直流電動機調(diào)速常用調(diào)節(jié)器

1、常用調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器實際上是由高放大倍數(shù)的直流放大器由RC網(wǎng)絡(luò)組成的負反饋放大器。當(dāng)采用不同的RC網(wǎng)絡(luò)時，可任其輸入與輸出具有比例(P)、積分(I)、微分(D)、比例積分(PI)、比例微分(PD)及比例積分微分(PID)的運算父系。它廣泛地應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。高放大倍數(shù)的運算放大影響分立元件和集成元件兩種。隨著元器件集成化的發(fā)展，使調(diào)節(jié)器線路大大簡化，且性能優(yōu)良、調(diào)試方便、運行可靠、成本降低，由此出現(xiàn)了線性件取代分立元件的局面。1調(diào)節(jié)器的類型及作用調(diào)節(jié)器的基本電路如圖2.1.12所示。 圖2.1.12 調(diào)節(jié)器基本電路輸入阻抗反饋阻抗從a點起計算的輸入阻抗開環(huán)放大倍數(shù)，由于通常為倒相輸入，故用負值表

2、示則調(diào)節(jié)器的閉環(huán)放大倍數(shù)為（2.1.3）當(dāng)運算放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)K1（一般為K10000）,則（2.1.4）利用式（2.1.4）可以組成各種調(diào)節(jié)器電路， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的類型：比例（P）調(diào)節(jié)器積分（I）調(diào)節(jié)器比例微分（PD）調(diào)節(jié)器比例積分（PI）調(diào)節(jié)器比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器可提高系統(tǒng)的快速性，減小穩(wěn)太誤差，而且比例放大系數(shù)越大，快速性和穩(wěn)態(tài)精度越好，但是放大系數(shù)太大，可能會使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)器能減小甚至消除穩(wěn)態(tài)誤差，可能會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性受到一定的影響。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯

3、后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用PD或PID調(diào)節(jié)器。2比例調(diào)節(jié)器與比例控制規(guī)律將圖2.1.12中的和換成電阻和就構(gòu)成了比例調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)器的輸出和輸入成比例。當(dāng)用它構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)器的輸入一般都是給定量和反饋量的差值，輸出是后面電路的控制信號。調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)給定與反饋的差經(jīng)過放大去控制整個系統(tǒng)的工作。在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的輸出

4、量不為零，因此給定值與反饋量的差也不為零。采用比例調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)有如下規(guī)律：被調(diào)節(jié)量有靜差由于調(diào)節(jié)器是利用給定和反饋量的差來控制系統(tǒng)的，因此在穩(wěn)定運行狀態(tài)給定和反饋信號的差（誤差）不能為零，即輸出量不能和希望的輸出相等。增大調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)可以減小誤差，但是不管如何改變放大系數(shù)都不能使誤差變成零。服從給定當(dāng)輸入的給定信號增大時，輸出也跟著增大；當(dāng)給定信號減小時輸出同樣跟著減小。輸出信號完全是跟著給定信號的變化而變化的。抵抗擾動除給定信號以外的其它任何對輸出量有影響的因素都可以稱為擾動量。閉環(huán)控制系統(tǒng)對反饋環(huán)內(nèi)的前向通道上的擾動都具有抵抗作用，即閉環(huán)系統(tǒng)可以減小反饋環(huán)內(nèi)前向通道上任何擾動量

5、對輸出量的影響。整個系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋元件的精度。如果給定信號發(fā)生變化，系統(tǒng)的輸出也跟著變化。因此高精度的系統(tǒng)必須有更高精度的給定信號。由于反饋元件不在前向通道上，對于反饋元件精度對系統(tǒng)輸出的影響，系統(tǒng)不具有抵抗作用，因此高精度的系統(tǒng)，也要求系統(tǒng)的反饋元件具有足夠的精度。3. 積分調(diào)節(jié)器與積分控制規(guī)律 積分調(diào)節(jié)器 如圖2.1.13，由運算放大器可構(gòu)成一個積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程為圖2.1.13 積分調(diào)節(jié)器方程兩邊取積分，得 （2.1.5）式中， 積分時間常數(shù)。當(dāng)初始值為零時，在階躍輸入作用下，對式（2.1.5）進行積分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 轉(zhuǎn)速的積分

6、控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓DUn的積分，按照式（2.1.5），應(yīng)有 如果是DUn 階躍函數(shù)，則 Uc 按線性規(guī)律增長，每一時刻 Uc 的大小和 DUn 與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖2.1.14 a） 所示。圖2.1.14圖2.1.14 b） 繪出的 DUn 是負載變化時的偏差電壓波形，按照DUn與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc 曲線，圖中DUn 的最大值對應(yīng)于Uc 的拐點。若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0 ，則積分式變成 由上圖2.1.14 b） 可見，在動態(tài)過程中，當(dāng) DUn 變化時，只要其極性不變，即只要仍是，積分調(diào)節(jié)器的輸出 Uc 便一直增

7、長；只有達到，DUn =0時，Uc 才停止上升；不到 DUn 變負，Uc 不會下降。在這里，值得特別強調(diào)的是，當(dāng) DUn = 0時，Uc并不是零，而是一個終值 Ucf ；如果 DUn 不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點。采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。4比例積分調(diào)節(jié)器與比例積分控制規(guī)律 上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。 如圖2.1.15所示，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

8、漸地變。圖2.1.15兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。 PI調(diào)節(jié)器在模擬電子控制技術(shù)中，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖2.1.16所示。圖2.1.16 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器 PI輸入輸出關(guān)系PI調(diào)節(jié)器輸入輸出關(guān)系特性曲線圖2.1.17 PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。PI調(diào)節(jié)器組成的系統(tǒng)控制規(guī)律由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除

9、穩(wěn)態(tài)偏差。 5.數(shù)字PI調(diào)節(jié)器5.模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化 PI調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調(diào)節(jié)器時域表達式其中 Kp= Kpi 為比例系數(shù) ，KI =1/t 為積分系數(shù) PI調(diào)節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第 k 拍輸出為式中Tsam為采樣周期。數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法有位置式和增量式兩種算法：位置式算法即為式(3-15)表述的差分方程，算法特點是：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過

10、去所有偏差的累積。 位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。 增量式PI調(diào)節(jié)器算法PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得 限幅值設(shè)置與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對 u 限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um，當(dāng) u(k) um 時，便以限幅值 um作為輸出。 不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。 5. 改進的數(shù)字PI算法 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時僅僅靠調(diào)整PI參數(shù)難以同時滿足各項靜

11、、動態(tài)性能指標(biāo)。采用模擬PI調(diào)節(jié)器時，由于受到物理條件的限制，只好在不同指標(biāo)中求其折衷。而微機數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強的邏輯判斷和數(shù)值運算能力，充分應(yīng)用這些能力，可以衍生出多種改進的PI算法，提高系統(tǒng)的控制性能。積分分離算法分段PI算法積分量化誤差的消除 積分分離算法基本思想： 在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，把 P 和 I 分開。當(dāng)偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當(dāng)偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免較大的退飽和超調(diào)。積分分離算法表達式為其中為一常值。 積分分離法能有效抑制振蕩，或減小超調(diào)，常用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 5. 智能型PI調(diào)節(jié)器由上述對數(shù)字PI算法的改進可以使我們得到啟發(fā)，利用計算機豐