【正文】 上述結(jié)果是在假定條件下得到的，現(xiàn)將用過的假定條件歸納如下，以便具體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。 如圖46所示,為電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。再從動(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)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要因素。 由于比小的多，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 （412）電流環(huán)簡化的近似條件為 （413） 2．電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1．電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 在圖44中，在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢是一個(gè)變化較慢的的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變，即 。但設(shè)計(jì)方法一樣。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)節(jié)看作是三環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，最后是位置調(diào)節(jié)器。 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖45 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用如前所述的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。 未加入調(diào)節(jié)器的三環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析未經(jīng)過動(dòng)態(tài)校正的系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)分別為位置環(huán)傳遞函數(shù)為 =晶閘管傳遞函數(shù)為 =電機(jī)電樞傳遞函數(shù)為位置對象的傳遞函數(shù)為 =不考慮干擾輸入量，整個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)等效為單位線性反饋系統(tǒng)，所以等效的傳遞函數(shù)為所以，特征方程為 利用勞思穩(wěn)定判據(jù) 1 0 0 0 0 0 由勞思表可知，第一列有兩次符號(hào)變化，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定，特征值有兩個(gè)正實(shí)部。圖4b）為兩部分等效的傳遞函數(shù)框圖。通過計(jì)算系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性能方面符合設(shè)計(jì)要求。所以，對于本次研究的階躍響應(yīng)來說，顯然鎖相位置隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。如圖43所示，為該系統(tǒng)計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由以前分析可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為檢測誤差、給定誤差和擾動(dòng)誤差的總和，按I型系統(tǒng)計(jì)算。自整角機(jī)的放大系數(shù)，自整角機(jī)的本身檢測誤差。以下是給定的調(diào)整好參數(shù)的的電流調(diào)節(jié)器ACR、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR、位置調(diào)節(jié)器AWR的傳遞函數(shù)分別為： =， =， = ， 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算已知直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z242，銘牌參數(shù)。在下一節(jié)中會(huì)按工程法設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。晶閘管電機(jī)主回路總電阻：。圖42 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖41所示ACR是電流調(diào)節(jié)器，ASR是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AWR是位置調(diào)節(jié)器，其中，、是位置環(huán)節(jié)的放大系數(shù)與時(shí)間常數(shù)，=，=。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié) （410）三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)功率大，采用低轉(zhuǎn)速的直流伺服電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)取消減速器。傳遞函數(shù)為 （47）8．伺服電機(jī)（SM）基于本次設(shè)計(jì)的大功率隨動(dòng)系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機(jī)，即直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z242，銘牌參數(shù)。傳遞函數(shù)為 （45）6．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型I型系統(tǒng)，選用PI調(diào)節(jié)器。它的工作原理是正向運(yùn)行時(shí)，第1階段，在 0 t 期間，、為正，、導(dǎo)通，、為負(fù)，、截止，電流沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= +Us；第2階段，在tT期間，、為負(fù)，、截止，、續(xù)流，并鉗位使、保持截止，電流沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= –Us；反向運(yùn)行時(shí)，第1階段，在 0 t期間，、為負(fù)，、截止，、續(xù)流，并鉗位使、截止，電流沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= +Us；第2階段，在t T 期間，、為正，、導(dǎo)通，、為負(fù)，使、保持截止，電流沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= – Us。 PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在本次大功率隨動(dòng)系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，因?yàn)槭谴蠊β氏到y(tǒng)變換器采用可關(guān)斷晶閘管。4．電力電子變換器（UPE） 起功率放大作用，而且是可逆的。放大系數(shù)，函數(shù)關(guān)系。它的作用是發(fā)出控制信號(hào)，由于可正可負(fù)。使用時(shí)，將兩臺(tái)自整角機(jī)的定子繞組出線端用三根導(dǎo)線連接起來，發(fā)送機(jī)BST轉(zhuǎn)子繞組接單相交流勵(lì)磁電源，而接收機(jī)BSR轉(zhuǎn)子繞組輸出是反映角位移的電壓信號(hào)為 （42）式中——自整角接受機(jī)輸出正弦電壓的最大值； ——發(fā)送機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角； ——接受機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角。自整角機(jī)還包括相敏整流器URP，可以把它當(dāng)作自整角機(jī)的一部分，相當(dāng)于一個(gè)電壓放大器，并反映的極性，放大系數(shù)2，當(dāng)然它在數(shù)學(xué)模型中也不會(huì)出現(xiàn)。自整角機(jī)本身的檢測誤差。BST為自整角發(fā)送機(jī)，BSR為自整角接收機(jī)。這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。先看單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。對功率較大的負(fù)載，力矩式自整角機(jī)帶動(dòng)不了，可采用控制式自整角機(jī)，將自整角接收機(jī)接成變壓器狀態(tài)，其輸出電壓通過中間放大環(huán)節(jié)帶動(dòng)負(fù)載，組成自整角機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)。按用途不同，自整角機(jī)可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩類。自整角機(jī)是角位移傳感器，在隨動(dòng)系統(tǒng)中總是成對應(yīng)用的?；陔姶鸥袘?yīng)原理的位置傳感器有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，是應(yīng)用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都比較高。校正后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （325）第四章 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立和參數(shù)計(jì)算 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成及其數(shù)學(xué)模型的建立 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成 系統(tǒng)可分為以下八個(gè)部分：1．位置環(huán)我們只分析它的數(shù)學(xué)模型，不會(huì)把它作具體介紹。積分雙慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （323）PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 （324）在和大小很相近時(shí) 如圖310所示為積分雙慣性環(huán)節(jié)校正后的結(jié)構(gòu)框圖。雙閉環(huán)系統(tǒng)是典型I型系統(tǒng)，跟隨性能好，但是快速響應(yīng)差，而好采用典型II型系統(tǒng)的PID校正后正好彌補(bǔ)了這方面的不足。三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的位置對象正好是一個(gè)一階積分環(huán)節(jié)，位置環(huán)的被控對象就是積分雙慣性環(huán)節(jié)。而三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的電流環(huán)的控制對象就是雙慣性環(huán)節(jié)，而電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)里，通過PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正可等效為一階慣性環(huán)節(jié)，而轉(zhuǎn)速環(huán)在位置環(huán)里通過PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正可等效為雙慣性環(huán)節(jié)。就三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)而言，內(nèi)環(huán)電流環(huán)要設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，跟隨性能好，轉(zhuǎn)速環(huán)也要設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，因?yàn)橥饷孢€有位置環(huán)，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。I型和II型系統(tǒng)的名稱本身就說明了它們在穩(wěn)態(tài)精度上的區(qū)別。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。把典型II型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來看，應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。但是，當(dāng)時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，越小，恢復(fù)時(shí)間反而拖長了。在計(jì)算中，為了使各項(xiàng)指標(biāo)都在合理的范圍之內(nèi)，取輸出量基準(zhǔn)值為 表37 典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系345678910%%%%%%%%由表中數(shù)據(jù)可見，一般來說，值越小，也越小，和都短，因而抗擾性能越好。調(diào)節(jié)器仍用PI調(diào)節(jié)器。表36 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)345678910%%%%%%%322111112．典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系如前所述，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)是因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)而異的。表35 典型II型系統(tǒng)在不同的典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差002）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，采用數(shù)字仿真的結(jié)果列于表36中。 表34 不同h值的值和對應(yīng)的最佳頻比3456789102確定了和之后，可以很容易地計(jì)算和由的定義可知 （321）可得 （322） 是工程法中計(jì)算典型II型系統(tǒng)的參數(shù)公式。為此采用“震蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可找到和兩個(gè)參數(shù)的一種最佳配合。由于值一定，改變了就相當(dāng)于改變了中頻寬；在值確定以后，再改變相當(dāng)于使特性上下平移，從而改變了截止頻率。為了分析方便引入一個(gè)新的變量，令 如圖38所示，是斜率為的中頻段的寬度。計(jì)算結(jié)果列于表33中，其中的性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系是針對圖37所示的特定結(jié)構(gòu)和這一特定值選擇的。為了使和的數(shù)值都在合理的范圍之內(nèi)，將基準(zhǔn)值取為 （320） a)b)圖36 擾動(dòng)作用下的典型I型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 a) 擾動(dòng)作用下典型I型系統(tǒng) b)等效結(jié)構(gòu)圖 分析各種類型的擾動(dòng)作用點(diǎn)下的動(dòng)態(tài)過程，針對常用的調(diào)速系統(tǒng)，選擇如圖37所示的這種結(jié)構(gòu)的等效框圖，掌握了這種分析方法后，遇到其它的結(jié)構(gòu)時(shí)也仿此處理。僅靠典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)并不能像分析跟隨性能那樣唯一地決定抗擾性能指標(biāo)，擾動(dòng)作用點(diǎn)的位置也是一個(gè)重要因素，某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)，這增加了分析抗擾性能的復(fù)雜性。顯然，圖中虛框部分就是閉環(huán)的典型I型系統(tǒng)。表32 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系阻尼比超調(diào)量0%%%%%上升時(shí)間峰值時(shí)間相角穩(wěn)定裕截止頻率2 典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖36a）所示的在擾動(dòng)量的作用下的典型I型系統(tǒng)，其中，是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù)，后面部分是，于是 （318）只討論抗擾性能時(shí)，可令輸入變量，這時(shí)輸出變量可寫成。上述折中的，的參數(shù)關(guān)系就是西門子“最佳整定”方法中的“模最佳整定系統(tǒng)”，或稱“二階最佳系統(tǒng)”。具體選擇參數(shù)時(shí)，如果工藝上主要要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可取，把值選大一些；如果主要要求超調(diào)小，可取，把選小一些；如果要求無超調(diào)，則取，；無特殊要求時(shí)，可取折中值，即，此時(shí)略有超調(diào)。由于過阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即，前已指出，在典型I型系統(tǒng)中，代入式（39）得，因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取 （311）下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式超調(diào)量 （312）上升時(shí)間 （313）峰值時(shí)間 （314）調(diào)節(jié)時(shí)間與的關(guān)系比較復(fù)雜，如果不需要很精確，允許的誤差帶為的調(diào)節(jié)時(shí)間可用下式近似計(jì)算 （當(dāng) 時(shí)） （315） 頻域指標(biāo)和與參數(shù)的關(guān)系如下，