【正文】 閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采取 PI控制。 進而，我們可得直流電動機的電壓和轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)為： 21/() 1eD m d mCWs T T s T s? ?? （ 314） xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 根據(jù)式 （ 314） 可以看出直流電動機可以近似認為具有兩個 慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。 根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機軸上的運動方程式為 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 fdnJ M Mdt ?? （ 311） 式 中 J電動機軸上 (包括負載折算過來的 ) n電動機轉(zhuǎn)速； M電動機軸的電磁力矩： fM 電動機軸的負載力矩。 位置算法執(zhí)行機構(gòu)被控對象 圖 32 位置式 PID 控制系統(tǒng)原理圖 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 調(diào)速單元 PI參數(shù)的整定 本系統(tǒng)選用的控制對象為 322?Z 直流電動機，基本參數(shù)為： 額定功率為 NP =，額定電壓為 NU =110V，額定電流 NI =46A，額定轉(zhuǎn)速為N =1500rpm，電樞內(nèi)阻為 R=? ，電磁時間常數(shù)為 Td=，電勢常數(shù) eC = 5 / minVWb r? ，機電時間常數(shù) MT =，三相橋式晶閘管整流 器的滯后時間為z? =，放大倍數(shù)為 SK =20，速度反饋系數(shù) ? = min/Vr? ，速度反饋濾波時間常數(shù) ONT 為 ，電流反饋系數(shù)， ? = 直流電動機的數(shù)學(xué)模型 在電力拖動自動控 制系統(tǒng)中，直流電動機通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機轉(zhuǎn)速作為輸出量。將式 (34)代入 (32)，可得離散的 PID 表達式為 ? ?0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT?? ? ? ? ?? （ 35） 或0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]kp I Dju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ 36） 式中 k采樣序號， k = 0， 1， 2 u(k)第 k次采樣時刻的單片機輸出值； e(k)第 k次采樣時刻輸入的偏差值； e(k 1)第 k1次采樣時刻輸入的偏差值； IK 積分系數(shù)， IK = PK T/IT ； DK 微分系數(shù)， DK = PK DT /T； 由 z變換的性質(zhì) 1[ ( 1 )] ( )z e k z E z??? xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 10 ()[ ( )] (1 )kjEzz e j z?? ? ?? 式（ 36）的 z變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 由式（ 37）便可得到數(shù)字 PID控制器的 z傳遞函數(shù)為 11()( ) (1 )( ) 1 IPDKUzG z K K zE z z ??? ? ? ? ?? （ 38） 或者 1 1 211( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]1 P I DG z K z K K zz ???? ? ? ? ?? （ 39） 由于單片機輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機構(gòu)：晶閘 管 u(k)的值和晶閘管的輸出電壓值是一一對應(yīng)的，所以通常稱式 (35)或 (36)為位置式 PID控制算法。 顯然，上述離散化過程中，采樣周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。 由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式 (32)中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。 dk 是微分系數(shù)， TTkk dpd /? . 位置式 PID算法 在單片機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID控制器，數(shù)字 PID控制算 法通常又分為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。為了書寫方便，將 e（ kT）簡化表示為 e（ k），將上式（ 34）、（ 35）、（ 36）、 (37)代入式（ 32）中，可得離散的 PID表達式為 ????????????? ??kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k是采樣序號 k=0、 2...。 將上式離散化為數(shù)字 PID，只要將式中各項分別離散化就可以了，即為： )()( kTutu ? （ 34） xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 )()( kTete ? （ 35） ?? ? ?? ?? kjt kj jeTjTeTte 00 0 )()()( （ 36） T kekeT TkTekTedt tde )1()()()()( ?????? （ 37） 其中， T為采樣周期。 （ 3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 比例積分微分控制對象比例 圖 31 模擬 PID 控制原理框圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31所示。 PID 具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)的物理意義明確，動態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點。 PID 控制器具有簡單 而固定的控制形式，可以在很管得范圍內(nèi)保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來跟隨被控對象的變化，可以減小動態(tài)誤差。 PID 控制式工業(yè)控制過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。系統(tǒng)構(gòu)成后，控制規(guī)律是反映單片機控制系統(tǒng)性能的核心。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖 21所示 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 速度給定觸發(fā)脈沖 驅(qū)動電路晶閘管門極顯示電路輸入口高速輸出口串行口外部中斷引腳轉(zhuǎn)換高速輸入口倍頻電路電流變送器電壓過零比較 放大光電編碼器系統(tǒng)的總體框圖 圖 21 系統(tǒng)的總體框圖 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 3 數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID控制 單片機控制的操作功能包括從控制對象中獲取各種信息，執(zhí)行反映控制規(guī)律 的控制算法，把計算結(jié)果以一定的形式傳送到行機構(gòu)或顯示報警裝置，實現(xiàn)操作人員 控制臺 單片機系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。 與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又 可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。交流側(cè)電流通過電流互感器的作用，經(jīng)采樣， A/D 轉(zhuǎn)換連到單片機。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 （ 2）恢復(fù)時間 vt 從階躍擾動開始，到響應(yīng)曲線到達并不再超出允許誤差帶所需的最短時間間隔段稱為恢復(fù)時間。 （ 2）超調(diào)量 ? 輸出量超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 0nns num??xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 00m a x 100??? ? ?c cc? （ 27） （ 3）調(diào)節(jié)時間 st 響應(yīng)曲線到達并不再超出允許誤差帶所需要的最短時間，允許誤差帶= ?? )2~5100( 000000 穩(wěn)態(tài)值。 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標可分為跟隨性能指標和抗擾性能指標兩種。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有以下關(guān)系。 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 （ 2）靜差率 s 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定負載時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落numn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱為靜差率 s，表示為： （ 23） 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，只有同時提示才 有意義。 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標 調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的性能指標稱為穩(wěn)態(tài) 性能指標，它有調(diào)速范圍 D和靜差率 s兩個指標。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。 本設(shè)計根據(jù)技術(shù)要求和特點選用 VM系統(tǒng) 。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移 動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 dU ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用的快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 （ 1）旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜、體積大、效率低、維護不便。因此，調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，本設(shè)計采用調(diào)壓調(diào)速方式。此法屬于有級調(diào)速，平滑性差，機械特性軟，效率低。此種方法使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)慢，調(diào)速范圍小。調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 直流電動機轉(zhuǎn)速的表達式如下： ??? ?e aC RIUn（ r/min） （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A） 。 調(diào)速方案的選擇 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的效果，因此必須根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運行，取得良好的效果。 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 2 直流調(diào)速 系統(tǒng)理論研究和方案確定 本設(shè)計的主電路供電方案采用晶閘管三相全控橋整流電路，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 現(xiàn)階段，我國在具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字化調(diào)速裝置的研發(fā)水平上還落后于發(fā)達國家，而且進口的控制器價格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國外先進的控制器，具有重大的經(jīng)濟價值和實際意義。由于微機具有較高的性價比，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程和設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標準化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作和維護較為方便，電機運行的動態(tài)性能較高，精度也達到了一定的要求。在數(shù)字化系統(tǒng)中，除具有常規(guī)的調(diào)速功能外，還具有故障報警，診斷及數(shù)據(jù)采集和顯示等功能，同時，數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通信能力和較強的抗干擾能力。電機調(diào)速通常通過給定環(huán)節(jié) ,中間放大環(huán)節(jié) ,校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)等來實