【正文】 器積分時(shí)間常數(shù) : τI =Tl = 電流開環(huán)增益 : 要求 σi%≤5%, 應(yīng)取 KIT∑i= 因此 KI = ∑i=（ 1/s） 電流反饋系數(shù) β V / A )(05 10* ?????? nomimdmimd i IUIUIU ?? (23) 于是， ACR 的比例系數(shù) : 0 0 1 8 0 0 1 7 ?? ???? KRKK siIi ?? (24) 、 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用運(yùn)放取 R0 =40k(Ω ),則 Ri = KiR0 = (Ω ) (25) Ci =τ i /Ri= (26) Coi =4Toi /R0 =4*(40*103)= F (27) 在工程實(shí)際中 Ri取 5kΩ . 、 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)的截止頻率 ωci =KI = 21 、 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件 ωci ≤1/3Ts 現(xiàn)在 ， 1/3TS=1/3*=ωci ，滿足近似條件。 本設(shè)計(jì) 因?yàn)? δi% ≥5%且 TL/T∑I =10。一般情況下 ,當(dāng)控制對象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比 TL/T∑I ≥10 時(shí) ,典 Ⅰ 系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā) ,應(yīng)該把電流環(huán)校正成典 Ⅰ 系統(tǒng)。最后， Ts 和 Toi 一般比 Tl 小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取T∑i=Ts+Toi[6]。這樣，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋?zhàn)饔脭嚅_，從而得到忽 略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。實(shí)際系統(tǒng)中的電磁時(shí)間常數(shù) TL 一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢 E 的變化快得多。 、 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 、 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡 化 設(shè)計(jì)電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔谩? 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算以下就可以了。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分為兩步： 第一步，先選擇調(diào) 節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。 、 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器必須同時(shí)解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求 [8]。所以實(shí)際的電路需增加電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，見圖 16: 圖 16 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 16 第二 章、 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 、 設(shè)計(jì)要求 本 論文首先應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計(jì)方法 ,設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ,然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法 , 設(shè)計(jì)此調(diào)速系統(tǒng)。同樣，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)由 Ton 表示。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù) Toi 的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù) Toi 按需要給定。 額定電壓 : Urn ≥ KVTUUb/ = （ V） 取 Urn = 400V 實(shí)際選用 RSO100A/400V 6 只 、 平波電抗器的參數(shù)計(jì)算 、 限制電流脈動的電感量 Lm Lm= (Udm/U2)*103*U2 / 2πfbSiId = 15 mH 13 、 使電流連續(xù)的電感量 Lcr Lcr = KcrU2/Idmin = *113/ Id*8% = 8mH 、 電動機(jī)電樞電感 LD和變壓器電感 LB LD=*UN*103/2PIN*nN = LB = 、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元 見附圖一 、 過流保護(hù)器 (GL)、電流變送器 (LB) 見 附圖一 、 電流調(diào)節(jié)器 (ACR) 見附圖一 、 零速封鎖器 (LSF) 見附圖一 、 給定器 (GD) 見 附圖一 、 轉(zhuǎn)速變送器 (SB) 見 附圖一 、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 (ASR) 見附圖一 14 、 鋸齒波觸發(fā)器 (CF) 見附圖一 、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在對調(diào)節(jié)器具體設(shè)計(jì)之前，為了從整體理解整個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，這里先給出了各調(diào)節(jié)器和變送器的傳遞函數(shù)。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián) RC 阻容吸收電路。F UC 2UD = 2*220 = 440(V) 取 UC = 630(V) B. 電阻 R 的參數(shù) : R = UD(KV1) / KIID =220*(21)/* = 28(Ω) 12 取 R = 30Ω PR ≥ PD/800 = *103/800 = (W) 取 PR = 10W 所以 選定 CD = 4181。=(A) （ 2）直流側(cè)過壓保護(hù) : 利用電 阻 和電容吸收操作過壓 A. 電容 C 的參數(shù) : C = 2LBKL2ID2 /[(KV21)UD2] = 2**103**[(221)*2202] = (181。 、 整流變壓器的計(jì)算 、 整流變壓器的次級相電壓的有效值 U2 )( c o s22m inm a x2NkVTddIICuAUnRIUU???????=113V 、 變壓器的額定參數(shù) 變壓器接成 Δ/ Y 形，可以得到零線，同時(shí)濾除三次諧波。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計(jì)算過程。 、 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函 用單位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 Ud0=KsUct1(tTs) 按拉氏變換的位移定理 ,則傳遞函數(shù)為 ssctd Tess sKUU ??)( )(0 (15) 考慮到 Ts 很小 ,忽略其高次項(xiàng) ,則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) 1)( )(0 ?? sss T KUU s sctd (16) 式 中 Ks=ctdUU?? —觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)； Ts=qf21 —觸發(fā)和整流裝置的平均失控時(shí)間。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點(diǎn)變化的，則從 Vct 發(fā)生變化到 Vd0 發(fā)生變化之間的時(shí)間 Ts 便是失控時(shí)間。假設(shè)在t1 時(shí)刻某一對晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為 а1；如果控制電壓 Vct 在 t2 時(shí)刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通， Vct 的改變對它已不起作用，平均整流電壓 Vdo1 并不會立即產(chǎn)生反應(yīng)，必須等到 t3 時(shí)刻該組件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對晶閘管。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。 整理后得 )(0 dtIdTIU dlRE dd ??? dtdERTII mdld ??? 式中 IdL=TL/Cm— 負(fù)載額定電流 . 8 在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 11)()()(0 ??? sRsEss TUIldd (13) 電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 sRss sE TII mdld ?? )()( )( (14) 由以上 傳遞函數(shù)，可以得到額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖14 所示： Ud 0( s )1/1 ?sT RlIdId l( s ) sTRmn ( s )Ce1E ( s )+ + 圖 14 額定勵磁下直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由上圖可以看出，直流電動機(jī)有兩個(gè)輸入量。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常 [7]。 、 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為 1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： 1）使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 Um*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差； 2）對付在變化起抗擾作用； 3）其輸出限幅決定允許的最大電流。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 △U n 為負(fù)值，才能使 ASR退出飽和。這個(gè)階段屬于電流受限制的條件下的最短時(shí)間控制，或稱時(shí)間最優(yōu)控制。 準(zhǔn)時(shí)間控制：啟動過程中主要階段實(shí)第 II 階段，即恒流升速階段。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng) ASR 不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng) 是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。 6 圖 13 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個(gè)特點(diǎn)： 飽和非線性控制：隨著 ASR 的飽和和不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩個(gè)狀態(tài)。帶 PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是起動過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個(gè)階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓是 Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓是 Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面， 叫做外環(huán)。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后 ,希望只有轉(zhuǎn)速反饋 ,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用 ,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。這是在最大電流 (轉(zhuǎn)矩 )受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時(shí)的電流和 轉(zhuǎn)速波形如圖 11a 所示 。 在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng) 中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下 ,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個(gè)矛盾。具體的 跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)： 上升時(shí)間 rt ，超調(diào)量 ? ，調(diào)節(jié)時(shí)間 st . 、 抗擾性能指標(biāo) 此項(xiàng)指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項(xiàng)組成：動態(tài)降落 %maxC? ，恢復(fù)時(shí)間 vt 。 、 調(diào)速范圍 D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即 minmaxnnD? （ 11） 、 靜差率 s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即 3 %1000 ??? nns nom （ 12） 靜差率是 用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。深刻理解這些指標(biāo)的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想 后面的設(shè)計(jì)思路。 II 目錄 摘要 .................................................................................................................... I 目錄 ................................................................................................................... II 第一章、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 .......................................... 1 、數(shù)學(xué)模 型的參數(shù)給定 ........................................................................ 1 、電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù) TL ................................................. 1 、電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm ........................................... 1 、觸發(fā)和整流裝置 的放大倍數(shù) KS ........................