【正文】 而且維修方便； (2) 動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)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(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來(lái)提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級(jí)計(jì)算機(jī)交換信息； (7) 具有信息存儲(chǔ)、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(dòng)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)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(jì)方法，和經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，即計(jì)算簡(jiǎn)便、應(yīng)用 方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題，等等。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用 Simulink 對(duì)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(jì)算其參數(shù)； 4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)； 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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（ 2— 1）表示 ??? eK IRUn （ 2— 1） 式中 n—— 電動(dòng)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(shì)系數(shù)。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。因此，自動(dòng)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(dòng)自動(dòng)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(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力。 一、靜態(tài)性能指標(biāo) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 1）．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速minn 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號(hào) D 表示 minmaxnnD? （ 2— 2） 2）．靜差率 靜差率是用來(lái)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來(lái)表示。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。對(duì)于圖 2— 1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落1edn? = 2edn? ，但由于 0102 nn ? ，因此 12 ss ? 。在 1000r/min 時(shí)降落 10r/min，只占 1%；在100r/min 時(shí)也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)提才有意義。脫離了對(duì)靜差率的 要求。 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 一、跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)） 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(lái)描述。通常以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典 型的跟隨過程，這時(shí)的動(dòng)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(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間： 1）上升時(shí)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(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖 2— 2。超調(diào)量越小，則相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)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(lái)為止的時(shí)間。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ? ?%2%5 ?? 或 的范圍本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 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(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，可見圖 2— 2。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間： 1）動(dòng)態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 %maxc? 叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸 出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c 的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。 2）恢復(fù)時(shí)間 ft 從 階躍擾動(dòng)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 ? ?%2%5 ?? 或 范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間 ft ，其中 bc稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。電動(dòng)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(lái)改變。 對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng) ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來(lái)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(dòng)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(gè)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(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說(shuō)，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)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(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *Un = Un = n?? = 0n?? *Ui = Ui = dI?? 由第一個(gè)關(guān)系式可得： n= ?*nU= 0n 從而得到圖 25 所示靜特性曲線的 CA 段。而 dmI ，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(shí)， 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(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。穩(wěn)態(tài)時(shí)： dI = ?*imU= dmI 其中，最大電流 dmI 取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)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(wú)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(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)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(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 定與反饋值計(jì) 算有關(guān)的反饋系數(shù)。 電流反饋系數(shù)：β = *imU / dmI 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)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(jiǎn)單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說(shuō)明。 繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動(dòng)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(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 電壓 giU 、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 kU 、可控整流器輸出電壓 dU 、電動(dòng)機(jī)電樞電流 aI和轉(zhuǎn)速 n 的動(dòng)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 La II ? （負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以 后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出很快達(dá)到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值 amI （在這過程中 dk UU, 的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfigim IUU ??? 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 dtdn/ 為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRIU eamd ?? ? 知， dU 也線性增加，這就要求 kU 也要線性增加，故在啟動(dòng)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(gè)階段中起作用。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 gimU ，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流 amI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。到 La II ? 時(shí)，電動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(shí) 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(wú)靜差調(diào)速。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 圖 2— 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)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(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （ 1）飽和非線形控制：隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)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(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來(lái)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。但由于在起動(dòng)過程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過程與理想啟動(dòng)過程相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。 1． 抗負(fù)載擾動(dòng) 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。 2． 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)小得多。 為了解決上述問題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)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 ? ?? ?? ???????? nijrmjjsTssKsW1111? 根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)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 )1()( ?? Tss KsW （ 2） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 )1( )1()( 2 ??? Tss sKsW ? （ 3） 典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超 調(diào)小 ,但抗擾性能差 。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)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(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。基于此 ,在轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值 ,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問題 ,所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng) ,電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù) Ts 和電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi 一般都比電樞回本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 路電磁 Tl 小很多 ,可將前兩者近似為一個(gè)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(jì)成Ⅱ型系統(tǒng) ,所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成 PI 型調(diào)節(jié)器 ,如下式所示 : ssKsW ?? )1()( ?? （ 5） 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 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 很快的跟隨給定電壓Un*的變化；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(wú)靜差； 2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用； 3) 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流； 1) 為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的