【正文】 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) ” 。 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) ” 。 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)。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1） 結(jié)構(gòu)框圖的化簡 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 。 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) 。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。 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 。 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)。綜合各指標(biāo)， h=5 動(dòng)態(tài)性能比較適中 [18]。 20 表 Ⅰ 型系統(tǒng)參數(shù) 與 動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)的關(guān)系 221 TTTTm ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm/ Ttv/ 由上表可知，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，回復(fù)時(shí)間延長。 Ⅰ 型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，選參數(shù)時(shí)只需保證中頻帶的寬度足夠 大，系統(tǒng)就會(huì)是穩(wěn)定的，而且還能夠保證達(dá)到所需的穩(wěn)定裕度。 18 4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的靜差分析 典型系統(tǒng) 通常 情況下，控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可用下式表示 ： ??????? njjrmiissTssKW11)()1()1(? （ ） 其中，分母中的 rs 表示系統(tǒng)在 s=0 處存在 r 重極點(diǎn)， 抑 或說，系統(tǒng)包 含 r 個(gè)積分的環(huán)節(jié)，叫做 r 型系統(tǒng)。其特性如圖 所示。 運(yùn)用數(shù)學(xué)方法 ，得電動(dòng)勢(shì) 和 電流 二者 之間的傳遞函數(shù) sTRsIsI E mdld ?? )()( )s( （ ） 把 0dU 作為輸入量。其方法是根據(jù)該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程，建立該方塊的傳遞函數(shù)， 然后 將系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)分別用方塊圖表示，再按照系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系將各方塊圖連接起來，最后得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 （ 2） 抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo) 控制系統(tǒng) 中，我們的設(shè)計(jì)不可能時(shí)時(shí)刻刻都在理想的條件下工作，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也不可能應(yīng)用在我們的生活中，那么，在不理想情況下控制系統(tǒng)能正常工作是我 們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)必須做到的，它將作為我們工作成敗的標(biāo)志，只有在各種干擾下能穩(wěn)定安全的運(yùn)行，系統(tǒng)才算真正合格，而度量這種性能的指標(biāo)就是我們要講的抗擾性能指標(biāo)。不過， 在 現(xiàn)實(shí)過程 中， 同時(shí)也有很多其它 因素 12 的 出現(xiàn) ，過渡 時(shí)間達(dá)到一定的量后就基本上停 止了。在 智能 化 及近似智能化的 系統(tǒng)中， 我們認(rèn)為 動(dòng) 態(tài) 指標(biāo) 就 是 兩種比較突出明顯的參數(shù)系數(shù)，我們會(huì)一一作對(duì)它們做介紹。也就 是說這沒能在穩(wěn)定靜差率的同時(shí)增加調(diào)速范圍。因此，這樣的調(diào)速 控制只能歸總到有 靜差 之 調(diào)速系統(tǒng)，簡稱有差調(diào)速系統(tǒng)。 由式（ ）知，要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的三種方法： 1）調(diào)節(jié)電樞電壓 2）減弱 勵(lì)磁磁通 3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻 其中，對(duì)于要求在某一給定范圍上做線性調(diào)速的系統(tǒng)來說，以電樞電壓改變的方式最佳，用電阻和減弱磁通的方式一般只作輔助調(diào)速，因此，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制以改變電壓調(diào)速這一形式為主，數(shù)學(xué)表達(dá)式為： csd UKU ? （ ）由上討論知，對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)際上是對(duì)電樞電壓的調(diào)節(jié)，此處再說明一次。當(dāng)然它也會(huì)帶來相應(yīng)的問題，因?yàn)槲覀兿Ｍ谄饎?dòng)過程中只有電流負(fù)反饋而沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋而沒有電流反饋 [14]。 所以，具體 原理圖如 圖： U P E MT G0R0R0R0 iRnRnC iU*iU*nU TAdUASRA C RcU 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 常用的直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有三種： ① 接入變阻器起動(dòng)； ② 降壓起動(dòng)； ③直接起動(dòng) [12]。后面就是我們熟知的環(huán)節(jié)了，將比對(duì)結(jié)果引入 放大環(huán)節(jié) 以得到我們想要的用來 控制 電流環(huán)的 電壓 。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出作為電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸入，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器 UPE。 由式上式不難理解針對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)整所能采取的三種措施為： 1）調(diào)節(jié)電樞電壓 2）減弱勵(lì)磁磁通 3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻 很明顯，對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式最好，減弱磁通能夠平滑調(diào)速卻受調(diào)速范圍限制，一般只作輔助調(diào)速，而用電阻調(diào)速只能做到有級(jí)調(diào)速，因此，直流調(diào)速以變壓調(diào)速為主，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式為： csd UKU? （ ） 由上討論知，對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)際上是對(duì)電樞電壓的調(diào)節(jié)，這就是之后雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一。 5 2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 我們所說的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通常是指的轉(zhuǎn)束、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以下簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)均是此意，特作說明。 2）在基本原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)學(xué)模型著手穩(wěn)定性分析。 矩陣是 MATLAB 的 最基本數(shù)據(jù)單 元 ，它 使得 MATLAB 的指令 表達(dá) 方 式 與 數(shù)學(xué) 、 物理運(yùn)用 工程中 經(jīng)常運(yùn)用到 的 方 式十分 類 似， 因可此 用 MATLAB 來 計(jì) 算問題 會(huì) 比用 其它各類類似功能的 語言 來得 簡 便快 捷得多，并且 MATLAB 同時(shí) 也吸收了 其它眾多的 軟件的優(yōu)點(diǎn)，使 之 成為一個(gè)強(qiáng)大的 數(shù)學(xué) 運(yùn)用 軟件 。它將 線性計(jì)算 、 理論數(shù)據(jù)視圖化、 數(shù) 據(jù) 分析 、 不規(guī)則動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 的 理想 建模 和仿真以及 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)模擬 等 一大批 強(qiáng)大功能 塊 集成 于 一個(gè) 容易 使用的 可 視窗 口 環(huán)境中，為 理論 研究、 項(xiàng)目 設(shè)計(jì)以及 有大量數(shù)據(jù)計(jì)算并 須 要得到 有效 數(shù)值 的 各 科 研 領(lǐng)域 提供了一種全 新 的 、合理的、滿足要求的實(shí)行 方案，并 大范圍的刪除 了 對(duì)習(xí)慣上的各種 非交互式 的 程序設(shè)計(jì) 方 法 （ 譬 如 Fortran、 C） 中所必須 的 各種 編輯模式 的依賴 ， 它是當(dāng)今國際 高科技 計(jì)算軟件 的龍頭工具 。而在生活實(shí)際中，電流是不可能突變的，為了能在允許的電流下最快起、制動(dòng)，關(guān)鍵在于如何得到一段保持最大電流的恒電流過程。 利用直流調(diào)速控制電機(jī)，既能夠節(jié)約能耗，也能夠使電機(jī)輸出達(dá)到需要的結(jié)果，從而提高電機(jī)效率。 而 對(duì) 于 調(diào)速性能有 很 高要求的 調(diào)速系統(tǒng) 常常是利用直流電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，在系統(tǒng)中 則 可利用 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來 增加 穩(wěn)態(tài)精度，但是 采用 比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)際上 仍存在 著靜差，為消除靜差， 必須另有措施，解決辦法之一就是利 用比例積分調(diào)節(jié)器 取代比例調(diào)節(jié)器 [8]。而我們?cè)?引入電流負(fù)反饋 環(huán)節(jié)時(shí)，它本身也能夠 在一定程 度上 保持電流不變，使它不 跨越 允許值。 因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高 了 系統(tǒng) 的 抗 干 擾性 能 ，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 [7]。 由微處理器來實(shí)現(xiàn)，可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量或模擬量 [5]。 在國外，科技整體起步和發(fā)展都要比我國早很多，有的技術(shù)方面甚至超過了同百年或者好幾代，在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方面也一樣，國外電機(jī)出現(xiàn)就比我國早一百多年，其控制更長。 一般地， PWM協(xié)同 橋式驅(qū)動(dòng)電路 以 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速， 十分方便并且 簡單， 更為重要的一點(diǎn)是它的 調(diào)速 區(qū)間也很長 。 這直接導(dǎo)致 電能變換和控制 成為現(xiàn)實(shí) ， 促使 現(xiàn) 今 各種節(jié)能 的、 高效的新型電源和 電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)裝置 的問世 [2]， 在 工業(yè)生產(chǎn) 、 交通運(yùn)輸 甚至 家庭自動(dòng)化提供了 可靠 的 、先進(jìn)的 技術(shù)， 改善 了生產(chǎn)效率 ，提高了 人們的生活質(zhì)量，使 得 社會(huì)生產(chǎn)、生活 方式 發(fā)生了 質(zhì) 的變化， 伴 隨著新型 高性能 電力電子器件的 深入 研究和全面 開發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的 完善 ，電力電子 以及 電力拖動(dòng)控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化帶來的影響 在不斷的增加，并且會(huì) 越來越大 [2]。為突出該系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)，將會(huì)對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與其它調(diào)速系統(tǒng)（開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）進(jìn)行比較。在雙 閉環(huán)系統(tǒng)中， 習(xí)慣采用電流、 轉(zhuǎn)速閉環(huán) 控制 。而其中直流電機(jī) 更是憑借它快速的反應(yīng)度 、精 準(zhǔn)的調(diào)速性能 、 極低的功耗和 寬 闊的 調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn) 在整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)中獨(dú)占鰲頭 。 在直流電動(dòng)機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)中，開環(huán)性能指標(biāo)差，為此有必要對(duì)這些性能進(jìn)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)。 采用雙閉控制調(diào)速系統(tǒng)可以做到無差調(diào)節(jié)，且性能優(yōu)越，尤其在很多高精尖技術(shù)中運(yùn)用廣范，這使得對(duì)它的研究具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞 : 穩(wěn)態(tài)性能，直流電機(jī)， 雙 閉環(huán)，靜差， MATLAB II ABSTRACT Along with the rapid development of science and technology, related to motor control technology development is also advancing with The Times, the motor application in many fields in real life, it also plays an indispensable role. And the DC motor is relying on its quick response and accurate performance of speed and low power consumption and wide speed range, etc in the speed regulation control system. In a DC motor speed regulation system, open loop performance is poor, therefore it is necessary to be revised to improve the performance of these, after a lot of research and practice has proved, can adopt the closed loop speed regulation system. For speed control performance requirements in