【正文】 (44) 4． 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)間常數(shù)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求看，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(duì)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，即應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)。則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化為圖 42。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 )(* sUi /? ，則 電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1． 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) lT 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中 ,可認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 0??E 。由測(cè)速發(fā)電機(jī)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(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)遲延作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 由于電流檢測(cè)信號(hào)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(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)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(jì) 雙閉 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 41 所示。工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床用的位置隨動(dòng)系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，而大型天線的隨動(dòng)系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對(duì)抗擾性能也有一定的要求。 實(shí)際控制系統(tǒng)對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的 要求各有不同。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值 2?C 作為基準(zhǔn)值。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 maxn? ； 2） 恢復(fù)時(shí)間 vt 從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?C之差進(jìn)入某基準(zhǔn)值的 bC 的 %5? （或取 %2? ）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間 vt ，見圖 38。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 2?C ，（ 21 ?? ?CC ）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。 圖 38 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) 1） 動(dòng)態(tài)降落 maxC? 系 統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)擾 動(dòng) 量，所引起的輸出量最大 降 落值 maxC? 稱作動(dòng)態(tài)降落。 2． 抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量 F 后，輸出量由降低到恢復(fù)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(yīng)曲線上表示調(diào)節(jié)時(shí)間，認(rèn)定穩(wěn)態(tài)值上下 %5? 的范圍為允許誤差帶，將輸出量達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。 3） 調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。 maxC 超過穩(wěn)態(tài)值 ?C 的百分?jǐn)?shù)叫做超調(diào)量，即 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 %100m a x ?????C CC? (34) 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)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(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)給定信號(hào)變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。這是設(shè)計(jì)時(shí)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?yàn)榻?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(dāng)。線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)圖36 b） 中的特性，顯然應(yīng)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(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)頻率特性 圖 35 典型Ⅰ型系統(tǒng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(duì)數(shù)頻率特性如 圖 36所示 。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時(shí)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(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 ()( 1)KWs s Ts? ? (32) 式中 T —— 系統(tǒng)的慣性時(shí)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(fù)數(shù)零點(diǎn)和負(fù)數(shù)極點(diǎn)。 第二步，再 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡(jiǎn)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(jiǎn)單的計(jì)算公式。 2） 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。經(jīng)過合理的簡(jiǎn)化處理，整個(gè)系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng) 而用運(yùn)算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法的必要性。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 1． 工程設(shè)計(jì)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(jì)及結(jié)構(gòu)選擇可采用伯德圖的方法來設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)每一個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)，都須先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)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(jì)算參數(shù)。 2） 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。 4） 當(dāng)電動(dòng)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(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 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(dòng)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(dòng)可以 通過電流反饋得到比較及時(shí)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(jì) ASR 時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 1．抗負(fù)載擾動(dòng) 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。采用飽和非 線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍也得到應(yīng)用。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制” ，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是允許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)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(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的特點(diǎn) 由上一節(jié)所述，我們得到起動(dòng)過程的特點(diǎn)有以下三點(diǎn)： 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(huì)有一段振蕩過程。直到 dLd II ? 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（ t = 3t 時(shí)）。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，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(dòng)過程中 ACR 是不應(yīng)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(jì)時(shí)必須注意的。當(dāng) ACR 采用 PI調(diào)節(jié)器時(shí) ，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說， dI 應(yīng)略低于 dmI 。 第Ⅱ階段是恒流升速階段（ 1t ～ 2t ） 在這個(gè)階段中， ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)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(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 呈線性增長(zhǎng)。直到， dmd II ? ， *imi UU ? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長(zhǎng)，標(biāo)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(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用 , cU ﹑ doU ﹑ dI 都跟著上升，當(dāng) dLd II ? 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程如圖 32 所示 。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 31 所示。靜特性的兩段實(shí)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(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時(shí)，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(dòng)保護(hù)。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因?yàn)槿绻?0nn? ，則 *nn UU ? ，ASR 將 退出飽和狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí) dmimd IUI ?? ?* (22) 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)