【正文】 sKsW ? （ 2— 13） 它的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖 28 所示，其中頻段也是以 decdB/20? 的斜率穿越 0dB 線。 典型 I 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表 22（ KT=）。由表中數(shù)據(jù)可見 ， 當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù) T 為已知時，隨著 K 的增大，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)，而穩(wěn)定性變差。由于在典型Ⅰ型系統(tǒng)中， 1?KT ，代入式（ 2— 11）得 ?? ，因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取 ??? 。 參數(shù) K、 T 與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù) n? 、 ? 之間的換算關(guān)系 TKn?? （ 2— 10） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 KT121?? （ 2— 11） 則 Tn 21??? （ 2— 12） 表 2— 1 典型Ⅰ 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ξ 超調(diào)量 σ 0% % % % % 上升時間 tr ∞ 峰值時間 tp ∞ 相角穩(wěn)定裕度γ 截止頻率 c? 由二階系統(tǒng)的性質(zhì)可知，當(dāng) 1?? 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng) 1??時，是過阻尼的單調(diào)特性；當(dāng) 1?? 時，是臨界阻尼。因此 I 型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時保證 Tc 1?? 或 1?Tc? ?45?Tarctg c? 于是，相角穩(wěn)定 裕度 ???? 459090180 ?????? Ta r c tgTa r c tg cc ??? 。 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 7a所示，而 圖 2— 7b表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。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) r=0,1,2,?的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、?系統(tǒng)。 (2) 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)都可用下式表示 ? ?? ?? ???????? niirmjjsTssKsW1111? （ 2— 7） 其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和復(fù)數(shù)極點(diǎn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法 (1) 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡化，突出主 要矛盾。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 b 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 c 其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。 ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： a 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 *nU 變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。負(fù)載擾動能夠比較快地反映到被調(diào)量 n 上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一些。 dU? 和 dLI 都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。在設(shè)計(jì) ASR 時，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。圖中 ??sASRW 和 ??sACRW 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。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)漂移而采用“準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(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 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差， 這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 ② 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器飽和時， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響 ,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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， PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總為零。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。 圖 2— 3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 2— 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 (2) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先會出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2— 5所示。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 cU 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。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。 (1) 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。問題是，應(yīng)該在起動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流過程。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，起動電流突破dcrI 以后， 受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值 dmI 后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 采用 PI 調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn) 定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。由 PD 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用 PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的帶后－超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用 PID 調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。 在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動 態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時，必須設(shè)計(jì)合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面的要求。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會產(chǎn)生糾正偏差的自動調(diào)節(jié)過程。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)同時滿足 D、 s 的要求，提高調(diào)速質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)速檢測裝置。 圖 2— 2 晶閘管－電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及動態(tài)校正 由前述分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速指標(biāo)要求。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動機(jī)拖動，鋼材在幾個機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍 D=3～ 10 時，保證靜差率 s≤%～ %。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 圖 2— 2 所示的晶閘管 電動機(jī)系統(tǒng)就是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓 cU 就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 (3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落 為 Nn? ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即 NNN nn nn ns ??????m inm in0 于是，最低轉(zhuǎn)速為 ? ?s nsnsnn NNN ??????? 1m in 而調(diào)速范圍為 m inm inm ax nnnnD N?? 將上面的 minn 式代入，得 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 ? ?sn snD NN??? 1 （ 2— 4） 式（ 2— 4）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。 由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。 然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。 (2) 靜差率 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱作靜差率 s，即 0nns N?? （ 2— 3） 或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000 ??? nns N 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。這兩個指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì) 量。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運(yùn)行停止時要求的定位精度等等。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主 [1]。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn 式中 n — 轉(zhuǎn)速（ r/min）； U— 電樞電壓（ Ｖ ）； I— 電樞電 流（ Ａ ）； R— 電樞回路總電阻（ ? ）； ?— 勵磁磁通（ Ｗ b）； eK— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 (2) 直流電動機(jī)速度的調(diào)節(jié) 電動機(jī)是用以驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟(jì)。通常采用保證足夠的起動轉(zhuǎn)矩下盡量減小起動電流的辦法，使電動機(jī)起動。另一方面，起動轉(zhuǎn)矩 aTe ICT ?? ， 減小起動電流將使起動轉(zhuǎn)矩隨之減小。對電動機(jī)起動的基本要求是： ① 起動轉(zhuǎn)矩要大； ② 起動電流要?。?③ 起動設(shè)備要簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠。 機(jī)械特性是指 NUU? ， 勵磁回路電阻 fR =常值時，電動 機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 ? ?eTfn? 。此時若負(fù)載為輕載，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，造成“飛車”；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 則電動機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到起動電流，引起繞組過熱而將電機(jī)燒毀。 并勵電動機(jī)在運(yùn)行中，勵磁繞組絕對不能斷開。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增加時，電樞電流增大， aaRI 使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個因素的影響部分地互相抵消，使并勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。 從電動勢公式 ?nCE ea ? 和電壓方程可知 aeaeea ICRCUCEn ??? ??? （ 2— 1） 上式通常稱為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。 上述條件中， fNI 為額定勵磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率 NP 、 轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速 Nn 時的勵磁電流。 工作特性是指電動機(jī)的端電壓 U=UN， 勵磁電流 If=IfN時， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn) 矩 Te和效率 ? 與輸出功率的關(guān)系，即 n， eT ， ? ?2Pf?? 。 直流電動機(jī)的運(yùn)行特性 直流電動機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條 :一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性。此時換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。然而在直流電動機(jī)中，外加電壓并非直接加