【正文】 時(shí)把給定信號(hào)改成 ?/)(*i sU ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖 39a）。 從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 i? =lT （ 310） 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖 317a 所示的典型形式，其中 RKKK i siI ? ?? （ 311） 式（ 39）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有： iK 和 i? ， 其中 i? 已選定，見式（ 310），剩下的只有比例系數(shù) iK ， 可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。由圖 39a可知 111)1(1)1(/)()()(I2IiiIiI*idc l i???????????sKsKTsTs KsTsKsUsIsW? （ 317） 忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為 111)(Icli ?? sKsW （ 318） 近似條件可由式 ),1m in(31c acb?? 求出 iI 31?? TK? （ 319） 式中 ? —— 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。 圖 313 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 )(*nsU /? ，再把時(shí)間常數(shù)為 1/ IK 和 n0T 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 onIn 1 TKT ??? （ 321） 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見圖 314），現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 )1()1()1()1()(n2mennnnmennnn ????????? sTsTCsRKsTsTCRssKsW???????? （ 323） 令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為 men nN TCRKK ?? ?? （ 324） 則 )1()1()(n2nNn ???? sTssKsW ? （ 325） 校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 314 校正后成為典型 II 型系統(tǒng) 3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 nK 和 n? , nn ??hT? (326) 2n2N 2 1??? ThhK (327) 因此 n men 2)1(??? RTh TChK ?? (341) 至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。 0nn RRK ? （ 329） nnn CR?? （ 330） on0on 41 CRT ? （ 331） 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 第四章 Matlab 仿真及結(jié)果分析 仿真是在理想的情況下進(jìn)行的，獲得結(jié)果對(duì)研究分析系統(tǒng)可以得到相當(dāng)好的幫助。 系統(tǒng)的仿真分為三個(gè)步驟，分別是：建模、設(shè)置參數(shù)、仿真及仿真結(jié)果分析。 工程設(shè)計(jì)舉例 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直 流 電 動(dòng) 機(jī) ： VUN 220? 、 AIN 136? 、 min/1460rnN ? ，)m in/(1 3 1??? rVC e ，允許過(guò)載倍數(shù) ? =； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40?sK ； 電樞回路總電阻： R =? ； 時(shí)間常數(shù)： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù)： AVIUNim / * ????? ； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： )m i n/(10 1* ????? rVnUNnm? 。 電流環(huán)的設(shè)計(jì) 1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT 。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有 ? ? msToi ~1 ? ，因此取 smsToi ?? ； 3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) iT? 。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 %5?i? ，而且 ????ilTT ，因此，電流環(huán)可按典型I 型 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 電流環(huán)截止頻率 ??? sK Ii? 1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足 sci T31??。 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足 lmci TT13??。 3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件 oisci TT131??。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 sT i ?? ； 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT 。近似處理，取 sTTT onin 0 1 7 ??? ?? 。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ? ssKsWnnnA SR ?? 1?? 。 現(xiàn)在 n sT ????? ?? 15 1，滿足簡(jiǎn)化條件。 現(xiàn)在 ion sTT ???????? 1312 131，滿足近似條件。 在 Simulink 環(huán)境下的仿真及分析 電流、轉(zhuǎn)速雙環(huán) 在轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的反饋通道和輸入端增加了轉(zhuǎn)速濾波、電流濾波和給定濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制檢測(cè)信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也個(gè)反饋檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)延遲。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，其時(shí)間常數(shù)用 onT 表示。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電 流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖 44。 第 I 階段電流上升的階段（ 0~1t ）。當(dāng) dI ≥ dLI 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 *imU ，強(qiáng)迫電流 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。在這個(gè)階段中，ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 *imU 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。 當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， dI 應(yīng)略低于 dmI 。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中 ACR 是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，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(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)（ 3t ~4t ），d I dLI ，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(guò)程。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： 圖 44 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 根據(jù) 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)： 1）當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)； 2）當(dāng) ASR 不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電 流隨動(dòng)系統(tǒng)。 這樣，采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 45 電流調(diào)節(jié)器開環(huán)系統(tǒng) 由于 ACR 為 PI 調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓 0** ???????? diiii IUUUU ? 即 dI = ?*iU 其中 ? —— 為電流反饋系數(shù)。 當(dāng) dI ＞ ?*iU 時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為： dI ↑→ iU? =∣ di IU ??? * ∣↓→ aU ↓→ dU ↓→ dI ↓ 最終保持電流穩(wěn)定。 a）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b）電流和轉(zhuǎn)速波形 圖 46 電流調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過(guò)轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。 當(dāng) *nU 一定時(shí) ,轉(zhuǎn)速 n將穩(wěn)定在 ?*nU 數(shù)值上。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過(guò)程。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 opop0e de*nsped0d nnCRIC UKKC RIUn ??????? (41) 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 ll nnKCRIKC UKKn cc0ede*nsp)1()1( ??????? (42) 其中 op0n 和 cl0n 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速； opn? 和 cln? 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。 1） 閉環(huán)系統(tǒng)靜特 性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多 開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別為 edop CRIn ??和 )1(e dc KCRIn l ??? 它們的關(guān)系是 Knnl ???? 1 opc （ 43） 當(dāng) K值較大時(shí)， cln? 比 opn? 小得多，也就是說(shuō)，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。 可得下述結(jié)論：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) Uex + + C1 Rbal Uin R0 + A R1 圖 411 PI 調(diào)節(jié)器原理圖 ssKsKsU sUsW ??? 11)( )()( pipiinexpi ????? （ 47） 令 11pi1 CRK ?? ?? ，則 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式 ssKsssW 11pi1pi 11)( ???? ???? （ 48） PI 調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)來(lái)表示， 1? 是微分項(xiàng)中的超 前時(shí)間常數(shù)，它和積分時(shí)間常數(shù) ? 的物理意義是不同的。圖 412b 比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程。突加給定電壓，ASR 的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流上升也很快，接近其峰值。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。 圖 412 PI 調(diào)節(jié)器輸出特性曲線 Uin Uin Uex Uexm t O Uex KpUin a) PI 調(diào)節(jié)器輸出特性曲線 Uc ?Un Uc 1 2 O t O t 1+2 b) PI 調(diào)節(jié)器輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程 開環(huán)控制：控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系及輸出對(duì)輸入沒(méi)有影響的控制。閉環(huán)控制又常稱 為反饋控制或偏差控制。由于開環(huán)控制不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，因此系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外界未知擾動(dòng)對(duì)控制精度