【正文】 但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。由于電力電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，在 20 世紀(jì)相當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。自 19 世紀(jì) 80 年代起至 19 世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機(jī)一直以直流電動機(jī)為唯一方式。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對變速傳動裝置是一項(xiàng)基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級）調(diào)速的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。從 60 年代起，國外對交流電動機(jī)調(diào)速已開始重視。尤其是 70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點(diǎn)是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機(jī)交換信息； (7) 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計方法的優(yōu)點(diǎn)，即計算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題，等等。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個生產(chǎn)領(lǐng)域。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析和計算，利用 Simulink 對系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。3. 建立數(shù)學(xué)模型，計算其參數(shù)；4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計；5. 完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [1，6] 。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（2—1）表示 ???eKIRUn （2—1）式中 n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速；U——電樞供電電壓； I——電樞電流； R——電樞回路總電阻，單位為 ? eK——由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢系數(shù)。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)電樞供電電壓的方式最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力。一、靜態(tài)性能指標(biāo)1） ．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn與最低轉(zhuǎn)速 min之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minax? （2—2）2） ．靜差率靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。對于圖 2—1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落 1edn?= 2e，但由于 012n?，因此 s?。在 1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 時也降落 10r/min，就占 10%；如果 0只有 10r/min，再降落 10r/min 時，電動機(jī)就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。 圖 2—1事實(shí)上，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。脫離了對靜差率的要求。 動態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動態(tài)性能指標(biāo)。一、跟隨性能指標(biāo)在給定信號（或稱參考輸入信號）R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間：1）上升時間 rt在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖 2—2。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ??%25?或 的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖 2—2。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間： 1）動態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負(fù)載擾動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 maxc叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c的百分?jǐn)?shù)來表示。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差） 。 2）恢復(fù)時間 ft 從階躍擾動作用開始，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)量 bc的 ??25?或 范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間 ft，其中 b稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。電動機(jī)的最大電流 (堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性一、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。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。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *n= = n??= 0 Ui= = dI?由第一個關(guān)系式可得：n= ?*nU= 0從而得到圖 25 所示靜特性曲線的 CA 段。而 d，一般都是大于額定電流 dnI的。2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，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。穩(wěn)態(tài)時： dI= ?*imU= dI其中，最大電流 m取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一條垂直的特性。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，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖 2—6中虛線。PI 調(diào)節(jié)器輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)。電流反饋系數(shù)：β= i/ dI。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說明。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖 2—7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 gnU由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓giU、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 k、可控整流器輸出電壓 d、電動機(jī)電樞電流 aI和轉(zhuǎn)速n的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 2—8 所示。第一階段是電流上升階段。當(dāng)增加到 LaI?（負(fù)載電流）時，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的輸出很快達(dá)到限幅值 gim，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的最大值 amI（在這過程中 dkU,的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的） ，到這時電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfigimIU???式中， ?——電流反饋系數(shù)。 第二階段是恒流升速階段。由于電流 aI保持恒定值 amI，即系統(tǒng)的加速度 dtn/為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRUemd???知，dU也線性增加，這就要求 kU也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 gim，所以電動機(jī)仍在以最大電流 amI下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。到 LaI?時，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定） 。穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值 gn，電樞電流 aI等于負(fù)載電流 LI，ASR 和 ACR 的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時 ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。圖 2—8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點(diǎn)：（1）飽和非線形控制：隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。但由于在起動過程Ⅰ、Ⅱ兩個階段中電流不能突變，實(shí)際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制” 。 動態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。1． 抗負(fù)載擾動由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。2． 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。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)變化會小得多。為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的需要。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 ??????nijrmjjsTKsW1?根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為 0 型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。因此,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng),典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2）)1()??TsKW （3）)()2s?典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小,但抗擾性能差。接下來可用一個實(shí)例來說明這個問題。仿真結(jié)果如圖 3 所示。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題,所以一般電流環(huán)多設(shè)計為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,整流裝置滯后時間常數(shù) Ts和電流濾波時間常數(shù) Toi 一般都比電樞回路電磁 Tl 小很多,可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié),取 T∑i=Ts+Toi 。如前所述 ,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成 PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示: （5）sKW?)1()??