【正文】 （ 315） 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 17 式中 iK 電流調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)； i? 調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)。 轉(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析 該系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示。 當(dāng)磁通不變時(shí)，有 mdM CI? （ 312） 式中 mC 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為 /N mA? 整理得到直流電機(jī) 的微分方程 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 16 22 1d m m ded n d nT T T n Ud t d t C? ? ? （ 313） 式中 dT 電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)， dd dLT R?； mT 機(jī)電時(shí)間常 數(shù)，2375ddm e m e mJR G D RT C C C C?? ； 2GD 電力拖動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。假設(shè)電機(jī)補(bǔ)償良好，不計(jì)電樞反應(yīng)、禍流效應(yīng)和磁滯等因素帶來(lái)的影響，并設(shè)勵(lì)磁電流恒定，得直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型為： dd d d d edIU L I R C ndt? ? ? （ 310） 式中 dU 電樞電壓； dL 電樞回路電感； dI 電樞電流； dR 電樞回路總電阻； eC 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢(shì)系數(shù)，單位為 min/VWb r? n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖 32 給出了位置式 PID 控制系統(tǒng)示意圖。為書(shū)寫(xiě)方便，將 e(kT)簡(jiǎn)化表示成 e(k)，即省去 T。按照模擬 PID 算法的算式 (32)，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換； ( 0,1, 2 )t kT k?? 000 ( ) ( ) ( )t tkjje t d t T e jT T e j??????? (34) ( ) ( ) [ ( 1 ) ] ( ) ( 1 )d e t e k t e k e k e kd t T T? ? ? ??? 式中 T采樣周期。由于本文的 PID 控制算法的輸出量要控制晶閘管的輸出電壓，此類對(duì)象適合用位置式 PID 控制算法，所以下面主要介紹沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 13 位置式 PID 控制算法。 )(ku 是 k 次采樣時(shí)刻的輸出值； )(ke 是第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； )1( ?ke 是 k1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值： jk 是積分系數(shù)， jpj TTkk /? 。在上面離散化的過(guò)程中，采樣周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精度。 PID 調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì) 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的 PID 控制規(guī)律為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 32） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 ( ) 1( ) (1 )() pDIUsG s K T SE s T S? ? ? ? （ 33） 式中 pK 比例系數(shù)； IT 積分時(shí)間系數(shù)； DT 微分時(shí)間常數(shù)。積分作用度強(qiáng)弱取決于積分 時(shí)間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： ⑴ 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e（ t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。在控制理論不斷發(fā)展的今天，常規(guī) PID控制器仍然是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制器， PID 調(diào)節(jié)器的基本原 控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。它是一種基于負(fù)反饋的控制方法，不 僅在模擬調(diào)節(jié)器得到了廣泛應(yīng)用，而且更適合于單片機(jī)控制系統(tǒng)。 在本系統(tǒng)中，采用了 PID 控制算法。隨著控制理論和單片機(jī)水平的不斷發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能日益增強(qiáng)，適用的控制規(guī)律也越來(lái)越多，如 PID 調(diào)節(jié)、史密斯 (Smith)預(yù)估控制、最優(yōu)控制、基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計(jì)方法和基于輸入輸出模型的設(shè)計(jì)方法等。其中，最主要的任務(wù)是執(zhí)行控制算法。在動(dòng)態(tài) 性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(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，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 9 這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，不過(guò)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù) 反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)，再直接連到單片機(jī)。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn) 的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。 ⑵ 抗擾性能指標(biāo) ?動(dòng)態(tài)降落 00maxc? 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 8 最大動(dòng)態(tài)降落 maxc? 與原穩(wěn)態(tài)值 ?c 之比。 ⑴ 隨性能指標(biāo) ?上升時(shí)間 rt 在典型階躍響應(yīng)跟隨過(guò)程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 在調(diào)壓調(diào)速中，常以電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 nom 為最高轉(zhuǎn)速，若在額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降為nomn? ，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，即 0nns num??沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 7 min0nns nom?? （ 24） 于是s nsnsnnnn nomnomnomnom ?????????? )1(m i n0m i n，而調(diào)速范圍為： m inm inm ax nnnnD nom?? （ 25） 將 minn 代入上式得 )1( sn snD nomnom ??? （ 26） 對(duì)于同一調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或 nomn? 值是一定的，因此，由上式（ 26）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低轉(zhuǎn)速是還能滿足靜差率要求下的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 ⑴ 調(diào)速范圍 D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比稱為調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 ninnnD max? （ 22） 其中 maxn 和 minn 一般指電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)輕載的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。綜上選用晶閘管三相全控橋整流電沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 6 路供電方案。晶閘管可控整流裝置無(wú)噪聲、響應(yīng)快、重量輕、投資省，而且工作可靠，能耗小，效率高?？紤]到使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，因此選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 在 VM 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓 dU 。 ⑶ 脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電， 利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓，因受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。 ⑵ 靜止變流裝置，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流電壓，采用靜止變流裝置又稱 VM 系統(tǒng)。 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞電壓主要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，靜止變流裝置， PWM 脈寬調(diào)制變換器 (或稱直流斬 波器 )。 改變電樞回路電阻的方法缺點(diǎn)很多，目前較少采用；弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。 ⑶ 改變電樞回路電阻 R。 ⑵ 減弱磁通調(diào)速。 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式如下： ??? ?e aC RIUn （ r/min） （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A）； aI —— 電樞電路總電阻（ ? ）； 由式（ 21）可知，調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法有以下三種： ⑴ 調(diào)節(jié)電樞電壓 U。 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(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行，取得良好的效果。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 4 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 本設(shè)計(jì)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(shí)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(guó)在具有完全自主知識(shí)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(dá)國(guó)家，而且進(jìn)口的控制器價(jià)格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國(guó)外先進(jìn)的控制器，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。由于微機(jī)具有較高的性價(jià)比，因此在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作和維護(hù)較為方便，電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能較高，精度也達(dá)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(bào)警，診斷及數(shù)據(jù)采集和顯示等功能，同時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的通信能力和較強(qiáng)的抗干擾能力。電機(jī)調(diào)速通常通過(guò)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(hù)環(huán)節(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流調(diào)速系統(tǒng)是指人為地或自動(dòng)地調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足控制系統(tǒng)性能的要求。目前，國(guó)內(nèi)外一些主要電氣公司，已經(jīng)研制出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供各生產(chǎn)企業(yè)和科研單位選用。 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。世界上許多國(guó)家都開(kāi)發(fā)出了數(shù)字式調(diào)速裝置，當(dāng)前直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的水平：功率元件采用可控硅，控制方式采用換相、相位控制等。 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展，電力電子器件、超大規(guī)模集成電路和傳感器的 出現(xiàn)，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。晶閘管整流裝置逐漸取代了水銀整流裝置，使直流電力拖動(dòng)完成了一次巨大的飛躍。調(diào)速系統(tǒng)的控制方案是依靠軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件的模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)時(shí)增加、更改、刪減應(yīng)用程序，當(dāng)時(shí)及系統(tǒng)變化時(shí)也可以徹底更新，軟件控沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文