【正文】 ? ? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 忽略高次項(xiàng)， 則晶閘管整流裝置可以看做一階慣性環(huán)節(jié)， 由式 (28)、 式 (29)和式 (215)可以得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 如圖 28所示， 其中虛線部分為直流電機(jī)， WASR(s)和 WACR(s)分別為轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)為 α， 電流的反饋系數(shù)為 β。 轉(zhuǎn)速和電流波形如圖 29所示 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 29 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 1. 電流上升階段對(duì)應(yīng)于圖 29中的時(shí)間 0~t1， 轉(zhuǎn)速反饋電壓 Un為零， 只有轉(zhuǎn)速給定電壓 ， 通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器WASR(s)和 WACR(s)的控制作用， Id開始上升， 當(dāng) IdIdL＝ 時(shí)， 電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng) Id=Idm時(shí)， Ui= ， 電流上升階段結(jié)束。 *nULmTC*nU*imU *imU第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t 第 I階段（續(xù)） 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 2. 恒流升速階段對(duì)應(yīng)于圖 29中的時(shí)間 t1~t2， 是啟動(dòng)的主要階段。 電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)保持最大值 不變， 此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩 Tem=CmIdm保持恒 定， 由直流電機(jī)的機(jī)械平衡方程 可知，加 速轉(zhuǎn)矩恒定， 因此轉(zhuǎn)速 n呈線性增長(zhǎng)， 反電勢(shì) E=Cen也按線性增長(zhǎng)。 電流調(diào)節(jié)器 ACR是 PI調(diào)節(jié)器， 要使它的輸出線性增長(zhǎng)， 則輸入的偏差電 壓 ΔUi= － Ui必須保持恒定， 也就是說 Id略小于 Idm。 同時(shí)， 最大輸入電流 Idm應(yīng)該限定在電機(jī)允許的最大啟動(dòng)電流范圍內(nèi)， 確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。 由于 積分器的作用， ASR的輸出保持 不變， 電機(jī)還在最大電流 Idm作用下加速， 只有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)的情況才能使反饋信號(hào)大于給定信號(hào) (即 Un )， 也就是說只有偏差信號(hào)小于零， 即 ΔUn0， 才能使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR退出飽和狀態(tài)， 其輸出電壓 開始從限幅值 降下來， 電樞電流 Id也隨之下降。 IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 第 Ⅲ 階段（續(xù)） 此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（ t3 ~ t4 ）， Id IdL ，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過程。 在 t3~t4區(qū)間內(nèi)， 電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下開始減速 , 直到進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 從啟動(dòng)過程的三個(gè)階段可以看到， 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的特點(diǎn)如下： (1) 飽和非線性控制。 當(dāng) ASR飽和時(shí)， 轉(zhuǎn)速處于開環(huán)狀態(tài)， 系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。 從控制的觀點(diǎn)看， 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)典型的變結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)， 對(duì)于這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析， 應(yīng)采用分段線性化的方法來處理。 采用飽和非線性控制， 啟動(dòng)過程進(jìn)入第三階段后， 必須出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)， 才能使 ASR退出飽和。 *nU第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) (3) 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 (有限制條件的最短時(shí)間控制 )。 這個(gè)階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制， 稱之為“時(shí)間最優(yōu)控制”。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中電流和轉(zhuǎn)速的波形接近理想的啟動(dòng)過程。 不足之處是存在 ASR退飽和過程， 轉(zhuǎn)速必然出現(xiàn)超調(diào)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中的作用歸納如 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 1) （ 1） 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變化， 穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差， 如果采用 PI調(diào)節(jié)器， 則可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。 （ 3） ASR輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流， 啟動(dòng)時(shí)允許在最大電流條件下啟動(dòng)， 加速了啟動(dòng)過程。 （ 2） 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) （ 4） 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)， 限制電樞電流的最大值， 起快速自動(dòng)保護(hù)作用。 能夠在電機(jī)電流過載能力約束條件下表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)跟隨性 能。 對(duì)電流內(nèi)環(huán)來說， 其應(yīng)該具有良好的跟隨性能。 負(fù)載擾動(dòng) IdL和電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 177。 電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 177。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 如果只存在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， 則兩種擾動(dòng)源都被包圍在反饋環(huán)內(nèi)， 負(fù)載擾動(dòng) IdL比電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 177。 電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 177。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 如果增加了電流環(huán)， 構(gòu)成電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 從圖 210 可以看到系統(tǒng)對(duì)兩種擾動(dòng)的抑制能力是不同的。 ΔUd包圍在電流環(huán)內(nèi)， 當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)， 可以通過電流反饋及時(shí)調(diào)節(jié)， 不必等到轉(zhuǎn)速反應(yīng)后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。 經(jīng)過一段時(shí)間后， Id重新和負(fù)載電流 IdL=TL/Cm相等， 達(dá)到新的平衡點(diǎn)。 為了減少由負(fù)載擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)降落， 在設(shè)計(jì) ASR調(diào)節(jié)器時(shí)， 要求其具有良好的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 210 負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法 上一節(jié)介紹了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成和特性， 由于采用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器， 因而雙閉環(huán)系統(tǒng)的性能比單閉環(huán)系統(tǒng)要好， 但是需要確定兩個(gè)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)， 增加了校正的復(fù)雜性。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 由于存在電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)套在一起的反饋環(huán)節(jié)， 因而要分別設(shè)計(jì)電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， 設(shè)計(jì)原則是 :從 內(nèi)環(huán)開始， 設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器 ACR， 然后把內(nèi)環(huán)等效為外環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)， 再設(shè)計(jì)外環(huán)調(diào)節(jié)器， 這樣一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)大， 直到所有的調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)好為止。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 但是， 如果每個(gè)環(huán)節(jié)都這樣做則會(huì)很繁瑣， 并且在設(shè)計(jì)每一個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)， 為了同時(shí)解決動(dòng)態(tài)、 靜態(tài)各方面相互矛盾的問題， 涉及的理論太多， 往往要求設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、 豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技巧， 不便于工程應(yīng)用， 因此， 有必要建立簡(jiǎn)單實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。 弄清楚這些典型系統(tǒng)參數(shù)和動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系， 編制成簡(jiǎn)單的公式和圖表， 利用這些圖表和公式設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器， 這樣就大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程， 方便應(yīng)用且便于工程實(shí)現(xiàn)。 這兩種設(shè)計(jì)方法在二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中基本上是一致的。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路是要使問題簡(jiǎn)化， 突出主要矛盾。 首先確保系統(tǒng)穩(wěn)定， 同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) (2) 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。 這樣把性能指標(biāo)中相互交叉的綜合指標(biāo)分解為兩步來解決， 首先解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性問題， 再滿足快速性和抗干擾能力等其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)， 使每一步的設(shè)計(jì)都標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化， 減少了設(shè)計(jì)難度， 加快了設(shè)計(jì)過程。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 211 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)過程 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) PID調(diào)節(jié)器的類型： 比例微分（ PD） 比例積分（ PI） 比例積分微分（ PID） 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ? PID調(diào)節(jié)器的功能 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(duì)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)的滯后 — 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。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（ Bode Diagram），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。下圖繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。 設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。 在伯德圖上 ， 用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度 ? 和以分貝表示的增益裕度 GM。 － 60176。 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 ? = 30176。 ； GM 6dB 。 在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過程振蕩弱、超調(diào)小。 分母中的 表示系統(tǒng)在復(fù)平面原點(diǎn)處有 r重根， 也就是說系統(tǒng)包含了 r個(gè)積分環(huán)節(jié)。 系統(tǒng)的型號(hào)越高， 則無靜差度越高， 準(zhǔn)確度也越高， 但是穩(wěn)定性越差。 （ 216） 1112( 1 ) ( 1 ) ( 1 )()( 1 ) ( 1 ) ( 1 )mrnK s s sWss T s T s T s? ? ?? ? ??? ? ?rs第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 在 Ⅰ 型系統(tǒng)中， 選擇包含一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)作為典型 Ⅰ 型系統(tǒng)， 其開環(huán)傳遞函數(shù)為 其中 K為放大倍數(shù)， T為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。 由自動(dòng)控制原理可知， 該系統(tǒng)對(duì)階躍輸入是無靜差的， 但是對(duì)速度輸入是有靜差的， 對(duì)加速度輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大。 （ 217） () ( 1 )KWs s T s? ?第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 212 典型 Ⅰ 型系統(tǒng) 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)： 開環(huán)增益 K和時(shí)間常數(shù) T。 典型Ⅰ 型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 當(dāng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以－ 20 dB/dec的斜率穿越零線時(shí)， 只要選擇開環(huán)增益 K能保證足夠的中頻寬度 h， 系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的， 而且有足夠的穩(wěn)定裕度。 當(dāng) ω=ωc時(shí)， L(ωc)=0， （ 220） ? ?2 0 lg 1KL?? ?12022LK??（ 221） ? ? c c2 0 l g 2 0 l g 0LK????? ? ? ?cK ???第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 顯然應(yīng)該使 ， 否則， 對(duì)數(shù)幅頻特性將以斜率 － 40 dB/dec穿越零線， 對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。 典型Ⅰ 由式 (222)可以知道， 當(dāng) ωc增大時(shí)， 相角穩(wěn)定裕度 γ減少， 不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。 c1T? ?c1 8 0 9 0 a r c ta n 4 5T??? ? ? ?（ 222） 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 根據(jù)圖 212可以得到典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 典型 Ⅰ 型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)， （ 223） （ 224） ? ?? ? 2()11KWs TsKWsssTT? ??? ??2n22nn() 2s ss ?? ? ? ?? ??第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中， 無阻尼自然振蕩頻率 ωn、 阻尼系數(shù) δ與典型 Ⅰ 型系統(tǒng) 在工程應(yīng)用中， 除了那些不容許產(chǎn)生振蕩響應(yīng)的系統(tǒng)外， 通常希望控制系統(tǒng)具有適度的阻尼、 較快的響應(yīng)速度和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間， 因此， 二階控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 一般取δ。 。 ? ? n22n2111 e s i n 1 a r c t g1ty t t?? ???????? ???? ? ? ?? ??（ 225） 第 2章 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 超調(diào)量 σ與參數(shù) δ 上升時(shí)間 tr與參數(shù) δ 調(diào)節(jié)時(shí)間 ts與參數(shù) δ、 ωn的近似關(guān)系為（誤差帶在 177。