畢業(yè)設計---直流雙閉環(huán)調速系統設計

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　當前全球經濟發(fā)展過程中，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多發(fā)展中國家的經濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)砹讼喈敶蟮膯栴}。能源集中的地方也往往成為全世界所關注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災難都與能源的開發(fā)與利用有關。</p><

2、p>　　能源工業(yè)作為國民經濟的基礎，對于社會、經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。90年代中國高耗能產品的耗能量一般比發(fā)達國家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標準煤/千美元）的國家比較（90年代中

3、期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、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，中國火電廠煤耗為412克標準煤kW/h，是國際先進水平的1.27倍。</p><p>　　由此可見，對能源的有效利用在我國已經非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦

4、時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55 —220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統節(jié)能方面的投入將高達500億元左右。所以直流調速系統在我國將有非常巨大的市場需求。</p><p>　　目前，國內直流調速系統的研究非?；钴S，但是在產業(yè)化方面還不是很理想，市場的很大一部分還是被國外公司所占據。因此

5、，為了加快國內直流調速系統的發(fā)展，就需要對國際直流調速技術的發(fā)展趨勢和國內的市場需求有一個全面的了解。</p><p>　　直流雙閉環(huán)調速系統是工業(yè)生產過程中應用最廣泛的電氣傳動裝置之一。廣泛的應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領域的自動控制中。它在以計算機做為工具的仿真系統應用時不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。</p><p>　　近年來，交流調速系統發(fā)展很快，然而直流調速

6、系統無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調速系統的基礎[1]，所以直流調速系統在生產生活中有著舉足輕重的作用。</p><p>　　現代工業(yè)生產中，電動機是主要的驅動設備。在各種高精工業(yè)生產中，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、具有參數自整定、故障報警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護提供極大方便的調速系統成為了當今的熱門。而計算機和直流雙閉環(huán)調速系統的

7、結合體，剛好具有以上特點。應而，將來相當長的一段時間內，它將具有不可替代的優(yōu)勢。</p><p>　　1 直流調速系統簡介</p><p>　　調速系統是當今電力拖動自動控制系統中應用最普遍的一種系統。目前，需要高性能可控電力拖動的領域多數都采用直流調速系統。</p><p>　　1.1 晶閘管-電動機直流調速系統簡介</p><p>　　2

8、0世紀50年代末，晶閘管（大功率半導體器件）變流裝置的出現，使變流技術產生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調速系統，稱為晶閘管-電動機直流調速系統，簡稱V-M系統，又稱為靜止的Ward-leonard系統。這種系統已成為直流調速系統的主要形式。</p><p>　　圖1.1是V-M系統的簡單原理圖[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，半波、全

9、波、半控、全控等類型，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現平滑調速。由于V-M系統具有調速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應用。</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖1.1 晶閘管-電動機直流調速系統（V-M系統）</p>

10、;<p>　　但是，晶閘管還存在以下問題：</p><p>　?。?）由于晶閘管的單向導電性，給系統的可逆運行造成困難；</p><p>　?。?） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，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裝置和符合要求的散熱條件；</p><p>　?。?） 當系統

11、處于深調速狀態(tài)，即在較低速下運行時，晶閘管的導通角小，使得系統的功率因數很低，并產生較大的諧波電流，引起電網電壓波形畸變，對電網產生不利影響；</p><p>　　（4） 由于整流電路的脈波數比直流電動機每對極下的換向片數要小得多，因此，V-M系統的電流脈動很嚴重。</p><p>　　1.2 單閉環(huán)調速系統簡介</p><p>　　1.2.1 系統的組成</

12、p><p>　　由前面的分析可知，開環(huán)系統不能滿足較高的調速要求。許多需要無級調速的生產機械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統同時滿足D、S的要求，提高調速質量，必須采用閉環(huán)系統。用轉速檢測裝置，例如在電動機上安裝一臺測速發(fā)電機TG，檢測出輸出量或被調量n的大小和極性，并把它變換成與轉速成正比的負反饋電壓Ufn，與轉速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓△Un，經放大產生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動機的

13、轉速。這就組成了轉速負反饋單閉環(huán)調速系統，其原理圖如圖1.2。根據自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統是按被調量的偏差進行控制的系統。只要被調量出現偏差，它就會產生糾正偏差的自動調節(jié)過程。而前述轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，因此閉環(huán)調速系統應該能大大減小轉速降落。</p><p>　　圖1.2 單閉環(huán)調速系統</p><p>　　1.2.2 系統的工作原理</p><p&

14、gt;　　改變轉速給定電壓Un的大小，就可以改變直流電動機的轉速，實現平滑調速。如圖1.3所示，設電動機在Ud1決定的特性上的點1處以轉速n1穩(wěn)定運行，這時負載電流Id=Id1，控制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當電動機上的負載轉矩TL加大時有如下自動調節(jié)過程,整流電壓平均值的增量△Ud=Ud2-Ud1,用</p><p>　　與補償電阻牙降增量△IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉速最后

15、穩(wěn)定在Ud2決定的特性上的點2處，顯然n2略小于n1。</p><p>　　圖1.3 閉環(huán)系統靜特性與開環(huán)機械特性的關系</p><p>　　上述自動調節(jié)作用表明，增加或減小負載，就相應地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機械特性。按上述工作原理在每條開環(huán)機械特性上取一個相應的工作點，再將這些點集合起來 ，就是閉環(huán)系統的靜特性，也就是說，閉環(huán)調速系統的靜特性實際上是由許多機械特性上的

16、不同運行點集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調節(jié)作用的結果。</p><p>　　由此可知，閉環(huán)系統能減小穩(wěn)態(tài)降速的實際在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變整流電路。</p><p>　　1.2.3 單閉環(huán)調速系統的基本性質</p><p>　　轉速單閉環(huán)調速系統是一種基本的反饋控制系統，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>　?。?） 應用比例調節(jié)器的單閉環(huán)系統是有靜差的；</p><p>　?。?） 單閉環(huán)系統對于給定輸入絕對服從；</p><p>　?。?） 單閉環(huán)系統具有較強的抗擾性能。</p><p>　　1.3 雙閉環(huán)調速系統簡介</p><p>　　1.3.1 雙閉環(huán)調速系統的構成</p><

18、;p>　　單閉環(huán)調速系統可以實現轉速調節(jié)無靜差，且采用電流截止負反饋作限流保護可以限制啟（制）動時的最大電流。單閉環(huán)調速系統還存在以下問題：</p><p>　?。?） 在單閉環(huán)調速系統中用一個調節(jié)器綜合多種信號，各參數間相互影響，難于進行調節(jié)器動態(tài)參數的調整，系統的動態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負反饋和轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統中，一個調節(jié)器需完成兩種調節(jié)任務：正常負載時實現速度調節(jié)，過載時進行電流調節(jié)。

19、一般而言，在這種情況下，調節(jié)器的動態(tài)參數無法保證兩種調節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質。</p><p>　?。?） 系統中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應，即最佳過度過程。</p><p>　　為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調節(jié)器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調量轉速與輔助被調量分開加以控制，用兩個調節(jié)器分別

20、調節(jié)轉速和電流，構成轉速電流雙閉環(huán)調速系統。</p><p>　　1.3.1.1 直流雙閉環(huán)調速系統的組成</p><p>　　圖1.4 直流雙閉環(huán)調速系統電路原理圖</p><p>　　在轉速、電流雙閉環(huán)調速系統中，即要控制轉速，實現轉速無靜差調節(jié)，又要控制電流使系統在充分利用電動機過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關鍵是處理好轉速控制和電流控制之間的關系，就是

21、將兩者分開，用轉速調節(jié)器ASR調節(jié)轉速，用電流調節(jié)器ACR調節(jié)電流。ASR與ACR之間實現串級調節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調節(jié)器的電流給定信號，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)反饋的結構看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調節(jié)器[4]，且轉速和電流都采用負反饋環(huán)。系統原理圖如圖1.4。</p>

22、;<p>　　1.3.1.2 調節(jié)器輸出限幅值的整定</p><p>　　在雙閉環(huán)系統中轉速調節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調節(jié)器ACR的電流給定信號，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機所允許的過載能力和系統對最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小α角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調節(jié)器輸出限幅值的計算與整定是系統設計和調試工作中很

23、重要的一環(huán)。</p><p>　　1.3.1.3 調節(jié)器鎖零</p><p>　　為使調速系統消除靜差，并改善系統的動態(tài)品質，在系統中引入PI調節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于PI調節(jié)器的積分作用，在調速系統停車期間，調節(jié)器會因輸入干擾信號的作用呈現出較大的輸出信號，而使電動機爬行，這在控制上是不允許的，因此對調速系統中具有積分作用的調節(jié)器，在沒有給出電動機啟動指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位

24、上，簡稱為調節(jié)器鎖零[5,6,7]。系統中調節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來實現的。并且系統對調節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。</p><p>　?。?） 系統處于停車狀態(tài)時，調節(jié)器必須鎖零；</p><p>　?。?） 系統接到啟動指令或正常運行時，調節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。</p><p>　　根據上述要求，鎖零電路只需兩個信號來控制調節(jié)器“鎖零”與“開放”兩個狀態(tài)

25、。</p><p>　　停車時：Un=Ufn=0, 調節(jié)器鎖零,無輸出信號。</p><p>　　啟動時：Un≠0，Ufn=0，調節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)運行時：Un=Ufn≠0，調節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　制動停車時：Un=0, Ufn≠0，調節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)

26、。</p><p>　　必須注意，對于可逆調速系統，Un=0, Ufn≠0時，調節(jié)器不能鎖零，以保證調節(jié)器對其進行制動停車控制。為使鎖零電路對不可逆和可逆系統都具有通用性，Un=0, Ufn≠0時，要求調節(jié)器不能鎖零。調節(jié)器鎖零可以采用場效應管來實現，如圖1.5所示。</p><p>　　圖1.5 調節(jié)器鎖零</p><p>　　當Un=Ufn=0時，鎖零調節(jié)電路使

27、場效應管導通，從而使調節(jié)器鎖零。</p><p>　　1.3.1.4 系統中調節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定</p><p>　　在轉速、電流雙閉環(huán)調速系統中，要構成轉速、電流負反饋閉環(huán)，就必須使ASR、ACR的輸入信號Un與Ufn,Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號的極性呢？</p><p>　　在實際組成雙閉環(huán)調速系統時，要正確的確定上述信號的極性，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，最后按照負反饋要求確定Ufi和Ufn的極性。</p><p>　　確定各輸入、輸出信號極性的一般方法如下：</p><p>　?、?根據晶閘管觸發(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 根據各調節(jié)器輸入端的具體接法（習慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調節(jié)器給定輸入信號的極性；</p><p>　?、?根據負反饋的要求確定各調節(jié)器反饋輸入信號的極性。</p><p>　　1.3.2 雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構及其靜特性</p><p>　　1.3.2.1 雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　根據

30、圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫出圖1.6所示雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖[8]。</p><p>　　其中的轉速、電流調節(jié)器ASR、ACR這兩個環(huán)節(jié)的輸入與輸出穩(wěn)態(tài)關系無法用放大系數表示，而用帶限幅輸出的PI調節(jié)器的輸出特性表示。</p><p>　　圖1.6 雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　α—為轉速反饋系數；β—為電流反饋系數</p>

31、;<p>　　1.3.2.2 雙閉環(huán)調速系統的靜特性</p><p>　　雙閉環(huán)調速系統的靜特性仍然表示系統轉速n與電流Id或轉矩Te的穩(wěn)態(tài)關系，即系統達穩(wěn)態(tài)時n=f(Id)或n=f(Te)。分析其靜態(tài)性能的關鍵是掌握限幅輸出的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般有兩種狀態(tài)：飽和——輸出達限幅值；不飽和——輸出未達限幅值。當調節(jié)器飽和時，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節(jié)器退出飽和

32、；當調節(jié)器不飽和時，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。實際上，系統正常運行時，電流調節(jié)器不會達到預先設計好的飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只需考慮轉速調節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。</p><p>　?。?）轉速調節(jié)器不飽和</p><p>　　這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，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>　　（1.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　由ACR的輸入偏差電壓△Ui=0得</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　從而可畫出圖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，這正是靜特性的運行段。</p><p>　?。?）轉速調節(jié)器飽和</p><p>　　當轉速調節(jié)器ASR飽和時，ASR輸出達限幅值Uim，轉速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環(huán)系統變成一個電流無靜差單閉環(huán)系統。穩(wěn)

35、態(tài)時</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中，最大電流Idm是由設計者選定的，取決與電動機所允許的最大過載能力和拖動系統允許的最大加速度。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)調速系統的靜特性在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差；當負載電流達到Idm后表現為電流無靜差，使系統獲得過電流自動保護。這就是采用兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調速系統的靜特性要比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統的靜特性好。但是，實際上，由于運算放大器的開環(huán)放大系數并不是無窮大，特別是為避免零點漂移而采用準PI調節(jié)器（即在PI調節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個阻值為若干MΩ的電阻）時，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)調速系統的穩(wěn)態(tài)工作點及其穩(wěn)態(tài)參數的計算</p><p>　　由于轉速、電流調節(jié)器均采用PI調節(jié)器，可實現轉速和電流調節(jié)無靜差，因此，當系統達穩(wěn)態(tài)，且兩個調節(jié)器都不飽和時，由圖1.7可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關系如下</p><p>　　圖1.7 雙閉環(huán)調速系統的靜特性圖</p

38、><p><b>　　（1.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由負載電流IL決定，而控制電壓Uc的大小同時由n和I

39、d決定，也就是由Un和IL決定。這些關系反映了PI調節(jié)器與P調節(jié)器的不同之處在于：P調節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而PI調節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。鑒于此，雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)參數計算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統。穩(wěn)態(tài)時，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，轉速反饋系數為</p><p><b>　?。?.8）&l

40、t;/b></p><p><b>　　電流反饋系數</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　其中兩個給定電壓的最大值Unm和Uim由運算放大器允許的最大輸入電壓決定。</p><p>　　1.3.3 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)分析</p><

41、p>　　1.3.3.1 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)數學模型[9—12]</p><p>　　根據雙閉環(huán)調速系統的原理圖1.4，可畫出雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖如圖1.8所示。</p><p>　　圖1.8 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖</p><p>　　Kn——轉速調節(jié)器的比例系數；τn——轉速調節(jié)器的超前時間常數</p><p>　　1.3

42、.3.2 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)特性</p><p>　　一般來說調速系統的動態(tài)性能主要指系統對給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統對擾動輸入（階躍擾動）的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個調速系統的動態(tài)性能或稱動態(tài)品質。</p><p>　　（1） 雙閉環(huán)調速系統突加給定時的啟動過程</p><p>　　設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的是要獲得接近于理想啟動

43、過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調速系統突加給定時的啟動過程。當雙閉環(huán)調速系統突加給定電壓Un由靜止狀態(tài)開始啟動時，轉速和電流隨時間變化的波形如圖1.9所示。由于在啟動過程中，轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，因此整個啟動過程分為三個階段，在圖中分別標以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。</p><p>　?、?第Ⅰ階段（0-t1）：強迫電流上升階段</p><p>　　突加給定電壓Un后，通過

44、兩個調節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當Id≥IL后,轉速n從零開始增長，但由于電動機機電慣性較大，轉速n及其反饋信號Ufn增長較慢，轉速調節(jié)器ASR因輸入偏差電壓△Un=Un-Ufn數值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強迫Id電流迅速上升。當Id=Idm時，Ufi≈Uim,電流調節(jié)器ACR的作用使Id不再增長，第Ⅰ階段結束[1,9]。</p><p>　　在這一階段中，ASR由不飽和很快

45、達到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環(huán)的調節(jié)作用，這些都是在系統設計時必須考慮和給予保證的。</p><p>　?、?第Ⅱ階段（t1-t2）:恒流升速階段，即電動機保持最大電流作等加速啟動的階段。</p><p>　　該階段從電流上升到Idm開始，直至轉速升至給定值n1為止，是啟動過程的主要階段。</p><p>　　在這個階段中，ASR一直處于飽和狀態(tài)（因△U

46、n未改變極性）,轉速環(huán)相當于開環(huán)，其作用是輸出最大電流給定值Uim，系統表現為在恒值電流給定Uim作用下的電流調節(jié)系統，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調，也可能不超調，取決與ACR的結構和參數），因而系統的加速度恒定，轉速及反電勢線性上升。在電流環(huán)實現恒流調節(jié)的過程中，反電勢E是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動量，Uc 和Ud也必須基本上線性增長，才能保持Id恒定。電流環(huán)對擾動E的恒流調節(jié)過程如下</p><

47、;p>　　n↑→E↑→Id↓→Ufi↓→|△Ui|↑→Uc↑→Ud↑→Id↑</p><p>　　轉速n不斷上升，ACR便不斷重復上述恒流調節(jié)過程，以維持電流Id恒定，保證轉速線性上升。由于ACR是PI調節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長，就必須使其輸入量偏差電壓△Ui保持為某一恒值，也就是說，Id應略低于Idm。</p><p>　　上述情況表明，恒流調節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動的

48、調節(jié)過程，反電勢擾動對電流的影響為ACR的積分作用所補償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調節(jié)作用，在啟動過程中，ACR不能飽和。這就要求ACR的積分時間常數和被控對象的時間常數T1要相互配合。同時，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飽和。這些都是在系統設計應予以考慮和解決的問題。</p><p>　?、?第Ⅲ階段（t2-t4）：轉速超調進入穩(wěn)定的階段，即轉速調節(jié)階段。</p>

49、<p>　　在該階段開始時，即t2時刻，轉速已達給定值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，因此電動機仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉速超調。轉速超調以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的輸入偏差△Un由正變負，ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來，Id隨之迅速減小。但是，在Id>IL的一段時間內（即t2-t3）時間內，

50、dn/dt<0,電動機在負載阻力下減速，直至系統達穩(wěn)態(tài)。該階段的特點是ASR、ACR都不飽和，同時起調節(jié)作用。但是ASR處于主導地位，它使轉速迅速趨于給定值，并使系統穩(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，電流內環(huán)的調節(jié)過程是由轉速外環(huán)支配的，是一個電流隨動子系統。</p><p>　?。?） 雙閉環(huán)調速系統的抗擾性能</p><p>　　負載擾動和電網

51、電壓擾動是雙閉環(huán)調速系統中的兩個主擾動，只要系統能有效的抑制它們所引起的動態(tài)轉速降（升）和恢復時間，就說明系統具有較強的動態(tài)抗擾能力。</p><p>　　① 抗負載擾動 由圖1.8所示的動態(tài)結構圖可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)外，轉速環(huán)內，只能靠轉速調節(jié)器產生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)轉速降（升）。為了減小動態(tài)轉速降（升），在設計ASR時，必須要求系統具有較好的抗擾性能。而對ACR的設計

52、來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。</p><p>　　② 抗電網電壓擾動 從靜特性上看，在雙閉環(huán)調速系統中，電網電壓擾動被包圍在電流環(huán)內（如圖1.9）它的影響還未波及到轉速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調速系統中，電網電壓波動引起的動態(tài)速降（升）要比單閉環(huán)系統小得多。</p><p>　　圖1.9 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)抗擾性能</p><p>　　2

53、 直流雙閉環(huán)調速系統方案確定</p><p>　　在直流雙閉環(huán)調速系統的設計中，電動機、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負載的工藝要求來選擇和設計，轉速和電流反饋系統可以通過穩(wěn)態(tài)參數計算得到。最后剩下的是轉速和電流調節(jié)器的結構和參數如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動態(tài)校正法，由于該法必須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設計采用另一種方法，工程設計法。</p>

54、;<p>　　直流調速系統動態(tài)參數的工程設計[13]，包括對某些簡單的典型低階系統進行深入研究，找出適合與給定性能指標的控制規(guī)律；確定系統預期的開環(huán)傳遞函數和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調節(jié)器結構，計算調節(jié)器參數。這樣將使系統的工程設計過程簡便、明確且具有一定的準確性。</p><p>　　工程上通常選用以下兩種預期典型系統，其開環(huán)傳遞函數分別為：</p><p>　　二階典型系

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

56、由內向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統結構，其系統電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環(huán)都設有本環(huán)的調節(jié)器，構成一個完整的閉環(huán)系統。在設計時，先從內環(huán)（電流環(huán)）開始，根據電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統，按照調節(jié)對象選擇調節(jié)器及其參數。設計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環(huán)的設計。每個環(huán)的設計都是把該環(huán)校正成典型系統，以便獲得預期的性能指標。通常，隨動系統的動態(tài)指標以跟隨性能為

57、主，而調速系統的動態(tài)指標以抗擾性能為主。</p><p>　　2.2 電流環(huán)設計方案</p><p>　　2.2.1 電流調節(jié)器的工作原理</p><p>　　電流調節(jié)器也有兩個輸入信號。一個是速度調節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號Un，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號Uif，當突加速度給定一個很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為最

58、大值，從而電動機在加速過程中始終保持在最大轉矩和最大加速度，使起、制動過渡時間最短。</p><p>　　如果電網電壓發(fā)生突變(如降低)時，整流器輸出電壓也會隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經過電動機機械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調節(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(增加)致電原來的數值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說，在電網電壓變化時，

59、在電動機轉速變化之前，電流的變化首先被抑制了。</p><p>　　同樣，如果機械負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較好的快速電流負反饋，當整流器直流側發(fā)生類似短路的嚴重故障時，電流負反饋也及時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，從而保護晶閘管和直流電動機不致因電流過大而損壞。</p><p>　　2.2.2 電流調節(jié)器的作用</p>

60、<p>　?、?對電網電壓波動起及時抗擾作用；</p><p>　?、?啟動時保證獲得允許的最大電流，實現最佳啟動過程；</p><p>　　③ 在轉速調節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化；</p><p>　?、?依靠ACR的恒流調節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；</p><p>　?、?當電動機過載甚至堵轉時，可限制最大電樞電

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

62、計步驟為：</b></p><p>　?。?） 對電流環(huán)結構圖進行簡化；</p><p>　?。?） 電流調節(jié)器結構選擇及參數計算；</p><p>　?。?） 電流調節(jié)器的實現。</p><p>　　2.3 轉速環(huán)設計方案</p><p>　　2.3.1 轉速調節(jié)器的工作原理</p>&l

63、t;p>　　在主電機上安裝一直流測速發(fā)電機，發(fā)出正比于主電機轉速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較，其偏差△Un送到速度調節(jié)器ASR中去，如欲調整，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自動調節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(α減小)，整流電壓Ud提高，電動機轉速上升，與此同時，Um也相應增加。當等于或接近給定值時，系統達到平衡，電動機在給定數值下以較高的轉速穩(wěn)定轉動。</p><

64、;p>　　如果電動機負載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動，則經過速度反饋后，系統能起到自動調節(jié)和穩(wěn)定作用，當電機負載增加時轉速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移(α變小)，Ud提高，電動機轉速上升。當其恢復到原來數值時，Unf又等于給定電壓，系統又達到平衡狀態(tài)。如果擾動不是來自負載而是來自交流電網，比如交流電壓下降，則系統也會按上述過程進行調節(jié)，使電動機轉速維持在給定值上運行。同樣道理，當電動機負載下降，或交流電壓

65、提高時，系統將按與上相反調節(jié)，最后能維持電動機近似轉速不變。</p><p>　　2.3.2 轉速調節(jié)器的作用 </p><p>　?、?實現轉速調節(jié)無靜差，使轉速n跟隨給定電壓Un變化；</p><p>　?、?對負載變化起抗擾作用；</p><p>　　③ 能對電流環(huán)進行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p>

66、;<p>　　電流環(huán)是系統的內環(huán)，被包圍在轉速環(huán)內，在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統中的一個環(huán)節(jié)。根據系統的要求，將轉速環(huán)校正為合適的典型系統，再由調速系統的動態(tài)性能指標和采用的參數選擇準則對其主要參數選擇。并以此為基礎對系統超調量進行計算，看是否符合設計需要。</p><p>　　3 直流雙閉環(huán)調速系統設計</p><p>　　晶閘管整流裝置供電的

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

68、/p><p>　　轉速給定的最大電壓為 Unm=10V,其對應的轉速為 nmax=1200 r/min;</p><p>　　轉速調節(jié)器限幅值 Uim=10V。</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)指標 無靜差；</b></p><p>

69、;　　動態(tài)指標 電流超調量 δi%≤5%；空載啟動到1200 r/min時的轉速超調量δn%≤6%。</p><p><b>　　有關參數的計算。</b></p><p>　　a 電動機的電勢常數</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　b 三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時

70、間</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　c 電流反饋系數β 設最大允許電流Idm=1.25IN，則電流反饋系數為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　d 轉速反饋系數α</b></p><

71、;p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　e 電流給定和反饋濾波時間常數Toi 一般取1—3ms，這里取</p><p>　　Toi=2ms=0.002s (3.5)</p><p>　　f 轉速給定和反饋濾波時間常數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)的設計</p><p>　　電流環(huán)的控制對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]，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據具體系統的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統或典Ⅱ系統。若以電樞電流超調小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系

73、統；若以具有較好的抗繞性能為主，則應校正成典Ⅱ系統</p><p>　　圖3.1 雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖</p><p>　　3.1.1 電流環(huán)結構圖的簡化</p><p>　　圖3.1虛線框內就是電流環(huán)的結構圖。為按典型系統設計電流環(huán)，需對其結構圖作以下工程近似和等效處理。</p><p>　　3.1.1.1 忽略反電勢的影響</

74、p><p>　　將電流環(huán)單獨拿出來設計，首先遇到的問題是反電勢產生的交叉反饋作用。在實際系統中，由于電磁時間常數TL遠小于機電時間常數Tm，電流調節(jié)過程比轉速的變化過程快得多，因而也比反電勢E的變化快得多。因此，反電勢對電流環(huán)的影響可以看作對恒流調節(jié)系統的一種變化緩慢的擾動，在電流調節(jié)器的快速調節(jié)過程中，可以認為E基本不變，或認為△E=0。這樣，在進行電流環(huán)動態(tài)設計時，可暫不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用忽略

75、不計，以簡化電流環(huán)結構圖，如圖3.2（a）所示?？赏茖浣茥l件為</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　3.1.1.2 變換成單位反饋系統</p><p>　　利用結構圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y，其結構圖如圖3.2（b）所示。</p>&

76、lt;p>　　圖3.2 電流環(huán)動態(tài)結構圖及其簡化</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，電流調節(jié)器的調節(jié)對象由三個慣性環(huán)節(jié)串聯而成，其中晶閘管變流裝置滯后時間常數Ts和電流反饋濾波時間常數Toi都比電磁時間常數TL小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，將二者等效成一個時間常數為</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)結構圖最終可簡化成圖3.2(c)</p><p>　　3.1.2 電流調節(jié)器結構選擇及參數計算</p><p>　　如前所述，根據對

78、電流環(huán)的具體要求不同可以按典Ⅰ系統也可按典Ⅱ系統來設計電流。但是，當控制對象的兩個時間常數之比</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　時，應按典Ⅰ系統來計算。</p><p>　　由圖3.2可知，電流環(huán)的控制對象由兩個慣性環(huán)節(jié)組成，若按典Ⅰ系統設計，則應選擇PI調節(jié)器，其傳遞函數為</p><

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

80、t;p>　　這時電流環(huán)的動態(tài)結構圖便成為圖3.3(a)所示典Ⅰ系統的形式，其中電流環(huán)的開環(huán)放大系數KI：要求δi≤5%時，應按二階“最佳”系統設計，取</p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　相應地，電流環(huán)的開環(huán)對數幅頻特性入圖3.3（b）所示。</p><p>　　電流調節(jié)器的參數包括Ki和τi，已選τi=

81、TL，Ki的確定取決與所需的</p><p>　　ωci和動態(tài)性能指標。因本設計要求跟隨性能好，超調量小，固按二階“最佳”系統設計電流環(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 電流調節(jié)器的實現</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節(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型電流調節(jié)器</p><p>　　首先畫出其輸入等效電路如圖3.5所示，圖中A點為虛地點，可以認為它與電容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點的電流ia的拉氏變換表達式為&l

84、t;/p><p><b>　　(3.17)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　為電流濾波時間常數。</p><p>　　于是圖3.4中虛地點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 轉速環(huán)的設計</p><p>　　3.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數</p><p>　　電流環(huán)是系統的內環(huán)，被包圍在轉速環(huán)內，在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的電

86、流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出電流環(huán)的等效傳遞函數。由圖3.3可得按典Ⅰ系統設計的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數為</p><p><b>　　(3.20)</b></p><p>　　由于轉速環(huán)的截止頻率ωcn低于電流環(huán)的截止頻率ωci，即ωcn<<ωci，因此，設計轉速環(huán)時可把電流環(huán)看成一個小慣性環(huán)節(jié)，WBi(s)可降階近似處理為</p&g

87、t;<p><b>　　(3.21)</b></p><p>　　相應的近似條件，轉速環(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的對數幅頻特性表示。對數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，當轉速環(huán)ωcn較低時，對于

88、轉速環(huán)的頻率特性而言，原系統和近似系統只在高頻段有些差異。</p><p>　　由于電流環(huán)在轉速環(huán)內，其輸入應為Ui,因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)應為</p><p>　?。ó?時） </p><p><b>　　(3.23)</b></p><p>　　圖3.6 電流環(huán)原系統和近似系統的對數幅頻特性&

89、lt;/p><p>　　3.2.2 轉速調節(jié)器結構的選擇</p><p>　　將電流環(huán)用等效傳遞函數代替后，整個轉速環(huán)的動態(tài)結構圖如圖3.7（a）所示，且可用前述方法將其簡化成圖3.7（b）。其中</p><p><b>　　(3.24)</b></p><p>　　顯然，轉速環(huán)的控制對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性環(huán)節(jié)組成。

90、一方面由于轉速調節(jié)器的被控對象在擾動作用點之前已有了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現轉速無靜差，還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié)；另一方面由于轉速環(huán)的主擾動是作用于被控對象積分環(huán)節(jié)前的經常性的負載擾動，要求轉速環(huán)具有較好的抗擾性能。因此，毫無疑問應將轉速環(huán)校正成典Ⅱ系統。</p><p>　　要把轉速環(huán)校正成典Ⅱ系統，應選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為</p><p><b>　　(3.

91、25)</b></p><p>　　式中 Kn——轉速調節(jié)器的比例系數；</p><p>　　τn——轉速調節(jié)器的超前時間常數。</p><p>　　調速系統的開環(huán)傳遞函數為</p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　式中轉速環(huán)開環(huán)放大系數為</p&

92、gt;<p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　不考慮負載擾動時，校正后調速系統的動態(tài)結構圖示于圖3.7(c)中。</p><p>　　圖3.7 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處理</p><p>　　3.2.3 轉速調節(jié)器參數的選擇</p><p>　　調速系統開環(huán)放大系數KN和轉速調節(jié)器

93、參數Kn和τn的確定處決與調速系統的動態(tài)性能指標要求和采用哪種參數選擇準則。根據前面的條件，應用Mrmin準則選擇參數，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的大小由系數對動態(tài)性能指標的要求來決定。若無特殊要求，一般取h=5。</p><p>　　3.2.4 轉速調節(jié)器飽和限幅工作狀態(tài)及退飽和時轉速超調量的計算</p><p>　　若將退飽和過程與負載擾動過程加以比較，則不難發(fā)現它們的變化規(guī)律是相同的，因而可找到一條計算退飽和超調量的捷徑，那就是用抗擾性能指標來計算退飽和超調量。</p><p&

95、gt;　　當ASR采用PI調節(jié)時，轉速環(huán)的動態(tài)結構圖入圖3.8（a）。由于我們感性趣的只是穩(wěn)態(tài)轉速以上的超調部分，所以只考慮實際轉速與給定轉速的差值</p><p>　　△n=n-ns相應地轉速環(huán)的動態(tài)結構圖變成圖3.8（b）。初始調件則轉化為</p><p><b>　　(3.31)</b></p><p>　　在這里轉速超調量的基準值是ns

96、,在，在抗擾指標中，△C的基準是</p><p><b>　　(3.32)</b></p><p><b>　　對比前面的條件可知</b></p><p>　　， </p><p><b>　　(3.33)</b></p&g

97、t;<p>　　圖3.8 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖</p><p>　　所以動態(tài)升速△n的基準值為</p><p><b>　　(3.34)</b></p><p>　　已知開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　　(3.35)</b></p><p>

98、;<b>　　則基準又可以表示為</b></p><p><b>　　(3.36)</b></p><p>　　于是經過基準值換算后，可得退飽和超調量為</p><p><b>　　(3.37)</b></p><p>　　上述分析表明，ASR的飽和非線性，使轉速的退飽和超調量

99、的具體數值與轉速環(huán)的兩個時間常數的比值 TΣn/Tm，開環(huán)機械特性的斜率，最大電流Idm，負載大小有關，特別是與穩(wěn)態(tài)轉速△nmax與穩(wěn)態(tài)轉速無關，不會因ns的不同而變化，但是退飽和超調量δ%卻與穩(wěn)態(tài)轉速有關，ns=nN與ns=0.2nN時的退飽和超調量大不相同。</p><p>　　綜上所述，可得如下結論：</p><p>　　退飽和超調量的大小與動態(tài)降速的大小是一致的。也就是說，考慮AS

100、R的飽和和非線性后，調速系統的跟隨性能與抗擾性能并不矛盾，而是一致的。</p><p>　　3.2.5 轉速環(huán)的并聯微分校正——轉速微分負反饋的引入</p><p>　　雙閉環(huán)調速系統具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結構簡單，工作可靠，設計方便的優(yōu)點，是一種應用最廣泛的調速系統。然而，其動態(tài)性能的不足之處是轉速必然超調，抗擾性能的提高受到一定限制。為了增強轉速環(huán)的抗擾性能，抑制轉速超調甚至消滅轉

101、速超調，以及消除可逆調速系統出現的“停車反調”現象，有必要在轉速調節(jié)器上引入轉速微分負反饋?？梢宰C明，采用帶微分負反饋的PI型轉速調節(jié)器在結構上符合現代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制”，因而可以獲得實際可行的最優(yōu)動態(tài)性能。</p><p>　　3.2.5.1 帶轉速微分負反饋的轉速調節(jié)器的實現</p><p>　　帶轉速微分負反饋，給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器原理圖如圖3.9所

102、示。其中Cdn的作用主要是對轉速信號進行微分，稱作微分電容，而Rdn的主要作用是濾去微分后帶來的高頻嘈聲，稱之為濾波電阻。為了分析帶微分負反饋轉速調節(jié)器的動態(tài)結構，首先必須求出這種調節(jié)器的傳遞函數。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A的電流平衡方程為</p><

103、p><b>　　(3.39)</b></p><p>　　圖3.9 帶轉速微分負反饋的轉速調節(jié)器</p><p><b>　　整理后德</b></p><p><b>　　(3.40)</b></p><p>　　式中 ——轉速微分時間常數；</p>&l

104、t;p>　　——轉速微分濾波時間常數。</p><p>　　3.2.5.2 帶轉速微分負反饋的雙閉環(huán)調速系統的基本原理及退飽和時間和轉速的計算</p><p>　　帶轉速微分負反饋的雙閉環(huán)調速系統與普通雙閉環(huán)系統的區(qū)別僅在轉速調節(jié)器上增加了電容Cdn和電阻Rdn，即在轉速反饋的基礎上疊加了一個轉速微分負反饋信號。在轉速變化過程中，兩個信號一起與給定信號Un相抵，將比普通雙環(huán)系統更早一

105、些達到平衡并開始退飽和。由圖3.10可見，普通雙閉環(huán)系統的退飽和點是O，,現在提前到T點，T點對應的轉速nt比ns低，因而有可能在進入線性閉環(huán)系統工作之后沒有超調就趨于穩(wěn)定，如圖3.10中曲線②所示。下面計算其退飽和后，系統的動態(tài)性能取決于轉速環(huán)進入線性狀態(tài)后的過度過程，其初始條件就是退飽和點（圖3.10中T點）的轉速和電流。T點的電流仍是Idm，其轉速nt則要通過退飽和時間tt來計算。</p><p>　　當t

106、≤tt時，ASR仍飽和，Id=Idm，轉速線性增長。若將小時間常數TΣn的影響近似看成是轉速開始升高時的純滯后作用，此后便不再影響轉速的增長率，入圖3.10中的折線O—TΣn—T所示，則轉速上升過程可用下式描述</p><p><b>　　(3.41)</b></p><p>　　圖3.10 轉速微分負反饋對啟動過程的影響</p><p>　　

107、①—普通雙閉環(huán)曲線；②—帶微分負反饋的曲線</p><p>　　當t=tt時，ASR開始退飽和，其輸入信號△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)退飽和時間為</p><p><b>　　

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

110、8)</b></p><p>　　3.2.5.3 轉速微分反饋參數的工程設計方法</p><p>　　根據式（3.40）可以畫出帶轉速微分負反饋的轉速環(huán)動態(tài)結構圖3.11（a）所示。為了分析方便起見，取Todn=Ton,再將濾波環(huán)節(jié)移到轉速環(huán)內，并按小慣性環(huán)節(jié)近似方法，令</p><p><b>　　(3.49)</b></p

111、><p>　　得簡化后的結構圖，如圖3.11（b）所示，圖與普通雙閉環(huán)系統相比，只在反饋通道中增加了一個微分項τdns。</p><p>　　可推得τdn的近似工程計算公式為</p><p><b>　　(3.50)</b></p><p>　　式中 δ——用小數表示的允許超調量，h=τn/TΣn。</p>

112、<p>　　因為δ不可能為負，所以無超調時的τdn應該是</p><p><b>　　(3.51)</b></p><p>　　3.2.5.4 帶轉速微分負反饋雙閉環(huán)調速系統的抗擾性能</p><p>　　帶轉速微分負反饋雙閉環(huán)調速系統受負載擾動時的動態(tài)結構圖如圖3.12所示。Mrmin準則選擇參數，且取h=5，采用計算機防真所得系統

113、抗擾性能指標列于表3.1中，其中</p><p>　　表3.1中數據表明，引入轉速負反饋后，動態(tài)速降顯著減小，τdn越大，動態(tài)速降越小，但恢復時間增加。應根據具體情況，選擇合適的τdn值?？傊?，引入轉速微分反饋可以進一步改善系統的抗擾性能。</p><p>　　圖3.11 帶轉速微分負反饋的轉速環(huán)動態(tài)結構圖</p><p>　　圖3.12 帶轉速微分負反饋的轉速環(huán)調

114、速系統在負載擾動下的動態(tài)結構圖</p><p>　　表3.1中數據表明，引入轉速負反饋后，動態(tài)速降顯著減小，τdn越大，動態(tài)速降越小，但恢復時間增加。應根據具體情況，選擇合適的τdn值。總之，引入轉速微分反饋可以進一步改善系統的抗擾性能。</p><p>　　表3.1 帶轉速微分反饋的轉速環(huán)調速系統抗擾性能指標</p><p><b>　　結論</b

115、></p><p>　　本課題在查找了大量資料的基礎上完成。由于直流雙閉環(huán)調速系統屬于多環(huán)控制系統。在設計時采用由內向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統結構。每一閉環(huán)都設有本環(huán)的調節(jié)器，構成一個完整的閉環(huán)系統。在具體設計時，先從內環(huán)（電流環(huán)）開始，根據電流控制要求，把電流環(huán)校正為典Ⅰ系統，按照調節(jié)對象選擇調節(jié)器及其參數。設計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環(huán)