【正文】 (44) 4． 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 45 所示。 (33) 圖 43 校正成典型Ⅰ性系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖 44 繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。其傳遞函數(shù)可以寫成 ssKSW iiiA C R ?? )1()( ?? (41) 式中 Ki —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程 中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型Ⅰ型系統(tǒng)。則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化為圖 42。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成 )(* sUi /? ，則 電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1． 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù) lT 遠小于機電時間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中 ,可認為反電動勢基本不變，即 0??E 。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含換向紋波，因此也需要濾波，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入濾波環(huán)節(jié)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個遲延作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 圖 41 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此圖有濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 23 第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計 雙閉 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 首先我們看一下轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 41 所示。工業(yè)機器人和數(shù)控機床用的位置隨動系統(tǒng)需要很強的跟隨性能，而大型天線的隨動系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對抗擾性能也有一定的要求。 實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標的 要求各有不同。如果允許的動態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值 2?C 作為基準值。調(diào)速系 統(tǒng)突加額定負載擾動時轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降 maxn? ； 2） 恢復時間 vt 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?C之差進入某基準值的 bC 的 %5? （或取 %2? ）范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復時間 vt ，見圖 38。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 2?C ，（ 21 ?? ?CC ）是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。 圖 38 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標 1） 動態(tài)降落 maxC? 系 統(tǒng)運行時，突加一個約定的標準負擾 動 量，所引起的輸出量最大 降 落值 maxC? 稱作動態(tài)降落。 2． 抗擾性能指標 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行中，突加一個使輸出量降低的擾動量 F 后，輸出量由降低到恢復的 過渡 過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖 38所示 。為了在線性系統(tǒng)階躍響應曲線上表示調(diào)節(jié)時間，認定穩(wěn)態(tài)值上下 %5? 的范圍為允許誤差帶，將輸出量達到并不再超出該誤差帶所需的時間定義為調(diào)節(jié)時間。 3） 調(diào)節(jié)時間 st 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量輸出量整個調(diào)節(jié)過程的快慢。 maxC 超過穩(wěn)態(tài)值 ?C 的百分數(shù)叫做超調(diào)量，即 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 21 %100m a x ?????C CC? (34) 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。在跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到 ?C 所經(jīng)過的時間稱作上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。當給定信號變化方式不同時，輸出響應也不一樣。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。 然而，階數(shù)上是三階或二階只是表面現(xiàn)象，因為經(jīng)過降階處理后，高階系統(tǒng)可以近似地降為低階，而 I型和 II型以及由此表明的 在 穩(wěn)態(tài)精度上的差異才是這兩類系統(tǒng)本質(zhì)上的區(qū)別，所以采用現(xiàn)在的命名更妥當。線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定，要實現(xiàn)圖36 b） 中的特性，顯然應保證 11c T?? ?? 或 T?? 而相角裕度為 Tar c t gar c t gTar c t gar c t gr cccc ?????? ?????? 00 180180 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 20 ? 比 T 大得多，則系統(tǒng) 的穩(wěn)定裕度越大。由于分母中2s 的相頻特性是 180176。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開環(huán)對數(shù)頻率特性 圖 35 典型Ⅰ型系統(tǒng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 19 2．典型 II型系統(tǒng) 在各種 II型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型 II型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 2 ( 1)() ( 1)KsWs s Ts? ?? ? (33) 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如 圖 36所示 。顯然，要做到這一點，應在選擇參數(shù)時保證 Tc 1?? 或 1cT? ? 45carctg? ?? 于是，相角穩(wěn)定裕度 0000 459090180 ?????? Tar c t gTar c t gr cc ?? 它的閉環(huán)系 統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 35a） 所示。 1．典 型 I型系統(tǒng) 作為典型 I型系統(tǒng)，其開環(huán)的傳遞函數(shù)為 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 18 ()( 1)KWs s Ts? ? (32) 式中 T —— 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K —— 系統(tǒng)的開環(huán)增益。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用 I型和 II 型系統(tǒng)。根據(jù) 0,1,2,r? … 的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、 … 系統(tǒng)。 典型系統(tǒng) 一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以用下式表示 ??????? niirmjjsTssKsW11)1()1()(? (31) 其中分子和分母上還有可能含有復數(shù)零點和負數(shù)極點。 第二步，再 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。 工程設(shè)計方法的基本思路 作為工程設(shè)計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。 4） 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式。 2） 計算公式簡明、好記。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng) 而用運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、積分、微分等控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。于是便產(chǎn)生建立更簡便實用的工程設(shè)計方法的必要性。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 1． 工程設(shè)計方法的必要性 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選擇可采用伯德圖的方法來設(shè)計，但設(shè)計每一個調(diào)節(jié)器時，都須先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標確定校正后系統(tǒng)的預期特性，經(jīng)過反復試湊，才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并計算參數(shù)。 2） 對負載變化起抗擾作用。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 4） 當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。 2） 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 16 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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)中的作用可分別歸納如下。 a） 單閉環(huán)系統(tǒng) b） 雙閉環(huán)系統(tǒng) 圖 34 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 2） 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以 通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。在設(shè)計 ASR 時，應要求有較好的抗擾性能指標。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 動態(tài)抗擾性能分析 1．抗負載擾動 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。采用飽和非 線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍也得到應用。在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制” ，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是允許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應采用其他控制方法來抑制超調(diào)。 2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)。 圖 32 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的特點 由上一節(jié)所述，我們得到起動過程的特點有以下三點： 1） 飽和非線性控制。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。直到 dLd II ? 時，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達峰值（ t = 3t 時）。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中 ACR 是不應飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。當 ACR 采用 PI調(diào)節(jié)器時 ，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說， dI 應略低于 dmI 。 第Ⅱ階段是恒流升速階段（ 1t ～ 2t ） 在這個階段中， ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開 環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 13 呈線性增長。直到， dmd II ? ， *imi UU ? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長，標志著這一階段的結(jié)束。 第 I 階段是電流上升的階段（ 0～ 1t ） 突加給定電壓 *nU 后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用 , cU ﹑ doU ﹑ dI 都跟著上升，當 dLd II ? 時，電機還不能轉(zhuǎn)動。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖 32 所示 。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 dI 顯露出來。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢 業(yè)設(shè)計說明書 12 第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 由雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)（見圖 24），即可繪制出雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 31 所示。靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖 25 中的虛線。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。當負載電流達到 dmI 時，對應于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ，則 *nn UU ? ，ASR 將 退出飽和狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時 dmimd IUI ?? ?* (22) 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)