i ?? ； 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT 。 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足 lmci TT13??。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5?i? ，而且 ????ilTT ，因此，電流環(huán)可按典型I 型 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) 1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT 。 系統(tǒng)的仿真分為三個(gè)步驟，分別是：建模、設(shè)置參數(shù)、仿真及仿真結(jié)果分析。 0nn RRK ? （ 329） nnn CR?? （ 330） on0on 41 CRT ? （ 331） 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 圖 313 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 )(*nsU /? ，再把時(shí)間常數(shù)為 1/ IK 和 n0T 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn 1 TKT ??? （ 321） 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見(jiàn)圖 314），現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由圖 39a可知 111)1(1)1(/)()()(I2IiiIiI*idc l i???????????sKsKTsTs KsTsKsUsIsW? （ 317） 忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為 111)(Icli ?? sKsW （ 318） 近似條件可由式 ),1m in(31c acb?? 求出 iI 31?? TK? （ 319） 式中 ? —— 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。 從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。 1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 1）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 圖 38 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) 在按動(dòng)態(tài) 性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即 E?≈ 0。 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖 37，它與前述的圖 36 不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。 ： 1）概念清楚、易懂； 2）計(jì)算公式簡(jiǎn)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(jiǎn)單的計(jì)算公式； 5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnA S R 1)( ?? ?? ssKsWiiiAC R 1)( ?? ?? 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ： 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與此同時(shí)，由于 ASR 不飽和， *im*i UU? ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知 : dmd II ? 。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值； 2) 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 1. 系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用， 可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程。 ： 是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是 )1)(1()( m2ms ???? sTsTTsTKsWl （ 232） 式中 eCKKK SP ?? 。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流 dI ，可將擾動(dòng)量 dLI 的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖 213a。 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取dblI ? (~) NI 。電流負(fù)反饋起作用后，相當(dāng)于圖中的 AB 段。 限流保護(hù) —— 電流截止負(fù)反饋 直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)?；蛘甙醋顕?yán)重的情況考慮，取 smaxs TT? 。這時(shí)，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是 cds UUK ??? （ 24） 如果不可能 實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到 ? = 2? /3 為止，因?yàn)?? 角再大時(shí)，電流便連續(xù)了。只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。 V M 系統(tǒng)的問(wèn)題： 1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成圖 21 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ V M 系統(tǒng)） 困難。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ΦK IRUn e?? 式中 n —— 轉(zhuǎn)速（ r/min）； U —— 電樞電壓（ V ）； I —— 電樞電流（ A ）； R —— 電樞回路總電阻（ ? ）； Φ —— 勵(lì)磁磁通（ Wb ）； eK —— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。說(shuō)明 了 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理 和轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的性能 ， 詳細(xì)分析了系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程及參數(shù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用 Simulink進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析轉(zhuǎn)速和電流的波形 ，并進(jìn)行調(diào)試，使系統(tǒng)趨于完善，合理 。 關(guān)鍵詞 ：轉(zhuǎn)速環(huán) 電流環(huán) 調(diào)節(jié)器 Simulink Abstract This article describes the design of the DC drive system based on the method of engineering design, and the most monly used speed and current dualloop speed control system design methods are also derived in detail. In this article, the doubleloop DC Speed Control System and the speed of the current performance of the two regulators are illustrated, and a detailed analysis of the system which starts the design process and parameters is also made. In this process, using Simulink of DC Motor Speed Governing System Modeling and Simulation, I make a analysis of speed and current waveforms, and debugging to improve the system tends and make it mor