【正文】 。而電樞電流的增加，在磁場的作用下，將使電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 增加，以適應(yīng)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 的增加。圖 716具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程 此外，由圖 716還可以看出，轉(zhuǎn)速降的減小，是依靠偏差電壓 的變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。因為倘若轉(zhuǎn)速偏差被完全補(bǔ)償了，即 n回到原先的數(shù)值，那么 將回到原先數(shù)值，于是 、 、 、 也將回復(fù)到原先的數(shù)值；這意味著，控制系統(tǒng)沒有能起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速自然也不會回升。 　　當(dāng)電樞電流小于截止電流值時，電流負(fù)反饋不起作用。當(dāng)電流繼續(xù)增加時， 使 降低， 降低， 降低；從而限制電流過大的增加。如圖 717的 b段所示。這樣的特性有時稱為 “挖土機(jī)特性 ”圖 717調(diào)速系統(tǒng)的 “挖土機(jī) ”機(jī)械特性當(dāng)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)起主導(dǎo)作用時的自動調(diào)節(jié)過程如圖 718所示。機(jī)械特性很陡下垂 還 意味著，堵 轉(zhuǎn)時 (或起 動時 )電 流不是很大。此 時電 流稱 為 堵 轉(zhuǎn)電 流 　　對直流電動機(jī)的框圖簡化后的傳遞函數(shù)，在第 2章的例子中已經(jīng)給出： 代入 圖 715中，由 圖 可 見 ，它是一個二 階 系 統(tǒng) ，已知二 階 系 統(tǒng)總 是 穩(wěn) 定的。由 圖 719可見 ，它 實際 上是一個三 階 系 統(tǒng) 。2．系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析．系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析由于調(diào)速系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)，如前所述，恒值控制系統(tǒng)主要考慮的是負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩 （擾動量）所引起的穩(wěn)態(tài)誤差。將（ ）移出后，直流電動機(jī)的框圖就可簡化為如圖 b所示的功能框圖 。這類框圖通常稱它為 “穩(wěn)態(tài)框圖 ”，由穩(wěn)態(tài)框圖求取因擾動而引起的穩(wěn)態(tài)誤差比較直觀方便。若不計摩擦力，則，因此可認(rèn)為，于是擾動又可寫為（）（這里僅是一種等效的交換，并不意味著存在一個外界的 “電流干擾 ”）。若此 調(diào) 速系 統(tǒng) 不 設(shè)轉(zhuǎn) 速 負(fù) 反 饋環(huán)節(jié) (即開 環(huán) 系 統(tǒng) )， 則 式 (72)中的 α＝ 0，于是 K＝ 0，此 時 的 轉(zhuǎn) 速降 為 （ 713）對 照式 (712)與式 (713)可 見 ：　　 調(diào) 速系 統(tǒng) 增 設(shè) 了 負(fù) 反 饋環(huán)節(jié) 后，將使 轉(zhuǎn) 速降減 為 開 環(huán)時的 1/(1+K)，從而大大提高了系 統(tǒng) 的 穩(wěn)態(tài) 精度。 ?由以上分析可 見 ，采用比例 調(diào)節(jié) 器的 轉(zhuǎn) 速 負(fù) 反 饋調(diào) 速系 統(tǒng) ，不 論 取 值 多少， 總 是有靜差的。 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) ，其中含有積分環(huán)節(jié)，加之 PI調(diào)節(jié)器又位于擾動量 作用點之前，因此該系統(tǒng)變?yōu)?Ⅰ 型系統(tǒng)，對階躍信號為無靜差，即轉(zhuǎn)速降 ，靜差率 。事實上，由運放器構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時其增益即為運放器開環(huán)增益（穩(wěn)態(tài)時，反饋電容 C相當(dāng)開路）（ ）。但設(shè)置 PI調(diào)節(jié)器后，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差 ,甚至造成不穩(wěn)定，這可通過增加 PI調(diào)節(jié)器微分時間常數(shù) T和降低增益 K來解決（亦即適當(dāng)增大運放器反饋回路的電容 C和減小反饋回路的電阻 R來解決）。上面通過單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，介紹了分析自動控制系統(tǒng)的一般步驟與方法，下面將通過實例分析介紹讀解實際線路的一般步驟與方法。如前節(jié)所述，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速。這對一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿足要求。這樣，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩也減小下來，使起動加速過程變慢，起動的時間也比較長（即調(diào)整時間較長）。因此，我們希望能充分利用晶閘管元件和電動機(jī)所允許的過載能力，使起動時的電流保持在最大允許值上，電動機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而轉(zhuǎn)速可直線迅速上升，使過渡過程的時間大大縮短。為了獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處綜合的缺點，經(jīng)過研究與實踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成框圖如圖 732所示。其中一個是由電流調(diào)節(jié)器 ACR和電流檢測 反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個是由速度調(diào)節(jié)器 ASR和轉(zhuǎn)速檢測 反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的速度環(huán)。在電路中，ASR和 ACR實行串級聯(lián)接，即由 ASR去 “驅(qū)動 ”ACR，再由 ACR去 “控制 ”觸發(fā)電路。ASR的輸入電壓為偏差電壓，（為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)），其輸出電壓即為 ACR的輸入電壓，其限幅值為。ASR和 ACR的輸入、輸出量的極性，主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。由于電流為負(fù)反饋，于是便為正極性。各量的極性如圖 731所示。這樣調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)中的負(fù)號便可不寫，使分析也更容易理解。輸入限幅主要是為保護(hù)運放器。 ACR的輸出限幅值為，它主要限制晶閘管整流裝置的最大輸出電壓。 ?圖 中速度 調(diào)節(jié) 器的 傳遞 函數(shù) 為 電 流 調(diào)節(jié) 器的 傳遞 函數(shù) 為 框圖中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)共有 13個 若系統(tǒng)再增添各種濾波環(huán)節(jié)，則參數(shù)還要增加。?　　框圖中共有 9個環(huán)節(jié)，其中一個反映了電磁慣性，一個反映了機(jī)械慣量。系統(tǒng)框圖把圖中 9個環(huán)節(jié)的功能框和它們之間的相互聯(lián)系，把各種變量之間的因果關(guān)系、配合關(guān)系和各種結(jié)構(gòu)參數(shù)在其中的地位和作用，都一目了然地、清晰地描繪了出來。在討論工作原理時，為簡化起見，運放器的輸入端將 “看作 ”正相端輸入。由于 ACR為 PI調(diào)節(jié)器，因此在穩(wěn)態(tài)時，其輸入電壓必為零，亦即。由此可知，在穩(wěn)態(tài)時。假設(shè)，其自動調(diào)節(jié)過程見圖 734。由于 ACR有輸出限幅，限幅值為，這樣電流的最大值便為，當(dāng)時，電流環(huán)將使電流降下來。一般整定（額定電流）。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動而引起電流波動時，通過電流調(diào)節(jié)器 ACR 的調(diào)節(jié)作用，使電流很快回復(fù)原值。2) 速度調(diào)節(jié)器 ASR的調(diào)節(jié)作用： 速度環(huán)是由 ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差。此式物理含義是： 當(dāng) 為一定的情況下，由于速度調(diào)節(jié)器 ASR的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速 n將穩(wěn)定在 的數(shù)值上。圖 735速度環(huán)的自動調(diào)節(jié)過程此外，由式 可見，調(diào)節(jié) (電位器 RP1)即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 n。 ? 1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析 (1)自動調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)無靜差，就必須在擾動量（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化或電網(wǎng)電壓波動）作用點前，設(shè)置積分環(huán)節(jié)。(2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 ?　　由于 ASR為 PI調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)為無靜差，穩(wěn)態(tài)誤差很小，一般講來，大多能滿足生產(chǎn)上的要求。 　當(dāng)電動機(jī)發(fā)生嚴(yán)重過載，并當(dāng)時，電流調(diào)節(jié)器將使整流裝置輸出電壓明顯低，這一方面限制了電流繼續(xù)增長，另一方面將使轉(zhuǎn)速迅速下降， (由，可見，當(dāng)，及 ↓，將使轉(zhuǎn)速 n迅速下降至零 )，于是出現(xiàn)了很陡的下垂特性，見圖 737b段。? 在圖 737中，虛線為理想 “挖土機(jī)特性 ”，實線為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性，由圖可見，它已很接近理想的 “挖土機(jī)特性 ”。 這時 ，倘若 電動 機(jī)的機(jī) 電時間 常數(shù)較 大，再加上 電 流 調(diào)節(jié) 器參數(shù)整定不當(dāng)， 則 有可能形成振 蕩 (這在系 統(tǒng)調(diào)試時 ，是常遇到的 )， 這時 可采取措施有 ：① 增加電流調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù) Ti(RiCi)，主要是適當(dāng)增大電容 Ci，因微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)然 會使快速性差些。此 時電 流 調(diào)節(jié) 器的 傳遞 函數(shù) 為 （ 這 里直接 給 定，請 參考有關(guān) 資 料） (2)速度環(huán)分析 在系 統(tǒng)調(diào)試時 ，通常是先將 電 流 環(huán) 的 調(diào)節(jié) 器的參數(shù)整定好，使 電 流 環(huán) 保持 穩(wěn) 定， 穩(wěn)態(tài)誤 差也 較 ?。蝗缓笤诖嘶?礎(chǔ) 上，再整定速度 調(diào)節(jié) 器參數(shù)（ ）由 圖 733可 見 ， 電 流 環(huán)已是一個三 階 系 統(tǒng) ，如今再串 聯(lián) 一個速度 (PI)調(diào)節(jié) 器， 則系 統(tǒng) 將 為 四 階 系 統(tǒng) ，若 計 及 輸 入 處 的 R、 C濾 波 環(huán)節(jié) ， 則 系統(tǒng) 便成了五 階 系 統(tǒng) ，若 電 流 環(huán) 整定得不好，再加上速度 調(diào)節(jié) 器參數(shù)整定得不好，很容易 產(chǎn) 生振 蕩 。3．系統(tǒng)的動態(tài)性能分析由于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個四階系統(tǒng)，因此，它的動態(tài)性能（主要是最大超調(diào)量）往往達(dá)不到預(yù)期要求，針對這種情況，可以采取的措施有：(1)調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器參數(shù) 可適當(dāng)降低 Kn(即使 Rn↓)，以使最大超調(diào)量 ()減小，但調(diào)整時間 ts將會有所增加。這時因為通過電容器 C的電流穩(wěn)態(tài)時，（電容相當(dāng)于斷路），這時微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)將使減小，使轉(zhuǎn)速的最大超調(diào)量減小。 ?　　 ② 具有較好的動態(tài)特性，起動時間短 (動態(tài)響應(yīng)快 )，超調(diào)量也較小。 ?　　 ④ 由兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。 ?由于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性均很好，所以它在冶金、機(jī)械、造紙、印刷及印染等許多部門獲得很多的應(yīng)用。在此，將對簡單閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，再應(yīng)用作者編寫的程序，進(jìn)行 PI校正設(shè)計，并驗算設(shè)計后系統(tǒng)的時域與頻域性能指標(biāo)是否滿足要求。例 741 已知晶閘管 — 直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (V—M 系統(tǒng) )的 Simulink動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 741所示 (Simulink是 MATLAB的有關(guān)控制系統(tǒng)一個工具箱，可參考有關(guān)文獻(xiàn) )。(2)若 時， ,求拖動系統(tǒng)測速反饋系數(shù) ； (3)計算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) ； (4)試問系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行 ?其臨界開環(huán)放大系數(shù)為多少 ?(5)試?yán)L制出比例調(diào)節(jié)器 與 系統(tǒng)的單位給定階躍響應(yīng)曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。為校正主要指標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正； (7)以剪切頻率為校正主要指標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正： (8)用根軌跡校正器對系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正。 ① 額定磁通下的電機(jī)電動勢轉(zhuǎn)速比 syms Unom Inom nnom Ra Ce。Inom=。nnom=1500。 nnom=1500。D=15。 Inom=。Ce=。 deltanop=。 K=deltanop/deltanc11程序運行結(jié)果K =(2) 求系統(tǒng)測速反饋系數(shù) 對單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 742所示。圖 742 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖式中：。[Un,deltaUn]=solve(39。,39。)。 根據(jù)自動控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K、測速反饋系數(shù) 、電機(jī)電動勢轉(zhuǎn)速比 與放大系數(shù) 之間滿足關(guān)系式