畢業(yè)設(shè)計(jì)---直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也為許多發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)?lái)了相當(dāng)大的問(wèn)題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。而能源的開(kāi)發(fā)與利用又對(duì)環(huán)境的保護(hù)有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開(kāi)發(fā)與利用有關(guān)。</p><

2、p>　　能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國(guó)能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。90年代中國(guó)高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國(guó)家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在開(kāi)采、加工轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)運(yùn)和終端利用過(guò)程中損失和浪費(fèi)。如果進(jìn)行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國(guó)家比較（90年代中

3、期），中國(guó)分別是瑞士、意大利、日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國(guó)火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤kW/h，是國(guó)際先進(jìn)水平的1.27倍。</p><p>　　由此可見(jiàn)，對(duì)能源的有效利用在我國(guó)已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦

4、時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國(guó)各類在用電機(jī)中，80%以上為0.55 —220kW以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)在用電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50年代水平。因此，在國(guó)家十五計(jì)劃中，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá)500億元左右。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求。</p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場(chǎng)的很大一部分還是被國(guó)外公司所占據(jù)。因此

5、，為了加快國(guó)內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求有一個(gè)全面的了解。</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動(dòng)控制中。它在以計(jì)算機(jī)做為工具的仿真系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)不僅省錢，而且安全，周期短、見(jiàn)效快。</p><p>　　近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速

6、系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在各種高精工業(yè)生產(chǎn)中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數(shù)自整定、故障報(bào)警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護(hù)提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今的熱門(mén)。而計(jì)算機(jī)和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

7、結(jié)合體，剛好具有以上特點(diǎn)。應(yīng)而，將來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，它將具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。目前，需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　2

8、0世紀(jì)50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開(kāi)始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。</p><p>　　圖1.1是V-M系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖[1,3,5]。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全

9、波、半控、全控等類型，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國(guó)得到普遍應(yīng)用。</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）</p>

10、;<p>　　但是，晶閘管還存在以下問(wèn)題：</p><p>　?。?）由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕o系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；</p><p>　?。?） 由于晶閘管元件的過(guò)載能力小，不僅要限制過(guò)電流和反向過(guò)電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件；</p><p>　?。?） 當(dāng)系統(tǒng)

11、處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；</p><p>　?。?） 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的電流脈動(dòng)很嚴(yán)重。</p><p>　　1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　1.2.1 系統(tǒng)的組成</

12、p><p>　　由前面的分析可知，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速要求。許多需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足D、S的要求，提高調(diào)速質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。用轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，例如在電動(dòng)機(jī)上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，檢測(cè)出輸出量或被調(diào)量n的大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓△Un，經(jīng)放大產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)的

13、轉(zhuǎn)速。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖1.2。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。</p><p>　　圖1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　1.2.2 系統(tǒng)的工作原理</p><p&

14、gt;　　改變轉(zhuǎn)速給定電壓Un的大小，就可以改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖1.3所示，設(shè)電動(dòng)機(jī)在Ud1決定的特性上的點(diǎn)1處以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)負(fù)載電流Id=Id1，控制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當(dāng)電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL加大時(shí)有如下自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程,整流電壓平均值的增量△Ud=Ud2-Ud1,用</p><p>　　與補(bǔ)償電阻牙降增量△IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉(zhuǎn)速最后

15、穩(wěn)定在Ud2決定的特性上的點(diǎn)2處，顯然n2略小于n1。</p><p>　　圖1.3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系</p><p>　　上述自動(dòng)調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負(fù)載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性。按上述工作原理在每條開(kāi)環(huán)機(jī)械特性上取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，再將這些點(diǎn)集合起來(lái) ，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說(shuō)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實(shí)際上是由許多機(jī)械特性上的

16、不同運(yùn)行點(diǎn)集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。</p><p>　　由此可知，閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)降速的實(shí)際在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電路。</p><p>　　1.2.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)</p><p>　　轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律：&

17、lt;/p><p>　　（1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的；</p><p>　?。?） 單閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于給定輸入絕對(duì)服從；</p><p>　　（3） 單閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾性能。</p><p>　　1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　1.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成</p><

18、;p>　　單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，且采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問(wèn)題：</p><p>　　（1） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過(guò)載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。

19、一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無(wú)法保證兩種調(diào)節(jié)過(guò)程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　（2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)度過(guò)程。</p><p>　　為了獲得近似的理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別

20、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.1.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖1.4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)度過(guò)程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系，就是

21、將兩者分開(kāi)，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器[4]，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖1.4。</p>

22、;<p>　　1.3.1.2 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定</p><p>　　在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定信號(hào)，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力和系統(tǒng)對(duì)最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對(duì)最小α角的限制，也表示對(duì)晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中很

23、重要的一環(huán)。</p><p>　　1.3.1.3 調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　為使調(diào)速系統(tǒng)消除靜差，并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會(huì)因輸入干擾信號(hào)的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號(hào)，而使電動(dòng)機(jī)爬行，這在控制上是不允許的，因此對(duì)調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的調(diào)節(jié)器，在沒(méi)有給出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位

24、上，簡(jiǎn)稱為調(diào)節(jié)器鎖零[5,6,7]。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。并且系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。</p><p>　?。?） 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器必須鎖零；</p><p>　?。?） 系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令或正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。</p><p>　　根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個(gè)信號(hào)來(lái)控制調(diào)節(jié)器“鎖零”與“開(kāi)放”兩個(gè)狀態(tài)

25、。</p><p>　　停車時(shí)：Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零,無(wú)輸出信號(hào)。</p><p>　　啟動(dòng)時(shí)：Un≠0，Ufn=0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)：Un=Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　制動(dòng)停車時(shí)：Un=0, Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)

26、。</p><p>　　必須注意，對(duì)于可逆調(diào)速系統(tǒng)，Un=0, Ufn≠0時(shí)，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)停車控制。為使鎖零電路對(duì)不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性，Un=0, Ufn≠0時(shí)，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。調(diào)節(jié)器鎖零可以采用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1.5所示。</p><p>　　圖1.5 調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　當(dāng)Un=Ufn=0時(shí)，鎖零調(diào)節(jié)電路使

27、場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。</p><p>　　1.3.1.4 系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定</p><p>　　在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋閉環(huán)，就必須使ASR、ACR的輸入信號(hào)Un與Ufn,Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號(hào)的極性呢？</p><p>　　在實(shí)際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要正確的確定上述信號(hào)的極性，必須首先

28、考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定ACR輸出電壓Uc的極性，然后根據(jù)ACR和ASR輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定Ui和Un的極性，最后按照負(fù)反饋要求確定Ufi和Ufn的極性。</p><p>　　確定各輸入、輸出信號(hào)極性的一般方法如下：</p><p>　　① 根據(jù)晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求確定其移相控制電壓Uc的極性；</p><p>　　

29、② 根據(jù)各調(diào)節(jié)器輸入端的具體接法（習(xí)慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調(diào)節(jié)器給定輸入信號(hào)的極性；</p><p>　?、?根據(jù)負(fù)反饋的要求確定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號(hào)的極性。</p><p>　　1.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性</p><p>　　1.3.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)

30、圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫(huà)出圖1.6所示雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[8]。</p><p>　　其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器ASR、ACR這兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸入與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無(wú)法用放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的輸出特性表示。</p><p>　　圖1.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　α—為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β—為電流反饋系數(shù)</p>

31、;<p>　　1.3.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性仍然表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n與電流Id或轉(zhuǎn)矩Te的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)n=f(Id)或n=f(Te)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般有兩種狀態(tài)：飽和——輸出達(dá)限幅值；不飽和——輸出未達(dá)限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和

32、；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，其比例積分控制作用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓△U為零。實(shí)際上，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</p><p>　　這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓△Un=0得</p><

33、p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　由ACR的輸入偏差電壓△Ui=0得</p><p><b>　　（1.3）</b></p><p>　　從而可畫(huà)出圖1.7所示靜特性的n0—A段。由于ASR不飽和，因此

34、Ui<Uim,由式（1.3）知Id<Idm，這表明n0—A段靜特性從Id=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到Id= Idm，而在一般情況下Idm>Id，這正是靜特性的運(yùn)行段。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)，ASR輸出達(dá)限幅值Uim，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)

35、態(tài)時(shí)</p><p><b>　　（1.4）</b></p><p>　　式中，最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決與電動(dòng)機(jī)所允許的最大過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式（1.4）所描述的靜特性如圖1.7中的A—B段。這樣的下垂特性只適合于n≤n0的情況。若n>n0，Ufn>Un,ASR將退出飽和狀態(tài)。</p><p>　　由以

36、上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差；當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，使系統(tǒng)獲得過(guò)電流自動(dòng)保護(hù)。這就是采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性好。但是，實(shí)際上，由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器（即在PI調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個(gè)阻值為若干MΩ的電阻）時(shí)，靜特

37、性的兩段都略有很小的靜差，如圖1.7中虛線所示。</p><p>　　1.3.2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　由于轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)無(wú)靜差，因此，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)，且兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，由圖1.7可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下</p><p>　　圖1.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖</p

38、><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由負(fù)載電流IL決定，而控制電壓Uc的大小同時(shí)由n和I

39、d決定，也就是由Un和IL決定。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的不同之處在于：P調(diào)節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。鑒于此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，雖然ASR、ACR的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都有恒定的輸出電壓。這時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為</p><p><b>　?。?.8）&l

40、t;/b></p><p><b>　　電流反饋系數(shù)</b></p><p><b>　　（1.9）</b></p><p>　　其中兩個(gè)給定電壓的最大值Unm和Uim由運(yùn)算放大器允許的最大輸入電壓決定。</p><p>　　1.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析</p><

41、p>　　1.3.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[9—12]</p><p>　　根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1.4，可畫(huà)出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.8所示。</p><p>　　圖1.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Kn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p>　　1.3

42、.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要指系統(tǒng)對(duì)給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)輸入（階躍擾動(dòng)）的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能或稱動(dòng)態(tài)品質(zhì)。</p><p>　?。?） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程</p><p>　　設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的是要獲得接近于理想啟動(dòng)

43、過(guò)程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程。當(dāng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形如圖1.9所示。由于在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。</p><p>　?、?第Ⅰ階段（0-t1）：強(qiáng)迫電流上升階段</p><p>　　突加給定電壓Un后，通過(guò)

44、兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當(dāng)Id≥IL后,轉(zhuǎn)速n從零開(kāi)始增長(zhǎng)，但由于電動(dòng)機(jī)機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速n及其反饋信號(hào)Ufn增長(zhǎng)較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因輸入偏差電壓△Un=Un-Ufn數(shù)值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強(qiáng)迫Id電流迅速上升。當(dāng)Id=Idm時(shí)，Ufi≈Uim,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再增長(zhǎng)，第Ⅰ階段結(jié)束[1,9]。</p><p>　　在這一階段中，ASR由不飽和很快

45、達(dá)到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和給予保證的。</p><p>　　② 第Ⅱ階段（t1-t2）:恒流升速階段，即電動(dòng)機(jī)保持最大電流作等加速啟動(dòng)的階段。</p><p>　　該階段從電流上升到Idm開(kāi)始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值n1為止，是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段。</p><p>　　在這個(gè)階段中，ASR一直處于飽和狀態(tài)（因△U

46、n未改變極性）,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，其作用是輸出最大電流給定值Uim，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決與ACR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速及反電勢(shì)線性上升。在電流環(huán)實(shí)現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)的過(guò)程中，反電勢(shì)E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服這個(gè)擾動(dòng)量，Uc 和Ud也必須基本上線性增長(zhǎng)，才能保持Id恒定。電流環(huán)對(duì)擾動(dòng)E的恒流調(diào)節(jié)過(guò)程如下</p><

47、;p>　　n↑→E↑→Id↓→Ufi↓→|△Ui|↑→Uc↑→Ud↑→Id↑</p><p>　　轉(zhuǎn)速n不斷上升，ACR便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過(guò)程，以維持電流Id恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長(zhǎng)，就必須使其輸入量偏差電壓△Ui保持為某一恒值，也就是說(shuō)，Id應(yīng)略低于Idm。</p><p>　　上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過(guò)程一直伴隨著對(duì)反電勢(shì)擾動(dòng)的

48、調(diào)節(jié)過(guò)程，反電勢(shì)擾動(dòng)對(duì)電流的影響為ACR的積分作用所補(bǔ)償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動(dòng)過(guò)程中，ACR不能飽和。這就要求ACR的積分時(shí)間常數(shù)和被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T1要相互配合。同時(shí)，晶閘管整流裝置的最大電壓Udm必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)予以考慮和解決的問(wèn)題。</p><p>　?、?第Ⅲ階段（t2-t4）：轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)入穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。</p>

49、<p>　　在該階段開(kāi)始時(shí)，即t2時(shí)刻，轉(zhuǎn)速已達(dá)給定值n1，ASR的給定電壓Un與反饋電壓Ufn相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim上，因此電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的輸入偏差△Un由正變負(fù)，ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來(lái)，Id隨之迅速減小。但是，在Id>IL的一段時(shí)間內(nèi)（即t2-t3）時(shí)間內(nèi)，

50、dn/dt<0,電動(dòng)機(jī)在負(fù)載阻力下減速，直至系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)。該階段的特點(diǎn)是ASR、ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。但是ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；而ACR的作用是使Id盡快的跟隨ASR的輸出Ui變化，也就是說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程是由轉(zhuǎn)速外環(huán)支配的，是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。</p><p>　?。?） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能</p><p>　　負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)

51、電壓擾動(dòng)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動(dòng)，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時(shí)間，就說(shuō)明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾能力。</p><p>　　① 抗負(fù)載擾動(dòng) 由圖1.8所示的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為了減小動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對(duì)ACR的設(shè)計(jì)

52、來(lái)說(shuō)，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。</p><p>　?、?抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 從靜特性上看，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)（如圖1.9）它的影響還未波及到轉(zhuǎn)速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降（升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。</p><p>　　圖1.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能</p><p>　　2

53、 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定</p><p>　　在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負(fù)載的工藝要求來(lái)選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流反饋系統(tǒng)可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到。最后剩下的是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動(dòng)態(tài)校正法，由于該法必須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設(shè)計(jì)采用另一種方法，工程設(shè)計(jì)法。</p>

54、;<p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)[13]，包括對(duì)某些簡(jiǎn)單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，找出適合與給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和開(kāi)環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便、明確且具有一定的準(zhǔn)確性。</p><p>　　工程上通常選用以下兩種預(yù)期典型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　　二階典型系

55、統(tǒng)（典Ⅰ系統(tǒng)）[11]</p><p>　　三階典型系統(tǒng)（典Ⅱ系統(tǒng)）</p><p>　　在具體選擇時(shí)，若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可選典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.1 總體方案</b></p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用

56、由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開(kāi)始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對(duì)象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。通常，隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為

57、主，而調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。</p><p>　　2.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.2.1 電流調(diào)節(jié)器的工作原理</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)Un，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)Uif，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最

58、大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動(dòng)過(guò)渡時(shí)間最短。</p><p>　　如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(如降低)時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化(增大)，則α也變化（變小)，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)(增加)致電原來(lái)的數(shù)值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說(shuō)，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，

59、在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。</p><p>　　同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和直流電動(dòng)機(jī)不致因電流過(guò)大而損壞。</p><p>　　2.2.2 電流調(diào)節(jié)器的作用</p>

60、<p>　?、?對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；</p><p>　?、?啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)過(guò)程；</p><p>　?、?在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化；</p><p>　?、?依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；</p><p>　?、?當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電

61、流，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。 </p><p>　　電流環(huán)的控制對(duì)象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測(cè)及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)或典Ⅱ系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p><b>　　其具體設(shè)

62、計(jì)步驟為：</b></p><p>　?。?） 對(duì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡(jiǎn)化；</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計(jì)算；</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理</p>&l

63、t;p>　　在主電機(jī)上安裝一直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較，其偏差△Un送到速度調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓，例如提高Un*，則有較大△Un加到ASR輸入端，ASR自動(dòng)調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(α減小)，整流電壓Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，Um也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><

64、;p>　　如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過(guò)速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移(α變小)，Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來(lái)數(shù)值時(shí)，Unf又等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來(lái)自負(fù)載而是來(lái)自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上述過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓

65、提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動(dòng)機(jī)近似轉(zhuǎn)速不變。</p><p>　　2.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 </p><p>　　① 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un變化；</p><p>　?、?對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；</p><p>　?、?能對(duì)電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p>

66、;<p>　　電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為合適的典型系統(tǒng)，再由調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對(duì)其主要參數(shù)選擇。并以此為基礎(chǔ)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量進(jìn)行計(jì)算，看是否符合設(shè)計(jì)需要。</p><p>　　3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　晶閘管整流裝置供電的

67、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī) 220V,15.6A,1500r/min,2.8kW,Ra=1.5Ω；</p><p>　　晶閘管整流裝置 Ks=50;</p><p>　　時(shí)間常數(shù) TL=0.008s,Tm=0.25s;</p><p>　　電樞回路總電阻 R=2.5Ω;<

68、/p><p>　　轉(zhuǎn)速給定的最大電壓為 Unm=10V,其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 nmax=1200 r/min;</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器限幅值 Uim=10V。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 無(wú)靜差；</b></p><p>

69、;　　動(dòng)態(tài)指標(biāo) 電流超調(diào)量 δi%≤5%；空載啟動(dòng)到1200 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn%≤6%。</p><p><b>　　有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。</b></p><p>　　a 電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)常數(shù)</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　b 三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時(shí)

70、間</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　c 電流反饋系數(shù)β 設(shè)最大允許電流Idm=1.25IN，則電流反饋系數(shù)為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　d 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α</b></p><

71、;p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　e 電流給定和反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi 一般取1—3ms，這里取</p><p>　　Toi=2ms=0.002s (3.5)</p><p>　　f 轉(zhuǎn)速給定和反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton 一般取5—3ms，這里取</p>

72、<p>　　Ton=10ms=0.01s (3.6)</p><p>　　3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)</p><p>　　電流環(huán)的控制對(duì)象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置[14—16]，電流檢測(cè)及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)或典Ⅱ系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系

73、統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典Ⅱ系統(tǒng)</p><p>　　圖3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化</p><p>　　圖3.1虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。為按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，需對(duì)其結(jié)構(gòu)圖作以下工程近似和等效處理。</p><p>　　3.1.1.1 忽略反電勢(shì)的影響</

74、p><p>　　將電流環(huán)單獨(dú)拿出來(lái)設(shè)計(jì)，首先遇到的問(wèn)題是反電勢(shì)產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔?。在?shí)際系統(tǒng)中，由于電磁時(shí)間常數(shù)TL遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，電流調(diào)節(jié)過(guò)程比轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程快得多，因而也比反電勢(shì)E的變化快得多。因此，反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)的影響可以看作對(duì)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種變化緩慢的擾動(dòng)，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以認(rèn)為E基本不變，或認(rèn)為△E=0。這樣，在進(jìn)行電流環(huán)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可暫不考慮反電勢(shì)變化的影響，而將電勢(shì)反饋?zhàn)饔煤雎?/p>

75、不計(jì)，以簡(jiǎn)化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.2（a）所示?？赏茖?dǎo)其近似條件為</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　3.1.1.2 變換成單位反饋系統(tǒng)</p><p>　　利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2（b）所示。</p>&

76、lt;p>　　圖3.2 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化</p><p>　　3.1.1.3 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　　由圖3.2(b)可見(jiàn)，電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對(duì)象由三個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其中晶閘管變流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts和電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi都比電磁時(shí)間常數(shù)TL小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，將二者等效成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為</p><p><b

77、>　　(3.8)</b></p><p>　　的小慣性環(huán)節(jié)。其近似條件為</p><p><b>　　(3.9)</b></p><p>　　電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終可簡(jiǎn)化成圖3.2(c)</p><p>　　3.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計(jì)算</p><p>　　如前所述，根據(jù)對(duì)

78、電流環(huán)的具體要求不同可以按典Ⅰ系統(tǒng)也可按典Ⅱ系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電流。但是，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　時(shí)，應(yīng)按典Ⅰ系統(tǒng)來(lái)計(jì)算。</p><p>　　由圖3.2可知，電流環(huán)的控制對(duì)象由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，若按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><

79、p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　式中 Ki——電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；</p><p>　　τi——電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　參數(shù)配合為</b></p><p><b>　　(3.12)</b></p>&l

80、t;p>　　這時(shí)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3.3(a)所示典Ⅰ系統(tǒng)的形式，其中電流環(huán)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)KI：要求δi≤5%時(shí)，應(yīng)按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　相應(yīng)地，電流環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性入圖3.3（b）所示。</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Ki和τi，已選τi=

81、TL，Ki的確定取決與所需的</p><p>　　ωci和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。因本設(shè)計(jì)要求跟隨性能好，超調(diào)量小，固按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，取</p><p>　　或 (3.14)</p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　(3.1

82、5)</b></p><p><b>　　得</b></p><p><b>　　(3.16)</b></p><p>　　3.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖入圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3

83、 校正成典Ⅰ系統(tǒng)的電流環(huán)</p><p>　　圖3.4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　首先畫(huà)出其輸入等效電路如圖3.5所示，圖中A點(diǎn)為虛地點(diǎn)，可以認(rèn)為它與電容Coi的接地端連在一起。</p><p>　　圖3.5 含濾波環(huán)節(jié)的輸入等效電路</p><p>　　由圖3.5可得流入A點(diǎn)的電流ia的拉氏變換表達(dá)式為&l

84、t;/p><p><b>　　(3.17)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　為電流濾波時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　于是圖3.4中虛地點(diǎn)A的電流平衡方程式為</

85、p><p><b>　　(3.19)</b></p><p>　　式中 Ki=Ri/R0,Ti=RiCi。</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電

86、流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)。由圖3.3可得按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.20)</b></p><p>　　由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率ωcn低于電流環(huán)的截止頻率ωci，即ωcn<<ωci，因此，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)可把電流環(huán)看成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，WBi(s)可降階近似處理為</p&g

87、t;<p><b>　　(3.21)</b></p><p>　　相應(yīng)的近似條件，轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率</p><p><b>　　(3.22)</b></p><p>　　這種近似的概念可用圖3.6的對(duì)數(shù)幅頻特性表示。對(duì)數(shù)幅頻特性漸近線入圖3.6中的特性A。近似為一階慣性環(huán)節(jié)后為特性B，當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)ωcn較低時(shí)，對(duì)于

88、轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性而言，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有些差異。</p><p>　　由于電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入應(yīng)為Ui,因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)應(yīng)為</p><p>　　（當(dāng) 時(shí)） </p><p><b>　　(3.23)</b></p><p>　　圖3.6 電流環(huán)原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性&

89、lt;/p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　將電流環(huán)用等效傳遞函數(shù)代替后，整個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.7（a）所示，且可用前述方法將其簡(jiǎn)化成圖3.7（b）。其中</p><p><b>　　(3.24)</b></p><p>　　顯然，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)組成。

90、一方面由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前已有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)；另一方面由于轉(zhuǎn)速環(huán)的主擾動(dòng)是作用于被控對(duì)象積分環(huán)節(jié)前的經(jīng)常性的負(fù)載擾動(dòng)，要求轉(zhuǎn)速環(huán)具有較好的抗擾性能。因此，毫無(wú)疑問(wèn)應(yīng)將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p>　　要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)，應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.

91、25)</b></p><p>　　式中 Kn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　τn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　式中轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為</p&

92、gt;<p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖3.7(c)中。</p><p>　　圖3.7 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理</p><p>　　3.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)KN和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

93、參數(shù)Kn和τn的確定處決與調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求和采用哪種參數(shù)選擇準(zhǔn)則。根據(jù)前面的條件，應(yīng)用Mrmin準(zhǔn)則選擇參數(shù)，則</p><p><b>　　(3.28)</b></p><p><b>　　(3.29)</b></p><p><b>　　(3.30)</b></p><

94、;p>　　其中，中頻寬h的大小由系數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求來(lái)決定。若無(wú)特殊要求，一般取h=5。</p><p>　　3.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和限幅工作狀態(tài)及退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算</p><p>　　若將退飽和過(guò)程與負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程加以比較，則不難發(fā)現(xiàn)它們的變化規(guī)律是相同的，因而可找到一條計(jì)算退飽和超調(diào)量的捷徑，那就是用抗擾性能指標(biāo)來(lái)計(jì)算退飽和超調(diào)量。</p><p&

95、gt;　　當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖入圖3.8（a）。由于我們感性趣的只是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以上的超調(diào)部分，所以只考慮實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值</p><p>　　△n=n-ns相應(yīng)地轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖3.8（b）。初始調(diào)件則轉(zhuǎn)化為</p><p><b>　　(3.31)</b></p><p>　　在這里轉(zhuǎn)速超調(diào)量的基準(zhǔn)值是ns

96、,在，在抗擾指標(biāo)中，△C的基準(zhǔn)是</p><p><b>　　(3.32)</b></p><p><b>　　對(duì)比前面的條件可知</b></p><p>　　， </p><p><b>　　(3.33)</b></p&g

97、t;<p>　　圖3.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　所以動(dòng)態(tài)升速△n的基準(zhǔn)值為</p><p><b>　　(3.34)</b></p><p>　　已知開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　　(3.35)</b></p><p>

98、;<b>　　則基準(zhǔn)又可以表示為</b></p><p><b>　　(3.36)</b></p><p>　　于是經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)值換算后，可得退飽和超調(diào)量為</p><p><b>　　(3.37)</b></p><p>　　上述分析表明，ASR的飽和非線性，使轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量

99、的具體數(shù)值與轉(zhuǎn)速環(huán)的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比值 TΣn/Tm，開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的斜率，最大電流Idm，負(fù)載大小有關(guān)，特別是與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速△nmax與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，不會(huì)因ns的不同而變化，但是退飽和超調(diào)量δ%卻與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)，ns=nN與ns=0.2nN時(shí)的退飽和超調(diào)量大不相同。</p><p>　　綜上所述，可得如下結(jié)論：</p><p>　　退飽和超調(diào)量的大小與動(dòng)態(tài)降速的大小是一致的。也就是說(shuō)，考慮AS

100、R的飽和和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能并不矛盾，而是一致的。</p><p>　　3.2.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的并聯(lián)微分校正——轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的引入</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，設(shè)計(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)。然而，其動(dòng)態(tài)性能的不足之處是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，抗擾性能的提高受到一定限制。為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)甚至消滅轉(zhuǎn)

101、速超調(diào)，以及消除可逆調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的“停車反調(diào)”現(xiàn)象，有必要在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋?？梢宰C明，采用帶微分負(fù)反饋的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上符合現(xiàn)代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制”，因而可以獲得實(shí)際可行的最優(yōu)動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　3.2.5.1 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.9所

102、示。其中Cdn的作用主要是對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行微分，稱作微分電容，而Rdn的主要作用是濾去微分后帶來(lái)的高頻嘈聲，稱之為濾波電阻。為了分析帶微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，首先必須求出這種調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。微分反饋支路電流的拉氏變換式為</p><p><b>　　(3.38)</b></p><p>　　因此，圖2.9虛地點(diǎn)A的電流平衡方程為</p><

103、p><b>　　(3.39)</b></p><p>　　圖3.9 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　整理后德</b></p><p><b>　　(3.40)</b></p><p>　　式中 ——轉(zhuǎn)速微分時(shí)間常數(shù)；</p>&l

104、t;p>　　——轉(zhuǎn)速微分濾波時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　3.2.5.2 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及退飽和時(shí)間和轉(zhuǎn)速的計(jì)算</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別僅在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增加了電容Cdn和電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速反饋的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號(hào)。在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，兩個(gè)信號(hào)一起與給定信號(hào)Un相抵，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更早一

105、些達(dá)到平衡并開(kāi)始退飽和。由圖3.10可見(jiàn)，普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的退飽和點(diǎn)是O，,現(xiàn)在提前到T點(diǎn)，T點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速nt比ns低，因而有可能在進(jìn)入線性閉環(huán)系統(tǒng)工作之后沒(méi)有超調(diào)就趨于穩(wěn)定，如圖3.10中曲線②所示。下面計(jì)算其退飽和后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能取決于轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)入線性狀態(tài)后的過(guò)度過(guò)程，其初始條件就是退飽和點(diǎn)（圖3.10中T點(diǎn)）的轉(zhuǎn)速和電流。T點(diǎn)的電流仍是Idm，其轉(zhuǎn)速nt則要通過(guò)退飽和時(shí)間tt來(lái)計(jì)算。</p><p>　　當(dāng)t

106、≤tt時(shí)，ASR仍飽和，Id=Idm，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。若將小時(shí)間常數(shù)TΣn的影響近似看成是轉(zhuǎn)速開(kāi)始升高時(shí)的純滯后作用，此后便不再影響轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)率，入圖3.10中的折線O—TΣn—T所示，則轉(zhuǎn)速上升過(guò)程可用下式描述</p><p><b>　　(3.41)</b></p><p>　　圖3.10 轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋對(duì)啟動(dòng)過(guò)程的影響</p><p>　　

107、①—普通雙閉環(huán)曲線；②—帶微分負(fù)反饋的曲線</p><p>　　當(dāng)t=tt時(shí)，ASR開(kāi)始退飽和，其輸入信號(hào)△Un=0,由圖3.10可得</p><p><b>　　(3.42)</b></p><p>　　由式（3.41），考慮到tt>TΣn,則</p><p><b>　　(3.43)</b>

108、;</p><p><b>　　且</b></p><p><b>　　(3.44)</b></p><p>　　將式（3.43）和（3.44）代入式（3.42），并注意到Un/α=ns,得</p><p>　　(3.45)退飽和時(shí)間為</p><p><b>　　

109、(3.46)</b></p><p>　　代入式（3.43）得退飽和轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　(3.47)</b></p><p>　　由式（3.46）和（3.47）可見(jiàn)，與未加微分負(fù)反饋的情況相比，退飽和時(shí)間的提前量恰好是τdn,而退飽和轉(zhuǎn)速的提前量是</p><p><b>　　(3.4

110、8)</b></p><p>　　3.2.5.3 轉(zhuǎn)速微分反饋參數(shù)的工程設(shè)計(jì)方法</p><p>　　根據(jù)式（3.40）可以畫(huà)出帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.11（a）所示。為了分析方便起見(jiàn)，取Todn=Ton,再將濾波環(huán)節(jié)移到轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，并按小慣性環(huán)節(jié)近似方法，令</p><p><b>　　(3.49)</b></p

111、><p>　　得簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)圖，如圖3.11（b）所示，圖與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)相比，只在反饋通道中增加了一個(gè)微分項(xiàng)τdns。</p><p>　　可推得τdn的近似工程計(jì)算公式為</p><p><b>　　(3.50)</b></p><p>　　式中 δ——用小數(shù)表示的允許超調(diào)量，h=τn/TΣn。</p>

112、<p>　　因?yàn)棣牟豢赡転樨?fù)，所以無(wú)超調(diào)時(shí)的τdn應(yīng)該是</p><p><b>　　(3.51)</b></p><p>　　3.2.5.4 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)受負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.12所示。Mrmin準(zhǔn)則選擇參數(shù)，且取h=5，采用計(jì)算機(jī)防真所得系統(tǒng)

113、抗擾性能指標(biāo)列于表3.1中，其中</p><p>　　表3.1中數(shù)據(jù)表明，引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，動(dòng)態(tài)速降顯著減小，τdn越大，動(dòng)態(tài)速降越小，但恢復(fù)時(shí)間增加。應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的τdn值。總之，引入轉(zhuǎn)速微分反饋可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的抗擾性能。</p><p>　　圖3.11 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.12 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)

114、速系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　表3.1中數(shù)據(jù)表明，引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，動(dòng)態(tài)速降顯著減小，τdn越大，動(dòng)態(tài)速降越小，但恢復(fù)時(shí)間增加。應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇合適的τdn值?？傊?，引入轉(zhuǎn)速微分反饋可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的抗擾性能。</p><p>　　表3.1 帶轉(zhuǎn)速微分反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)</p><p><b>　　結(jié)論</b

115、></p><p>　　本課題在查找了大量資料的基礎(chǔ)上完成。由于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開(kāi)始，根據(jù)電流控制要求，把電流環(huán)校正為典Ⅰ系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對(duì)象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)