【正文】 能好的要求。 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖 25 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 27a 所示。 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇 τi=Tl 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖 26d 所示的典型形式，其中 KI=RKKK i βsi? (211) 3．電 流調(diào)節(jié)器的 參數(shù)計(jì)算 式（ 29）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有： Ki 和 ?i，其 中 ?i 已選定， 剩 下的只有比例系 數(shù) Ki， 可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。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)。 最后，由于 Ts 和 T0i 一般都比 Tl 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 T∑ i = Ts + Toi (210) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖 26c。這時(shí)，電流環(huán)如下圖 26a 所示。 Id LUd 0Un++UiA C R1 / RTl s + 1RTmsU*iUcKsTss + 1Id1Ce+E?T0 is + 11T0 is + 1A S R1T0 ns + 1?T0 ns + 1U*nn電 流 內(nèi) 環(huán) 圖 25 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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： 簡化時(shí)， 忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響 ， 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) ， 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 。 它與前述的圖 24 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 號的濾波環(huán)節(jié)。 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作時(shí)轉(zhuǎn)速第 2 章 直流雙 閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 14 調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步： ,使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度 。這個(gè)作 用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。 4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 2）對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 轉(zhuǎn)速和電流 兩個(gè) 調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的位置不同，系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能也不同。因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)對負(fù)載擾動(dòng)的抗擾性能。 2. 動(dòng)態(tài)抗擾性能 (1)抗負(fù)載擾動(dòng)性能。 第 2 章 直流雙 閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 12 直流 雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型和 動(dòng)態(tài) 性能 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)就是 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)， ASR 和 ACR 的傳遞函數(shù)分別為： WASR= Knssnn 1?? ? (28) WACR=Kissii 1?? ? (29) 結(jié)合單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 況 圖， 可得雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 框圖，如 圖 24 所示。很明顯，比例調(diào)節(jié)器的輸出量總是由輸入量決定；而比例積分調(diào)節(jié)器與比例調(diào)節(jié)器不同，它的輸出與輸入無關(guān)，而是由它后面所接的環(huán)節(jié)決定。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的 開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，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。 這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)， 11 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 式（ 22）所描述的靜特性是上圖中的 AB 段，它是垂直的特性。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。 與此同時(shí)，由于 ASR 不飽和， Ui* Uim*，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知 Id Idm。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí) ， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 ，一般存在兩種狀況：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。 ASR 輸出限幅值為 Uim*，它決定了主環(huán)中的最大允許電流 Idm。圖中， ASR 和 ACR 均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出均設(shè)有限幅電路。 GT 和 V 是晶閘管觸發(fā)器和整流裝置，控制晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時(shí)，把它們當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來看。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 ~T GnA S RA C RU*n+UnUiU*i+UcT AM+UdIdU P ELMT G+A C RA C RIn 圖 21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖中 ，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢 ？ 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(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。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減少下來，使起動(dòng)過程變慢，起動(dòng)時(shí)間增長。 第 2 章 直流雙 閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 8 第 2 章 直流 雙 閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 和調(diào)節(jié)器 的設(shè)計(jì) 方法 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及 其靜特性 采用 PI 控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動(dòng)的最大電流。除此之外，模糊控制又進(jìn)一步提高了調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性， 對于我們解決直流電動(dòng)機(jī)雙閉 環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)（甚至是交流調(diào)速系統(tǒng)）的控制策略有重要的借鑒意義。因此被控制對象的參數(shù)變化與非線性特性 ,使得 PID 控制器的參數(shù)往往難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài) ,而且參數(shù)的一成不 變也 難以跟隨現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)變化。 傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的帶限幅的PID 調(diào)節(jié)控制器 ,在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場 ,由于各種因素 ,如控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與實(shí)際有偏差 ,又由于 電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù) (如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ) 并不如模型那樣一成不變 ,在某些應(yīng)用場合會(huì)隨工況而變化 。在工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際直流調(diào)速系統(tǒng)中 ,應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)較為成熟的是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)。 對調(diào)速系統(tǒng)來說，動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而 隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性為主。 a)動(dòng)態(tài)降落△ Cmax 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾動(dòng)量，在過度中引起的輸出量最大降落值△ Cmax做動(dòng)態(tài)降落， 調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)速降 △ nmax。顯然，調(diào)節(jié)時(shí)間既反映了系統(tǒng)的快速性，也包含著它 的穩(wěn)定性。5%（或取 177。 理論上，線性系統(tǒng)的輸出過渡過程要到 t=∞才穩(wěn)定，但實(shí)際上由于存在各種非線性因素，過渡過程到一定時(shí)間就終止了。超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定性越好。 b)超調(diào)量 ?與峰值時(shí)間 tp 在階躍響應(yīng)過程中，超過 tr 以后，輸出量有可能 繼續(xù)升高，到峰值時(shí)間 tp時(shí)達(dá)到最大值 Cmax，然后回落。 2 % ) C∞ 圖 11 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo) a)上升時(shí)間 tr 圖 11 繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的 C∞是輸出量的穩(wěn)態(tài)值。 (1)跟隨性能指標(biāo) 5 C∞C ( t )Otrtstp( Cm a x C∞)Cm a xt177。 生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， ?nN值是一定的 ， 由式 (17)可見，如果對靜差率的要求越嚴(yán)， 即 要求 s 值 越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 （ 3） 變 壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間的關(guān)系。 如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更滿足要求了。 并且，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。 (2)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 ?nN，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0之比，稱作靜差率 s 用百分函數(shù)表 示為 : s =0Nnn? 100% (13) 第 1 章 緒論 4 顯然，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。 一般情況下，調(diào)速和穩(wěn)速在各種場合下都能碰到，我們給出調(diào)速 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。 (2)穩(wěn)速 —— 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下不允許有較大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 (3)改變電樞 回 路電阻 R， 在電動(dòng)機(jī)電 樞 外串 聯(lián) 電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低。 3 由 (11)式可知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法有三種 : (1)調(diào)節(jié)電樞電壓 U，改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng) 。 (3)提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷及其自動(dòng)復(fù)原等多種功能。 目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢主要有 以下幾個(gè)方面： (1)提高調(diào)速系統(tǒng)的單機(jī)容量。在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。由于它具有體積小 、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn) :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。 自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī) —— 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減 速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于 調(diào)速范圍廣，靜差率小，穩(wěn)定性好，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。對可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。s daily life as the main mechanicelectronic energy conversion device. PID control is often adopted in the digital control system of motor. Although it is simply constructed, it is not the best to get better control performance only by regulating parameters, such as to overe larger disturbance to improve dynamic quality. The paper is based on the analysis of the intelligent control, elaborating the present development condition of the PID control and the fuzzy control and the principle of the fuzzy control. Taking the fuzzy PID control as the research object, this paper presents a fuzzy PID controller for double closed loop DC speed regulating system. Compared with t