雙閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)控制

1、課程設(shè)計第1章 緒論1.1 課題的背景、目的及意義電機(jī)自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動機(jī)作原動機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時間里，直流電動機(jī)幾乎是唯一的一種能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機(jī)，直流電動機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機(jī)具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機(jī)不斷受到交流電動機(jī)及其它電動機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性

2、，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本次設(shè)計的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和控制，設(shè)計出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過在DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制試驗裝置上的調(diào)試,并應(yīng)用MATLAB軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。1.2 本課題國內(nèi)、外研究應(yīng)用情況近30年來，電力拖動系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但技術(shù)革新是永無止盡的，為了進(jìn)一步提高電動機(jī)自動控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開：1.2.1 采用新型電力電子器件電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提

3、供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（IPM）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動機(jī)自動控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。傳統(tǒng)直流電動機(jī)的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢，但其控制復(fù)雜，對散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。1.2.2 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論在過去，人們感到自動控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應(yīng)用

4、方面卻不盡人意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要?dú)w功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運(yùn)算得以實時完成。第二是在辨識，參數(shù)估值以及控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。1.2.3 采用總線技術(shù)現(xiàn)代電動機(jī)自動控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢，總線化使得各種電動機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。1.2.4 內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動機(jī)控制領(lǐng)域當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時代，信息化的電動機(jī)自動控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺上工作，控

5、制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。1.3 本課題采用的技術(shù)方案及技術(shù)難點根據(jù)本課題的實際情況，宜從以下三個方面入手分析：1.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型2雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計3應(yīng)用MATLAB軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正本課題所涉及的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。該調(diào)速方法可以實現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。但電機(jī)的開環(huán)運(yùn)行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降

6、落的有效途徑。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式?？梢獙崿F(xiàn)高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動機(jī)的運(yùn)動方程可知，加速度與電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩又與電動機(jī)的電流成正比。因而同時對速度和電流進(jìn)行控制，成為實現(xiàn)高動態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。關(guān)于工程設(shè)計：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng),其設(shè)計非常復(fù)雜。本設(shè)計利用階次優(yōu)化的原理對系統(tǒng)的工程設(shè)計方法進(jìn)行了分析。設(shè)計電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時應(yīng)綜合考慮各方面的因素,按全局最優(yōu)的觀點正確選擇合理的階次4。工程設(shè)計方法的基本思路是先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)

7、定性，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。應(yīng)用到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，先從電流環(huán)入手，按上述原則設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個等效環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。1.4 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容1.4.1 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，列寫雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并畫出其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 1.4.2 經(jīng)典控制部分首先了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，然后應(yīng)用工程設(shè)計方法，分別進(jìn)行主電路、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計,并應(yīng)用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1.4.3 仿真部分簡單介紹MATLAB語言及SIMULIN

8、K工具箱，重點運(yùn)用SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,獲得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及其頻率特性曲線。結(jié)合曲線對由不同方法設(shè)計出的調(diào)速系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較研究，從而得到性能指標(biāo)較為理想的系統(tǒng)模型。并嘗試性地提出改進(jìn)方案。第2章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型2.1 數(shù)學(xué)模型的參數(shù)測定本調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方案是建立在對典型系統(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)和系統(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基礎(chǔ)上的。因此我們需要先對數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行測定。這樣，在設(shè)計實際系統(tǒng)時,只要根據(jù)上述工程設(shè)計方法把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和

9、圖表來進(jìn)行參數(shù)計算。但參數(shù)測定不是本次設(shè)計的重點，只作為輔助內(nèi)容。所以將其提前敘述，使數(shù)學(xué)模型的闡述部分和工程設(shè)計方法部分聯(lián)系緊密，銜接自然。2.1.1 測定電樞回路的電磁時間常數(shù)TL 2.1.1.1 測定電樞回路總電阻R 通過測定Rn,RD,RP 得到R 其中 Rn晶閘管等效電阻 RP平波電抗器等效電阻 R電樞回路的總電阻 RD電動機(jī)電樞電阻考慮到參數(shù)的非線性，應(yīng)用伏安法測量。通過改變變阻器的阻值，改變Id,測出不同的Ud, Up, UD.測試時，為防止因電樞轉(zhuǎn)軸不同心，而影響電刷接觸電阻。將電樞轉(zhuǎn)動三次，取測量的平均值。應(yīng)用公式：可得計算值： Rn=1.60, RP=0.101 RD=1.

10、41所以有 R=Rn+RP+RD=3.112.1.1.2 測定電樞回路的總電感LL= LP+ LD+ LB式中 LP平波電抗器電感 LD電動機(jī)電樞電感 LB變壓器漏感先測 LS=LP+LD, 利用以下公式: Z=RS +j XS =U d /Id-XS=(Z2- X2)1/2LS=XS /2f=XS/314再來測定變壓器的漏感LB根據(jù)經(jīng)驗公式: L/B = KB*( UK% /100)*(U2 /Id ),在三相橋中 LB = 2*L/B因此 L=LS + LB計算得L=74.58mH.綜上，有 TL= L/R = 74.58/3.11 =23.98(ms)2.1.2 測定電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間

11、常數(shù)Tm2.1.2.1 測定電動機(jī)的Ce 在給定電壓下選穩(wěn)態(tài)時實驗測量所需數(shù)據(jù)，因穩(wěn)態(tài)時 而 故 取平均值后代入計算可得V/rpm2.1.2.2 測定電動機(jī)的飛輪力矩GD2使電動機(jī)在空載下自由停車 (這時MD=0, Mfz=M0),其中M0為電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩.由 MD-Mfz=GD2dn/375dt得 GD2=-375M0 / (dn /dt) 375M0 /(n /t)(1)測n=f(M0)利用空載損耗 P0=UDId-RDI2，得M0. 測定n=f(M0)的實驗數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)紙上做出n=f(M0)曲線(2)測dn/dt測定dn/dt數(shù)據(jù), 在示波器上畫出n=f(t)曲線, 并轉(zhuǎn)移到坐標(biāo)紙上。

12、GD2=375M0Q/(n/t)Q=0.5932Kg.m2=5.8132N.m2此時有 Tm=RGD2/375CeCm=RGD2/(30/ )Ce2=3.11*5.8134/375*(30/3.14)*0.1292=329.28(ms)2.1.3 測定觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KS 在按線性系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行分析和設(shè)計時，應(yīng)該把這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)KS當(dāng)作常數(shù)，但實際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似成線性環(huán)節(jié)。因此，最好應(yīng)用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即. 設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的余量，調(diào)節(jié)放大系數(shù)KS可由工作范圍內(nèi)的特性斜

13、率決定經(jīng)實驗測得KS=40. UdUctUdUct調(diào)速工作范圍圖2-1 晶閘管觸發(fā)與整流的輸入輸出特性和KS的測定2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.2.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)性能的要求經(jīng)量化和折算后可以表達(dá)為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計任務(wù)書中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標(biāo)的要求。深刻理解這些指標(biāo)的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設(shè)計思路。在以下四項中，前兩項屬于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，后兩項屬于動態(tài)性能指標(biāo)2.2.1.1 調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即 （2-1）2.2.1.2 靜差率s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值所

14、對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即 （2-2）靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。2.2.1.3 跟隨性能指標(biāo) 在給定信號R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項：上升時間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間.2.2.1.4 抗擾性能指標(biāo) 此項指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項組成：動態(tài)降落，恢復(fù)時間.2.2.2 調(diào)速系統(tǒng)的兩個基本矛盾在理解了本設(shè)計需滿足的各項指標(biāo)之后，我們會發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標(biāo)的兩個矛盾，即1) 動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2) 起動快速性與防止電流的沖擊對電機(jī)電流的

15、要求互相矛盾5。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無法解決第二個基本矛盾。在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制

16、電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-2a所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idla) b)圖2-2 調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程 b) 理想快速啟動過程當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。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。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)

17、矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動過程波形如圖2-2b所示,起動電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實現(xiàn)。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。2.2.3 調(diào)速系統(tǒng)

18、的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理見圖2-3：圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級連接.把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的

19、最大值。2.2.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是起動過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動過程波形如圖2-4所示。圖2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 從圖2-4知,整個起動過程分為三個階段：第I階段是電流上升階段。突加給定電

20、壓Un*后,通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當(dāng)IdIdL后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓Un=Un*-Un數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值Uim*，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)IdIdm時，UiUim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段。在這個階段中ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀

21、態(tài)，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，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，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*，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓及ACR的給定電壓Ui*立即從限幅值下來，主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=IdL時，轉(zhuǎn)距Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此

22、后，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一小段小與IdL的過程，直到穩(wěn)定。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個特點： 1）飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩個狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。 2）準(zhǔn)時間控制：啟動過程中主要階段實第II階段，即恒流升速階段。它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使啟動過程盡可能更快

23、。這個階段屬于電流受限制的條件下的最短時間控制，或稱時間最優(yōu)控制。 3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制,啟動過程結(jié)束進(jìn)入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)6。2.2.5 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；2）對付在變化起抗擾作用；3）其輸出限幅決定允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用：1）對電網(wǎng)電

24、壓波動起及時抗擾作用；2）起動時保證獲得允許的最大電流；3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨起給定電壓Um*變化；4）當(dāng)電動機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)最用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常7。2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型2.3.1 主電路及其化簡見圖2-5:圖2-5 主電路的原理圖及化簡a) 三相橋式整流電路的主電路b)等效電路c)化簡后的等效電路其中： Rb變壓器兩相繞阻的等效內(nèi)阻 Ra變壓器兩相繞阻漏抗引起換向壓降所對應(yīng)的電阻 Rn兩個可控硅原件的正相等效電阻 Rp平波電抗器等效電阻 Rd電動機(jī)電樞等效內(nèi)阻 Lb變壓器兩相繞阻的漏感 Lp平波電

25、抗器電感 Ld電動機(jī)電樞繞阻電感 Ud0=2.34U2COS理想空載整流電壓 E=Ce*n直流電動機(jī)電勢 RN=Rb+Ra+Rn整流裝置內(nèi)阻 RS =Rp+Rd電動機(jī)電樞電阻 R=RN+RS主電路總電阻 L=Lb+Lp+Ld主電路總電感2.3.2 額定勵磁下的直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)描述 由圖2-5中的c)可列出微分方程如下： (主電路,假定電流連續(xù)) (額定勵磁下的感應(yīng)電動勢) (牛頓動力學(xué)定律,忽略粘性摩擦) (額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)式中 TL包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；GD2電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2； Cm=30Ce/電動機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比

26、，單位為Nm/A；定義下列時間常數(shù)： TL=L/R電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s； Tm=(GD2R)/(375CeCm)電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)，單位為s。整理后得式中 IdL=TL/Cm負(fù)載額定電流.在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-3)電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 (2-4)由以上傳遞函數(shù)，可以得到額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示：圖2-6 額定勵磁下直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，直流電動機(jī)有兩個輸入量。一個是理想空載整流電壓Ud0，另一個是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中把電流Id表現(xiàn)出來，可

27、將擾動量IdL的綜合點前移，并進(jìn)行等效變換，如圖2-7所示圖2-7 直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化和變換a) b) 2.3.3 晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函2.3.3.1 失控時間 以單相全波純電阻負(fù)載整流電路為例來討論滯后時間的大小。假設(shè)在t1時刻某一對晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為1；如果控制電壓Vct在t2時刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，Vct的改變對它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會立即產(chǎn)生反應(yīng)，必須等到t3時刻該組件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對晶閘管。設(shè)Vct2對應(yīng)的控制角為2，則另一對晶閘管在t4時刻才導(dǎo)通，平均整流電壓變成Vd02。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點變化的，則

28、從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時間Ts便是失控時間。本設(shè)計采用三相橋式整流電路，平均失控時間Ts =1.67(ms)，實際取1.7(ms)2.3.3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函 用單位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 Ud0=KsUct1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為 (2-5)考慮到Ts很小,忽略其高次項,則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) (2-6)式中 Ks=觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)； Ts= 觸發(fā)和整流裝置的平均失控時間。工程近似條件 c1/3Ts (2-7)2.4 調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計在理解了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)

29、模型和工作原理之后，可以計算出各個組成部分的選用型號及取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計算過程。本設(shè)計重點和難點在系統(tǒng)中的兩個調(diào)節(jié)器。2.4.1 整流變壓器的計算2.4.1.1 整流變壓器的次級相電壓的有效值U22.4.1.2 變壓器初級電流、電壓和次級電流、電壓的有效值變壓器接成/ Y 形，可以得到零線，同時濾除三次諧波。（1） 次級線電壓： U線 = 1.732U2 = 234（V）（2） 次級相電流： I2 = 0.816Id = 12.7（A）（3） 初級線電壓： U1線 = U1相 =380（V）（4） 初級相電流： I1相 = (U2相/U1相)*I2

30、= 4.5（A）（5） 變壓器的變比： K = U1相 /U2相 = 2.82.4.1.3 變壓器的容量S(視在功率) (1) 初級容量(損耗為5%)S1 = 3 U1 I1(1+5%)= 5.39(KVA) (2) 次級容量 S2 = 3U2I2 = 5.14(KVA) (3) 變壓器容量 S = ( S1+ S2)/2 = 5.23(KVA) 取 S = 5(KVA)2.4.2 晶閘管組件的計算與選擇2.4.2.1 SCR的額定電流IT = (1.5-2)KF Id /1.57KB = 12.9-17.2(A)取IT =20(A)2.4.2.2 SCR的額定電壓:UKED = (2-3)U

31、LMAX = 661.4-992.1(V)取UKED =1000(V)式中 ULMAX = 330.7(V)次級線電壓最大值所以可選 KP20-10 SCR 6只檢驗 電壓裕量: KV = (URED+100)/U2 =3.35 > 2 符合要求2.4.3 主電路的過電壓和過電流保護(hù)2.4.3.1 過電壓保護(hù)（1） 交流側(cè)過電壓保護(hù):用壓敏二極管抑制事故過電壓壓敏電阻的標(biāo)稱電壓：U1MA1.33*1.414*UB =1.33*1.414*234 =440.1(V)通流容量: IPM110KFU2L/U1MA*I200.95=110*0.5*234*0.2540.95÷440.1

32、=7.95(A)選用MY31-440V/500A的壓敏電阻,其殘壓比<1.8（2）直流側(cè)過壓保護(hù): 利用電組和電容吸收操作過壓A. 電容C的參數(shù): C = 2LBKL2ID2 /(KV2-1)UD2= 2*2.94*103*0.52*15.62/(22-1)*2202 = 2.5(µF)取 C = 4µFUC > 2UD = 2*220 = 440(V)取 UC = 630(V)B. 電阻R的參數(shù):R = UD(KV-1) / KIID =220*(2-1)/0.5*15.6 = 28()取 R = 30PR PD/800 = 2.8*103/800 = 3.7

33、(W)取 PR = 10W所以選定CD = 4µF/630V, RB = 30/10W2.4.3.2 過電流保護(hù)每個橋臂串個快速融斷器額定電流：Irn KITIdmax /2KInp = 0.367*1.5*15.6/2*1.1 = 13.4（A）取 Irn = 20A額定電壓: Urn KVTUUb/1.414 = 233.9（V）取 Urn = 400V實際選用 RSO20A/400V 6只2.4.4 平波電抗器的參數(shù)計算2.4.4.1 限制電流脈動的電感量LmL = (Udm/UL)*103*U2 / 2fbSiId = 0.46*103*135/ 2*300*(5-10)%*

34、15.6= 42.3mH21.1mH2.4.4.2 使電流連續(xù)的電感量LlLl = KLUL/Idmax = 0.693*135/1.25 = 74.8mH2.4.4.3電動機(jī)電樞電感LD和變壓器電感LBLD=KDUD*103/2PnID =(8-12)220000/4*1500*15.6=18.8-28.2mHLB =1.3mH 實際選定PBK-1型(50mH/20A)平波電抗器一臺。2.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元見圖2-8:圖28 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖其中GL給定器 LSF零速封鎖器ASR轉(zhuǎn)速調(diào)速器材ACR電流調(diào)節(jié)器SB轉(zhuǎn)速變速器材LB電流變送器GL過流保護(hù)器材CF觸發(fā)器

35、本小節(jié)有助于加深對電氣組成部分的工作原理的整體理解。以下各圖電子組件型號和參數(shù)的取值是根據(jù)后續(xù)計算及工程范例所得。其關(guān)鍵取值在電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，他們保證了系統(tǒng)性能指標(biāo)的實現(xiàn)。這在第三章會有詳盡的闡述。2.5.1 過流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)見圖2-9:圖2-9 過流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)2.5.2電流調(diào)節(jié)器(ACR)見圖2-10:圖2-10 電流調(diào)節(jié)器(ACR)2.5.3 零速封鎖器(LSF)見圖2-11:圖2-11 零速封鎖器(LSF)2.5.4 給定器(GD)見圖2-12:圖2-12 給定器(GD)2.5.5 轉(zhuǎn)速變送器(SB)見圖2-13:圖2-13 轉(zhuǎn)速變送器(

36、SB)2.5.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)見圖2-14:圖2-14 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)2.5.7 鋸齒波觸發(fā)器(GT)本調(diào)速系統(tǒng)須6個可控硅輪流觸發(fā)，圖2-15是1GT的觸發(fā)器電路，其余五個可類推。圖2-15 鋸齒波觸發(fā)器(GT)2.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在對調(diào)節(jié)器具體設(shè)計之前，為了從整體理解整個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，這里先給出了各調(diào)節(jié)器和變送器的傳遞函數(shù)。他們的理論根據(jù)在第三章具體闡述。2.6.1 電流調(diào)節(jié)器和電流變送器的傳函2.6.1.1 電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)Uct (s ) /Un*( s )-Id(s)= Ki (is+1) /is（Tois+1）其中： Ki=Ri/Ro電流調(diào)節(jié)

37、器的比例系數(shù) i=RiCi電流調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Toi=0.25RiCoi電流反饋濾波時間常數(shù) 電流反饋系數(shù)2.6.1.2 電流變送器LB的傳遞函數(shù) Id (s) / Id (s)= (v/A)2.6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速變送器的傳函2.6.2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)U i* (s) / U n* (s) -n (s) =Kn (ns+1) /ns（Tons+1）其中：Kn=Rn/R0轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) n=RnCn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Ton=0.25RnCon轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)2.6.2.2 轉(zhuǎn)速變送器SB的傳遞函數(shù)Un(s)/n(s)=a（v/rpm）2.6.

38、3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，由上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要給定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)Toi的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：使給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。同樣，由測速發(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，濾波時間常數(shù)由Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，也需要在

39、轉(zhuǎn)速給定通道配上時間常數(shù)為Ton為濾波環(huán)節(jié)6。所以實際的電路需增加電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個給定濾波環(huán)節(jié)，見圖2-16:圖2-16 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.7 本章小結(jié)本章在簡要介紹了本設(shè)計所涉及的參數(shù)測定后，重點分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型，得出了其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。對主電路設(shè)計計算和各主要電氣控制單元也做了必要的闡述。第3章 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.1 設(shè)計要求本論文首先應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計方法,設(shè)計出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計方法, 設(shè)計此調(diào)速系統(tǒng)。3.1.1 基本數(shù)據(jù)（其中包括銘

40、牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）（1）被控直流電動機(jī) Pnom=2.8 kw Unom=220 v Inom=15.6 A Nnom=1500 rpm RD=1.41 Ce=0.129 V/rpm =1.5 Cm=0.125 kg.m/A（2）整流裝置 三相全控橋式整流電路 Rn=RB+R+RN=1.60 Ks=Ud/Uk=40 Ts=1.7 ms（3）電樞回路總電阻 RRn+Rs=RB+R+RN+Rp+RD=3.11（4）電樞回路總電感 L=LB+Lp+LD=74.58 mH（5）電動機(jī)軸一總飛輪矩 GD2=0.5932 kg.m2（6）系統(tǒng)時間常數(shù) Tl0.02398 s Tm=0.30460 s（7）

41、反饋濾波時間常數(shù) Toi=0.005 s Ton=0.01 s（8）調(diào)節(jié)器最大給定電壓 U*nm=U*im=8 v（9）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻 R0=40 k3.1.2 設(shè)計指標(biāo) （1）負(fù)載：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 Idl=0.8Inom（2）起動方式：空載起動到額定轉(zhuǎn)速，Ido=0.05Inom（3）性能指標(biāo)： 1）調(diào)速范圍：D10 2）靜差率：S4% 3）電流超調(diào)量i%5% 4）轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10% 5) 突加負(fù)載的動態(tài)速降3% 6）恢復(fù)時間t1.5秒3.2 工程設(shè)計方法的基本思路用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求8。作為工

42、程設(shè)計方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分為兩步：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，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快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動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進(jìn)一步滿足其它動態(tài)性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算以下就可以了。這樣就使設(shè)計犯法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量6。在2.6.1和2.6.2中已給出了電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳

43、遞函數(shù)，此處詳細(xì)討論其理論依據(jù)及工程實現(xiàn)問題。3.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.3.1 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化 設(shè)計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)TL一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認(rèn)為E不變，即E=0。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到

44、環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。 圖3-1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡3.3.2 確定電流環(huán)的時間常數(shù) 以下數(shù)據(jù)Ts和Toi,設(shè)計任務(wù)書已給定。3.3.2.1三相橋式電路的平均失控時間 Ts=1.7ms 3.3.2.2 電流濾波時間常數(shù)Toi Toi =5ms3.3.2.3 電流環(huán)小時間常數(shù)TI = Ts+Toi=6.7ms (3-1)3.3.3 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越

45、好。從這個觀點出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)?？呻娏鳝h(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)。一般情況下,當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比TL/TI 10時,典系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的。因此,一般多按典系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)6。本設(shè)計因為 i% 5%且TL/TI =23.98/6.7<10。所以 按典系統(tǒng)設(shè)計,選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-2)式中 Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇=TL, 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖3-2：圖3-2 電流環(huán)簡化成典系統(tǒng)3.3.4

46、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算3.3.4.1 計算時間常數(shù)和比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù): I =Tl =23.98ms電流開環(huán)增益: 要求i%5%, 應(yīng)取KITi=0.5因此 KI = 0.5/Ti=0.5/0.0067=74.6（1/s）電流反饋系數(shù) (3-3)于是，ACR的比例系數(shù) : (3-4)3.3.4.2 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運(yùn)放取 R0 =40k(),則 Ri = KiR0 = 16.4k() (3-5) Ci =i /Ri= 0.02398/16.4k= 1.5F (3-6) Coi =4Toi /R0 =4*0.005/(40*103)=0.5F (3-7)在工程實際中Ri取1

47、6k.3.3.5 校驗近似條件電流環(huán)的截止頻率ci =KI =74.63.3.5.1 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件ci 1/3Ts現(xiàn)在 ，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ci ，滿足近似條件。3.3.5.2 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 (3-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.30460*0.02398)1/2=35.10ci =KI =74.63.3.5.3 小時間常數(shù)近似處理條件 (3-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.002)1/2=180.78>ci =74.6按上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到動態(tài)指標(biāo)I%=4.3%&

48、lt;5%。3.3.6 電流環(huán)的動態(tài)性能指標(biāo)3.3.6.1 頻域指標(biāo) 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示,其開環(huán)頻率特性為: (3-10)L()=20lgKI-20lg-20lg(1+Ti22)½ (3-11)()=-90o-tg-1Ti (3-12)()=90o-tg-1Ti (3-13)根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨指標(biāo)和頻域指標(biāo)的參數(shù)的關(guān)系,當(dāng)KITi=0.5時, 阻尼比=0.707，振蕩指標(biāo)MP=1，截止頻率 ci=KI=74.6因此 ()=-90o-tg-1Ti=-116.6o (ci)=180-()=63.4o3.3.6.2 跟隨性能指標(biāo) i%=4.3%<5% 上升時間tr

49、=4.72Ti=4.72*0.0067=31.62ms 超調(diào)時間tm=6.5Ti=6.5*0.0067=43.55ms 調(diào)節(jié)時間tS=6Ti=6*0.0067=40.2ms 3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 3.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： (3-14) (3-15)近似條件: (3-16)式中 cn為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計算完成后,需校驗此近似條件。3.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/；再把時間常數(shù)為Ton和2Ti的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3-3（b）。圖3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理3.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.4.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型型系統(tǒng)的原因1). 系統(tǒng)在負(fù)載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2). ST飽和時，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。 3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。3.4.3.2 典型型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標(biāo)的關(guān)系為了分析方便起見，引入一個新的變量