【正文】 優(yōu)點(diǎn)：抗擾性能強(qiáng) 缺點(diǎn)：成本高，存在穩(wěn)定性問(wèn)題 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作穩(wěn)定，因此，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)及擾動(dòng)作用能預(yù)先知道并且系統(tǒng)要求精度不高時(shí)，可以采用開(kāi)環(huán)控制。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 缺點(diǎn)：抗擾性能差 閉環(huán)控制：控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用而且還有無(wú)反向聯(lián)系及輸出對(duì)輸入有影響的控制。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后， ASR 輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它推出了飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。第二階段 ， ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。 仿真結(jié)果分析總結(jié) 從仿真結(jié)果可以看到，啟動(dòng)過(guò)程的第一階段是電流上升階段。 在零初始狀態(tài)和階躍輸入下， PI 調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于圖 412a，從這個(gè)特性可以看出比例積分作用的物理意義。 在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn) PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖411 所示 比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出是由比例和積分兩部分相加而成的， ?? ???? tUUKtUCRURRU d1d1 ininpiin10in01ex ? （ 46） 式中 01Pi RRK ?—— PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)； 01RR?? —— PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。 比例調(diào)節(jié) a） 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 49 比例調(diào)節(jié)開(kāi)環(huán)系統(tǒng) a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 410 比例調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng) 比例積分控制規(guī)律 從無(wú)靜差的角度表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。 2） 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多 和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 lll nnsc0cc ?? 和op0opop nns ?? 按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 op0n = cl0n 時(shí)， Kssl ??1 opc （ 44） 3）如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍 開(kāi)環(huán)時(shí) )1(op Nop snsnD ??? 閉環(huán)時(shí) )1(c Nc snsnDll ??? 再考慮式（ 44），得 opc )1( DKD l ?? (45) 要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器，且 K 足夠大。比較式 (41)和 (42)可得出以下論斷。 反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性 比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜 差率有一定的要求。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 48 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng) n＜ ?*nU 時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為： FZ↑→ n↓→ nU? =( nUn ??* )↑→∣ *iU ∣↑＜ 0→∣ iU? ∣↑→ aU ↑→ dU ↑→ n↑ 最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 1. 開(kāi)環(huán) a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 47 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 由于 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)滿足 0* ???? nUU nn ? ，即 n= ?*nU 。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類(lèi)似的調(diào)節(jié)過(guò)程。 當(dāng) *iU 一定時(shí)，由于電 流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在?*iU 數(shù)值上。 電流環(huán) 以電流調(diào)節(jié)器 ACR 為核心的電流環(huán)工作原理 電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過(guò)電流檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流。 由于 ASR 采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 nU? 為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。直到 dI =dLI 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 eT = LT ，則 nd /td = 0，轉(zhuǎn)速 n才到達(dá)峰值（ t=3t 時(shí)）。 轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。 第 III 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ 2t 以后）。 恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。 與此 同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， d0U 和 cU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 dI 恒定。 第 II 階段恒 流升速階段（ 1t ~2t ）。直到， dI = dmI ， iU = *imU 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 dI 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。突加給定電壓 *nU 后， dI 上升，當(dāng) dI 小于負(fù)載電流 dLI 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個(gè)階段。 圖 41 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b） 電流和轉(zhuǎn)速波形 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 42 無(wú)負(fù)載雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 43 帶負(fù)載雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 起動(dòng)過(guò)程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過(guò)程。所以在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號(hào)與反饋信號(hào)同步，并可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。因?yàn)殡娏鳈z測(cè)信號(hào)中常含有交流成分，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)oiT 按需要而定。 3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %%m ax ??kbCC；而 min/ rC RIneNN ????? ，故? ? % 01 60 %%% *ma x ??????????????????? ?? ?mnNbn TTnnZCC ??能滿足設(shè)計(jì)要求。 2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件 ion TT ?? 2131?。 按跟隨和抗繞性能都較好的原則取 h=5，則 ASR 超前時(shí)間常數(shù)： shT nn ???? ?? ； 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益： 62 1 222 ??????? nN TThhK； 于是 ASR 的比例系數(shù)? ? 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 11 ?????? sKK nNN ??? 1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的 近似條件是否滿足 n T??51?。 由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 sTon ? ； 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) nT? 。 現(xiàn)在 ciois sTT ?????? 131131，滿足近似條件。 現(xiàn)在 cilm sTT ?????? 1313，滿足近似條件。 因?yàn)?cis sT ????? ? 13 1，所以滿足近似條件。 電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ? ssKsWiiiACR ?? 1?? ACR 超前時(shí)間常數(shù)： sTli ??? ； 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因?yàn)橐?%5?i? ，故應(yīng)取 ??iITK ，因此 ?? ??? sTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ??????siIi KRKK ?? 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 sTTT oisi ???? 。三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? ； 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT 。 設(shè)計(jì)要求： ①靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；②動(dòng)態(tài)指標(biāo)： 電流超調(diào)量 %5?i? ，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10?n? 。在建模的時(shí)候，首先要分析系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)的每個(gè)細(xì)節(jié)，從 SIMULINK 模塊箱中找到合適的模塊；然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以將實(shí)際系統(tǒng)中的主電路參數(shù)作為初始值，根據(jù)需要，不斷調(diào)整控制部分的參 數(shù)。在仿真模型的建立過(guò)程中，為了獲得比較好的仿真效果，為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，需要在仿真過(guò)程中不斷調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的效果。圖 315 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對(duì)系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有 利。無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇 5?h 4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí) 現(xiàn) 模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路 圖中 *nU —— 為轉(zhuǎn)速給定電壓， n?? —— 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓， *iU —— 調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。 由此可見(jiàn)， ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ssKsW nnnA S R )1()( ?? ?? （ 322） 式中 nK —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 圖 312 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化 用 電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖 312 中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖 313所示。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 *iU (s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 111)()()(Ic li*id???sKsWsUsI ?? （ 320） 這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在一般情況下，希望電流超調(diào)量 i? 5%， 選 ? =， iI ?TK =，則 iciI 21??? TK ? （ 312） 再利用式（ 323）和式 （ 324)得到 )(22 isisi ?? ?? TTKRTK RTK ll ?? （ 313） 電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式 0ii RRK? （ 314） iii CR?? （ 315） oi0oi 41 CRT ? （ 316） 模擬式電流調(diào)節(jié)器電路 圖中 *iU —— 為電流給定電壓； dI?? —— 為電流負(fù)反饋電壓； cU —— 電力電子變換器的控制電壓 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟： ； ； ； 1. 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函b）開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 圖 318 校正成典型 I 型系統(tǒng)的電流環(huán) 圖 311 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器 數(shù)。 圖 39b 表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 ssKsW iiiA C R )1()( ?? ?? （ 39） 式中 iK —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 a） 最后，由于 sT 和 0iT 一般都比 lT 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 oisi TTT ??? 簡(jiǎn)化的近似條件為 oisci131 TT?? （ 38） 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終 簡(jiǎn)化成圖 317b b） 圖 39 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖 39b 可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。這時(shí)，電流環(huán)如圖 38 所示。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：