【正文】 5 反饋控制規(guī)律 介紹了以上這些之后，再來看下他的反饋控制規(guī)律： 轉(zhuǎn)速反 饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個比例放大器，即 pK =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。 2．抵抗擾動 , 服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。 調(diào)速系統(tǒng)的擾動源有： 1）負(fù)載變化的擾動（使 dI 變化）。 3）電動機(jī)勵磁的變化的擾動（造成 Ce 變化 ）。 5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使 R 變化）。 3．系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度 給定精度 —— 由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。 限流保護(hù) —— 電流截止負(fù)反饋 起動的沖擊電流 —— 直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓 dU 一下子就達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。例如，由于故障使機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅(jiān)硬的石塊等等。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。 以上就是關(guān)于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的一些內(nèi)容，為了實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，我們需要讓電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋分別起作用，這就是我要設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 第二章 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 轉(zhuǎn)速﹑電流 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 對于一個完整的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)、整個系統(tǒng)的綜合性價(jià)比以及系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、工作的可靠性等都是相當(dāng)重要的，這就要求我們考慮問題要非常周全，能夠考慮到各方面因素對整個系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。這是從單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。加上電機(jī)反電勢隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達(dá)到最大值之后迅速降下來。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間。另一方面，在一個調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數(shù)互相影響，調(diào)整也比較困難。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流 dcrI 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。 對于經(jīng)常正﹑反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。這樣的理想起動過程波形示于圖 21b） 。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。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。這就要求系統(tǒng)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，又希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，問題是在系統(tǒng)中應(yīng)該如何聯(lián)接。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接 ,如圖 22 所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外 環(huán)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 22 轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 *nU — 轉(zhuǎn)速給定電壓 nU — 轉(zhuǎn)速反饋電壓 *iU — 電流給定電壓 iU — 電流反饋電壓 為了獲得良好的靜﹑動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖 23所示。圖中還標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。它可以很方便地根據(jù)原理圖（見圖 23）畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器就可以了。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間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 圖 24 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 ?— 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。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。與此同時，由于 ASR 不飽和， *imi UU ? ，從上述第二個關(guān)系式可知 dmd II ? 。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一 Ks ? 1/Ce U*n Uc Id E n Ud0 Un + + ASR + U*i R ? ACR Ui UPE 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 條水平的特性。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。式 (22)所描述的靜特性對應(yīng)于圖 25 中的 AB 段，它是一條垂直的特性。 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。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。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?？傊p閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動態(tài)品質(zhì)。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 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)。 圖 31 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析 我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于圖 21b) 所示的 理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時 ，有必要首先探討它的起動過程。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的 I、Ⅱ、Ⅲ三個階段。當(dāng) dI ? dLI 后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電樞電流 dI 迅速上升。在這一階段中， ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 一般不飽和。與此同時，電動機(jī)的反電動勢 E 也按線性增長見圖 32，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。 第Ⅲ階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ 2t 以后） 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn ? 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 *imU ，所以電動機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時間內(nèi)， dLd II ? ，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。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)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單地用線性控制理論來分析整個起動過程，也不能簡單地用線性控制理論來 籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 3） 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程 I、Ⅲ兩個階段中電流不能突變，實(shí)際起動過程與理想起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” 。 最后，應(yīng)該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須回饋制動時，可采用可逆的電力電子變換器。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。 圖 33 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負(fù)載擾動作用 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，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 由圖 34a） 和 34b） 對比分析可知 1） 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。 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。 1． 電流調(diào)節(jié)器作用 1） 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 3） 在轉(zhuǎn) 速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 2． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用 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。 3） 其輸出限幅值決定電動機(jī)允 許的最大電流。反復(fù)試湊過程也就是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾諸方面矛盾的正確解決過程，需要有熟練的設(shè)計(jì)技巧才行。 2． 工程設(shè)計(jì)方法的可能性 現(xiàn)代 的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電機(jī)外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計(jì)時，只要內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè) 計(jì)過程就要簡便得多。 工程設(shè)計(jì)方法的原則 1） 概念清楚、易懂。 3） 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向。 5） 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。簡化的思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步： 第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。 這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)。分母中的 rs 項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)有 r 重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。自動控制理論已證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而 III型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 I 型和 II 型系統(tǒng)還有多種多樣的結(jié)構(gòu)，下面各選一種作為典型。 選擇它作為典型的 I型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段 以20 /dB dec? 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。而圖 35b） 表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開環(huán)對數(shù)頻率特性 圖 36 典型Ⅱ型系統(tǒng) 在典型 II 型系統(tǒng)中，其中頻段也是以 20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線。 ,后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié) ( 1)s?? ，就無法把相頻特性抬到 180176。 典型 I型系統(tǒng)與典型 II型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和西門子方法中的 “ 二階最佳系統(tǒng) ” 與“ 三階最佳系統(tǒng) ” 是一樣的，只是名稱不同 。 通過以上的敘述我們知道 典型 I型系統(tǒng)和典型 II型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別外，一般來說，在動態(tài)性能中典型 I型系統(tǒng)可以在跟隨性能中做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型 II型 系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。 控制系統(tǒng)的動態(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)。 1． 跟隨性能指標(biāo) 在給定信號或參考輸入信號 )(tR 的作用下，系統(tǒng)輸出量 )(tC 的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。通常以輸出 量的初始值為零時給定信號階躍變化下的過渡過程為典型的跟隨過程，這時的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。 1） 上升時間 rt 圖 37 繪出了階躍響應(yīng)的跟隨過程，圖中的 ?C 是輸出量 C 的穩(wěn)態(tài)值。 圖 37 典型階躍響應(yīng)曲線