雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

主要內(nèi)容學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成，能夠畫(huà)出轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖、結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，理解電流調(diào)節(jié)器（ACR）和速度調(diào)節(jié)器（ASR）的調(diào)節(jié)作用；2．理解雙閉環(huán)系統(tǒng)中常見(jiàn)二極管鉗位的外限幅電路和穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路的工作原理；3．理解PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，能夠完成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的分析；4．理解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和抗擾分析，掌握動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)和作用；*5．能夠按照正確的方法完成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)導(dǎo)航3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性分析3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.1.1單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速反饋電壓引至系統(tǒng)的輸入端與給定電壓相比較。PI調(diào)節(jié)器對(duì)偏差進(jìn)行比例積分運(yùn)算后，得到控制電壓，從而通過(guò)控制晶閘管可控整流器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

盡管如此，這種調(diào)速系統(tǒng)也只能做到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，動(dòng)態(tài)上還是有差的。如果負(fù)載突然增大，PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓

>0，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器的積分作用，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，

=0，但

，由此產(chǎn)生的整流電壓的增量

正好補(bǔ)償了由于負(fù)載增加引起的那部分主電路電阻壓降

，才能保證

。

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

因此，調(diào)速系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)精度要求較高的情況下，降低動(dòng)態(tài)速降和縮短動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間，是單閉環(huán)系統(tǒng)必須解決的一個(gè)問(wèn)題。3.1.1單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

電流截止負(fù)反饋的應(yīng)用，解決了系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大問(wèn)題。此時(shí)，PI調(diào)節(jié)器需要完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：一方面是正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，另一方面是過(guò)載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。由于用一個(gè)調(diào)節(jié)器，把給定信號(hào)

、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)

和電流截止負(fù)反饋信號(hào)

在該調(diào)節(jié)器中綜合，這樣各參數(shù)相互影響，互相牽制。系統(tǒng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)參數(shù)配合調(diào)整很困難。顯然，采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)不能得到令人滿意的電流控制規(guī)律，對(duì)電流的控制就成了單閉環(huán)系統(tǒng)必須解決的另一個(gè)問(wèn)題。因此提出了采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)分開(kāi)進(jìn)行，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，形成外環(huán)。這就是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.1.1單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

同時(shí)從工業(yè)控制領(lǐng)域來(lái)看，由于加工工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)的需要，許多生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的過(guò)渡過(guò)程中，此時(shí)，速度的變化能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的為梯形速度圖，如圖3-1（a）所示，速度的變化不能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的為三角形速度圖，如圖3-1（b）所示。

從速度圖可以看出，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間是工作在過(guò)渡過(guò)程中，如何縮短這一時(shí)間，充分發(fā)揮生產(chǎn)機(jī)械效率是生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速系統(tǒng)首先提出的要求，為此提出了“最佳過(guò)渡過(guò)程”的概念。（a）梯形速度圖（b）三角形速度圖圖3-1過(guò)渡過(guò)程速度圖3.1.1單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

要使生產(chǎn)機(jī)械過(guò)渡過(guò)程最短、提高生產(chǎn)率，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)就必須發(fā)出最大起動(dòng)（或制動(dòng)）轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩是由它的過(guò)載能力所限制的。通常把充分利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力以獲得最高生產(chǎn)率的過(guò)渡過(guò)程稱之為限制極值轉(zhuǎn)矩的最佳過(guò)渡過(guò)程。這樣，既要限制起動(dòng)時(shí)的最大允許電流，又要保證電動(dòng)機(jī)能發(fā)出最大轉(zhuǎn)矩。最佳過(guò)渡過(guò)程中各量的變化規(guī)律如圖3-2所示。圖3-2最佳過(guò)渡過(guò)程中各量的變化規(guī)律3.1.1單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

我們?cè)谟懻搫?dòng)態(tài)電流變化規(guī)律時(shí)，忽視了主電路電感的影響。實(shí)際上電動(dòng)機(jī)的電樞電流不可能從零突變到最大值，總有一上升過(guò)程。因此，實(shí)際波形與上述情況不盡相同。為了使電流接近理想波形，必須使電流在起動(dòng)剛開(kāi)始的瞬間強(qiáng)迫其迅速上升至系統(tǒng)最大值。這就必須讓晶閘管整流裝置在起動(dòng)初期提供最大整流輸出電壓，一旦電流達(dá)到Imax，將電壓突降至維持最大電流所需的數(shù)值，然后電壓、轉(zhuǎn)速按線性規(guī)律上升。實(shí)際各量的變化規(guī)律如圖3-3所示。圖3-3最佳過(guò)渡過(guò)程實(shí)際各量的變化規(guī)律3.1.1單閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

滿足最佳過(guò)渡過(guò)程的條件：1）電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持主電路電流為最大值不變。當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)，盡快使電流下降至系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值。2）應(yīng)保證晶閘管整流電壓在起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程的初瞬有一突變，然后按某一線性規(guī)律遞增。這樣可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以最大加速度上升，縮短過(guò)渡過(guò)程。3）要想實(shí)現(xiàn)主電路電流的這一變化規(guī)律，必須增設(shè)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，對(duì)電流波形進(jìn)行控制，即引入電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變。在起動(dòng)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，即采用電流負(fù)反饋來(lái)得到近似的恒流過(guò)程。但因注意：在起動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)只有電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用，不再需要靠電流負(fù)反饋來(lái)發(fā)揮主要作用。

所以，只有采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同階段起作用的功能。

為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，設(shè)想引入一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，使電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)保持電流為最大值Imax的恒流過(guò)程，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束轉(zhuǎn)入無(wú)靜差的速度調(diào)節(jié)過(guò)程。由于電流的變化率和速度的變化率相差較大，往往把電流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)分開(kāi)進(jìn)行，給定信號(hào)加到速度調(diào)節(jié)器輸入端，速度調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出去驅(qū)動(dòng)晶閘管觸發(fā)裝置。兩個(gè)調(diào)節(jié)器互相配合，同時(shí)調(diào)節(jié)，稱之為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖3-4所示。3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成圖3-4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

為了實(shí)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(gè)調(diào)節(jié)器，一個(gè)調(diào)節(jié)電流，稱電流調(diào)節(jié)器，用ACR表示；另一個(gè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，稱速度調(diào)節(jié)器，用ASR表示。兩者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫作外環(huán)，如圖3-4所示。這就是說(shuō)，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。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖，如圖3-5所示。圖3-5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，通常兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅（飽和）電壓決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。圖3-6二極管鉗位的外限幅電路

雙閉環(huán)系統(tǒng)中常見(jiàn)的輸出限幅電路有兩種：二極管鉗位的外限幅電路和穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路。

如圖3-6所示為二極管鉗位的外限幅電路。

-

構(gòu)成正向輸出限幅電路，

-

構(gòu)成負(fù)向輸出限幅電路。

調(diào)節(jié)正向限幅值，

調(diào)節(jié)負(fù)向限幅值。其工作原理為

：當(dāng)輸出電壓為正時(shí)，忽略二極管管壓降，輸出最大值不會(huì)超出M點(diǎn)電位，否則導(dǎo)通，輸出被嵌位（等于M點(diǎn)電位）。同理，當(dāng)輸出電壓為負(fù)時(shí)，忽略二極管管壓降，輸出最小值不會(huì)超出N點(diǎn)電位，否則

導(dǎo)通，輸出被嵌位（等于N點(diǎn)電位）。3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1PN結(jié)的形成3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

如圖3-7所示為穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路。假設(shè)穩(wěn)壓管

的穩(wěn)壓值為

，穩(wěn)壓管

的穩(wěn)壓值為

。其工作原理為：當(dāng)輸出電壓為正時(shí)，輸出最大值不會(huì)超出穩(wěn)壓管

的穩(wěn)壓值

+0.7V，否則VS1導(dǎo)通，輸出被嵌位在穩(wěn)壓管

+0.7V。同理，當(dāng)輸出電壓為負(fù)時(shí)，輸出最小值不會(huì)超出穩(wěn)壓管

的穩(wěn)壓值

-0.7V，否則

導(dǎo)通，輸出被嵌位

-0.7V。圖3-7穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路3.2.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與靜特性

根據(jù)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的原理圖畫(huà)出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-8所示。其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與電流調(diào)節(jié)器ACR均采用有限幅輸出特性的PI調(diào)節(jié)器。1.1PN結(jié)的形成3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性分析

PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征是：當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。圖3-8轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與靜特性

實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖3-9所示，實(shí)線為理想特性，虛線為實(shí)際特性。1.1PN結(jié)的形成3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性分析

正常工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不飽和，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)速為：圖3-8轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（3-1）

即轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速給定值決定，轉(zhuǎn)速給定沒(méi)變，所以轉(zhuǎn)速不變，而電流可為任意值。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，

<

，也就是說(shuō)

<

。這就是說(shuō)，圖3-9所示CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的

=0一直延續(xù)到

=

，

而一般都是大于額定電流

的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。3.2.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與靜特性

恒流調(diào)節(jié)階段，ASR飽和，此時(shí)與系統(tǒng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和。這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值

，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)靜差的單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速

=0，而電流給定和電樞電流均達(dá)到最大值，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)主要表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，起到自動(dòng)過(guò)電流保護(hù)作用。1.1PN結(jié)的形成3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性分析

即為靜特性是如圖3-9中的AB段，它是垂直的特性。

然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于

時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到

后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。（3-2）3.2.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓

決定的，即1.1PN結(jié)的形成3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性分析（3-3）

而此時(shí)的ASR的輸出量

是由負(fù)載電流

決定，即

控制電壓

的大小為：

即控制電壓

同時(shí)取決于n和

，或者說(shuō)，同時(shí)取決

于

和。（3-4）（3-5）3.2.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

以上關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)。1.1PN結(jié)的形成3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性分析

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為：（3-6）（3-7）

電流反饋系數(shù)為：

兩個(gè)給定電壓的最大值

和

由設(shè)計(jì)者選定，

受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；

為ASR的輸出限幅值。3.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)

設(shè)置雙閉環(huán)的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)雙閉環(huán)系統(tǒng)加入給定電壓

起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程如圖3-10所示。整個(gè)過(guò)渡過(guò)程可分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段。1.1PN結(jié)的形成3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

0~t1段為電流上升階段。加入給定電壓

后，由于電動(dòng)機(jī)慣性作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)較慢，所以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓很小，造成偏差電壓

數(shù)值較大，使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出值很快變?yōu)檗D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的飽和限幅電壓

，強(qiáng)迫電流

迅速上升。當(dāng)

上升至

，電流反饋電壓

趨于或等于電流環(huán)給定電壓

，電流調(diào)節(jié)器的作用使不再上升，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，電流調(diào)節(jié)器ACR一般不飽和，以達(dá)到保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。圖3-10轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程3.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)

~

為恒流升速階段。從電流升到最大值

開(kāi)始，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

n

線性上升。在這一階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR一直飽和，系統(tǒng)在恒流給定

作用下進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，與此同時(shí)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)

正比于轉(zhuǎn)速線性上升，它欲使電樞電流下降。電樞電流一旦減小，

就會(huì)減小，反饋到ACR輸入端，產(chǎn)生了偏差電壓

。

使ACR繼續(xù)積分，其輸出

線性增大，從而保證了

隨E

的增長(zhǎng)而等速增長(zhǎng)，維持

不變，即獲得恒流升速到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定值。1.1PN結(jié)的形成3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

~

為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升至略大于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，速度調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)

變負(fù)，并在一段時(shí)間內(nèi)受負(fù)偏差電壓控制，ASR退出飽和，其輸出電壓（即

）使主電流

下降。此時(shí)ASR與ACR都不飽和，兩個(gè)調(diào)節(jié)器同時(shí)起調(diào)節(jié)作用，由于轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，所以ASR處于主導(dǎo)作用，使得轉(zhuǎn)速逐漸下降至給定轉(zhuǎn)速。1.1PN結(jié)的形成綜上所述，雙閉環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程具有以下三個(gè)特點(diǎn)：①飽和非線性。即指轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有不飽和、飽和、退飽和3種工作狀態(tài)。②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程充分發(fā)揮系統(tǒng)的電流過(guò)載能力，基本上實(shí)現(xiàn)最大允許電流啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程最快。③轉(zhuǎn)速超調(diào)。只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使ASR退飽和。3.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析1.1PN結(jié)的形成

電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL1下以給定轉(zhuǎn)速ng穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若負(fù)載突然增加為TL2，因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩

尚未改變，故造成

，使轉(zhuǎn)速下降。然而，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有克服這種轉(zhuǎn)速降落、使電動(dòng)機(jī)恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的能力。系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整過(guò)程如下：3.3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗擾分析3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

↑→

↓→

↓→

↑→

↑→

↑→

↓→

↑→

↑。

一旦電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，反饋電壓

亦隨之下降，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓增大，其輸出

加大。電流調(diào)節(jié)器ACR輸入偏差電壓隨

的加大而變大，其輸出電壓即使晶閘管變流器的觸發(fā)角減小，變流器整流電壓

增大，使電樞電流Id

跟著增大，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速得以回升，其全部變化過(guò)程如圖3-11波形所示。1.1PN結(jié)的形成3.3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗擾分析3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

在圖3-11（a）中，t0時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩由

階段跳躍變?yōu)?轉(zhuǎn)速n下降而偏離給定值，速度調(diào)節(jié)器ASR輸入出現(xiàn)偏差，其輸出

增大，于是電樞電流

隨之增大，這就是電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，

從原來(lái)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩

相對(duì)應(yīng)的電流

值上升。當(dāng)

上升到超過(guò)新負(fù)載下穩(wěn)定值

值時(shí)，電樞電流上升至

=

，達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡條件

=

，亦即

=

，轉(zhuǎn)速n不再下降，即

時(shí)刻對(duì)應(yīng)的情況。圖3-11雙閉環(huán)系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)波動(dòng)1.1PN結(jié)的形成3.3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗擾分析3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

但是，由圖3-11（b）可見(jiàn)，在

時(shí)刻及以后期間電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n仍小于給定值

，即轉(zhuǎn)速反饋電壓

仍低于給定電壓

，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入仍有正偏差電壓，輸出

繼續(xù)積分增長(zhǎng)，以至超過(guò)

。由于電流調(diào)節(jié)環(huán)的作用，

總是跟隨

變化，于是

繼續(xù)上升超過(guò)

。電磁轉(zhuǎn)矩

超過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

使轉(zhuǎn)速n回升，在

時(shí)刻n達(dá)到給定值

，即n

=

，t2

時(shí)刻ASR輸入偏差為零，其輸出停止積分增長(zhǎng)，

達(dá)到頂峰值，

停止增加。在電流調(diào)節(jié)環(huán)的作用下，晶閘管變流器的整流電壓停止增大，電動(dòng)機(jī)電樞電壓

亦停止增加。

t2時(shí)刻以后，仍然存在的情況，所以出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速n的超調(diào)，ASR輸入反向偏差電壓，其輸出

積分下降，直到ts時(shí)刻n

=

時(shí)停止下降。而這時(shí)因?yàn)?/p>

<

，

<

會(huì)使轉(zhuǎn)速再次降低至小于給定轉(zhuǎn)速

。經(jīng)過(guò)一次或幾次振蕩后可以獲得穩(wěn)定，如圖3-11所示的

時(shí)刻，轉(zhuǎn)速進(jìn)入系統(tǒng)規(guī)定誤差范圍，結(jié)束過(guò)渡過(guò)程。

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，在新的負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定電壓

未變，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速也未變，但是，電流環(huán)的給定電壓

加大了，同時(shí)晶閘管變流器的控制電壓加大了，電動(dòng)機(jī)電樞電壓亦加大了，這就是負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大后，需要電樞電流加大滿足轉(zhuǎn)矩平衡的條件來(lái)維持轉(zhuǎn)速不變。1.1PN結(jié)的形成3.3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的抗擾分析3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

依據(jù)以上分析可以看出，克服負(fù)載擾動(dòng)的主要環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)速環(huán)，而電流環(huán)在調(diào)節(jié)過(guò)程中只起電流跟隨作用。從表面上看，在不設(shè)電流環(huán)的單獨(dú)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)中，可以避免ACR的積分輸出延緩作用，加快調(diào)節(jié)過(guò)程。但實(shí)際上，電流環(huán)具有加快調(diào)節(jié)電樞電流到達(dá)

的能力，它可以等效為一個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，從而加快了系統(tǒng)響應(yīng)速度，使降落的轉(zhuǎn)速能迅速恢復(fù)。圖3-11雙閉環(huán)系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)波動(dòng)

另外，如果系統(tǒng)原來(lái)處于輕載工作狀態(tài)，若負(fù)載突然加大使轉(zhuǎn)速降得很多時(shí)，ASR輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)，它能輔之以恒流升速，既避免了電樞電流的過(guò)大，又加快了恢復(fù)過(guò)程。

通常，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)距離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。1.1PN結(jié)的形成

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。2）對(duì)負(fù)載電流變化起抗干擾作用。3）其輸出限幅值決定了最大電樞電流。3.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器的作用3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

（1）電流調(diào)節(jié)器的作用1）使電樞電流跟隨電流給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。2）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗干擾作用。3）在啟動(dòng)過(guò)程中，保證獲得允許的最大電流；在過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，起自動(dòng)過(guò)電流保護(hù)作用。1.1PN結(jié)的形成

用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(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，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。

大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。3.4.1工程設(shè)計(jì)方法的基本思路*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

工程設(shè)計(jì)方法的原則：1）概念清楚、易懂；2）計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式；5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。

工程設(shè)計(jì)方法的基本思路是：1）選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。2）設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。1.1PN結(jié)的形成

典型系統(tǒng)如圖3-12所示。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

（上式中，分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，或者說(shuō)，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0，1，2，……等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)。

自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選用I型和II型系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為圖3-12典型系統(tǒng)（3-8）1.1PN結(jié)的形成

典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-13所示。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

式中T：系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；

K：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。

典型I型系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：圖3-13典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（3-9）

典型I型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如圖3-14所示。圖3-14典型I型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性1.1PN結(jié)的形成

典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以–20dB/dec的斜率穿越0dB線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量，即選擇參數(shù)滿足：3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

于是，相角穩(wěn)定裕度

或圖3-15典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（3-10）

典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-15所示。（3-11）（3-12）1.1PN結(jié)的形成

典型Ⅱ型系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

典型Ⅱ型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如圖3-16所示。圖3-16典型Ⅱ型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性（3-13）1.1PN結(jié)的形成

典型的II型系統(tǒng)也是以–20dB/dec的斜率穿越零分貝線。由于分母中s2項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是–180°，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)（

+1），是為了把相頻特性抬到–180°線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

且

比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。

典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如（3-9）所示，它包含兩個(gè)參數(shù)：開(kāi)環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T。其中，時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開(kāi)環(huán)增益K，也就是說(shuō)，K是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。（3-14）

或（3-15）1.1PN結(jié)的形成

K與開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系如圖3-17所示。圖中繪出了在不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，箭頭表示K值增大時(shí)特性變化的方向。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

所以當(dāng)時(shí)圖3-17K與開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系（3-16）

K與截止頻率

的關(guān)系：當(dāng)

時(shí)，特性以–20dB/dec斜率穿

越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知

表明，

值越大，截止頻率

也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度

越小，這也說(shuō)明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù)

時(shí)，須在二者之間取折衷。所以當(dāng)

時(shí)1.1PN結(jié)的形成

下面將用數(shù)字定量地表示

值與各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

1.典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)可用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示，如表3-1所示。表3-1I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

由表3-1可見(jiàn)：在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比；在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為∞。因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。（3-15）輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差0∞1.1PN結(jié)的形成

（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

、

與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系為：（3-17）

式中：無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；：阻尼比，或稱衰減系數(shù)。（3-18）（3-19）（3-20）1.1PN結(jié)的形成

二階系統(tǒng)的性質(zhì)為：當(dāng)

<1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，當(dāng)1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過(guò)阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)

=1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

由于在典I系統(tǒng)中

<1，代入（3-19）得>0.5。因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)?。?-21）

由于過(guò)阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即（3-22）（3-23）（3-24）

下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式。

超調(diào)量

上升時(shí)間

峰值時(shí)間（3-25）1.1PN結(jié)的形成

表2-2為典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

具體選擇參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（ζ與KT的關(guān)系服從于式3-18）1.1PN結(jié)的形成

典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

圖3-18是在擾動(dòng)F作用下的典型I型系統(tǒng)，其中，W1(s)是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù)，后面部分是W2(s)，于是3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法（3-26）圖3-18在擾動(dòng)F作用下的典型I型系統(tǒng)1.1PN結(jié)的形成

只討論抗擾性能時(shí)，令輸入作用

=0，得到圖3-19所示的等效結(jié)構(gòu)圖。由于抗擾性能與W1(s)有關(guān)，因此抗擾性能指標(biāo)也不定，隨著擾動(dòng)點(diǎn)的變化而變化。在此，我們針對(duì)常用的調(diào)速系統(tǒng)，分析的一種情況，其他情況可仿此處理。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算可得到表2-3所示的數(shù)據(jù)。3.4.2典型系統(tǒng)及其參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法圖3-19在擾動(dòng)F作用下的典型I型系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖表2-3典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系(控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖3-18、圖3-19所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5)

由表2-3中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng)。1.1PN結(jié)的形成

1.調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇基本思路，是將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)，如圖3-20所示。3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法圖3-20控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)

調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇規(guī)律是，用典型系統(tǒng)替代控制對(duì)象。幾種校正成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的控制對(duì)象和相應(yīng)的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)列于表2-4和表2-5中，表中還給出了參數(shù)配合關(guān)系。有時(shí)僅靠P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求，就不得不作一些近似處理，或者采用更復(fù)雜的控制規(guī)律。1.1PN結(jié)的形成*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法表2-4校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化1.1PN結(jié)的形成*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法表2-5校正成典型II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化1.1PN結(jié)的形成

（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理

實(shí)際系統(tǒng)中往往有若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。例如，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和。

、

若為小慣性環(huán)節(jié)，則可以合并。（3-27）（3-28）

例如，

當(dāng)滿足條件

可表示為：3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化1.1PN結(jié)的形成

（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理

上述小慣性群的近似處理實(shí)際上是高階系統(tǒng)降階處理的一種特例，它把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié)。下面討論更一般的情況，即如何能忽略特征方程的高次項(xiàng)。以三階系統(tǒng)為例，設(shè)*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

則忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：（3-29）

其中a，b，c都是正系數(shù)，且bc>a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

若滿足條件：（3-30）（3-31）3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化1.1PN結(jié)的形成

（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

表2-9中已經(jīng)指出，當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時(shí)，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié)，即在滿足條件

時(shí)，可將

簡(jiǎn)化為

。*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法

可簡(jiǎn)化為（3-32）

例如：滿足條件3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化1.1PN結(jié)的形成

低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響，如圖3-21所示，實(shí)質(zhì)就是低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b。*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.3非典型系統(tǒng)的典型化圖3-21低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響1.1PN結(jié)的形成

1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化

在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即E≈0。這時(shí)，電流環(huán)如圖3-22所示。*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖3-22電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)

如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成

，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖3-23所示。圖3-23等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)1.1PN結(jié)的形成

最后，由于

和

一般都比

小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)滿足簡(jiǎn)化條件：*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖3-24小慣性環(huán)節(jié)近似處理

電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化，如圖3-24所示。

其時(shí)間常數(shù)為（3-33）（3-34）1.1PN結(jié)的形成

2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇

典型系統(tǒng)的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖3-24可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。

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)。

電流調(diào)節(jié)器選擇：圖3-24表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（3-35）式中—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。1.1PN結(jié)的形成

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*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖3-25電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-25a所示的典型形式，其中（3-36）（3-37）圖3-26開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性其對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性如圖3-26所示。1.1PN結(jié)的形成

3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算

式（3-35）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：

和

，其中

已選定，（3-36），剩下的只有比例系數(shù)

，可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。

其參數(shù)選擇時(shí)，在一般情況下，希望電流超調(diào)量

<5%，由表2-2，可選

=0.707，

=0.5，則*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（3-38）再利用（3-37）和（3-36）得到（3-39）

注意：如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，（3-38）和（3-39）當(dāng)然應(yīng)做出相應(yīng)的改變。此外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗擾性能指標(biāo)是否滿足。1.1PN結(jié)的形成

4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)

模擬式電流調(diào)節(jié)器電路如圖3-27所示，電路為含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器。*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4.4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)圖3-27含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器

電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式為：（3-40）（3-41）（3-42）1.1PN結(jié)的形成

1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)

電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖3-25可知*3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法3.4