第二章-多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

第二章多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要一、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理、動(dòng)靜態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算；二、轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制；三、直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法；四、單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)工程設(shè)計(jì)舉例加深對(duì)工程設(shè)計(jì)方法的理解和應(yīng)用。第一節(jié)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、問(wèn)題的提出

采用比例積分的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)由于電流截止負(fù)反饋限制了最大電流，起動(dòng)的過(guò)程較長(zhǎng)

，如圖2-1（a）所示。

實(shí)際生產(chǎn)中的調(diào)速系統(tǒng)，為提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短正反轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，希望充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過(guò)載能力，使起動(dòng)電流保持在最大允許值上，以最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，使轉(zhuǎn)速迅速直線上升，減少起動(dòng)時(shí)間。理想的起動(dòng)過(guò)程的波形如圖2-1（b）。

（a）帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程（b）理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2-1調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形ididIdmnnn(∞)Idmn(∞)nid0tILt0IL為了實(shí)現(xiàn)理想的起動(dòng)過(guò)程，工程上常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和，讓電流負(fù)反饋內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速給定電壓變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)電樞電流平衡負(fù)載電流。二、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的組成及工作原理圖2-2為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖。圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。由圖可見(jiàn)，電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)-反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)-反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成了轉(zhuǎn)速環(huán)。故稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖中，ASR和ACR均為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸入輸出均設(shè)有限幅電路。ACR輸出限幅值為Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓Udm的最大值。ASR輸出限幅值為U*im，它決定了主回路中的最大允許電流Idm。圖2-3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖2-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓ΔUi=-U*i+Ui=-U*i+βId=0，即Id=U*i/β。當(dāng)U*i為一定時(shí)，由于電流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在U*i/β數(shù)值上。當(dāng)Id>U*i/β時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖2-4。圖2-4電流環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程調(diào)節(jié)過(guò)程直至Id=U*i/β，ΔUi=0IdId>U*i/βΔUi=-U*i+βId>0UctUd

Id

同理，ASR也為PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入偏差電壓ΔUn=U*n-αn=0，即n=U*n/α。當(dāng)U*n為一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在U*n/α數(shù)值上。當(dāng)n<U*n/α?xí)r，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)圖2-5。圖2-5轉(zhuǎn)速環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程調(diào)節(jié)作用直至n=U*n/α，ΔUn=0n<U*n/αΔUn=U*n–αn>0n|

-U*i|ΔUi=-U*i+βId

<0nUd三、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

靜特性及穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI的穩(wěn)態(tài)特征，它一般存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和，這時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器使輸入偏差電壓ΔUn在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零，并處于放大狀態(tài)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器線性調(diào)節(jié)輸出未達(dá)到限幅值，即U*i<U*im，Id<Idm，同前面討論的相同，由于積累作用使ΔUn=0，即n=U*n/α保持不變，直到Id=Idm。見(jiàn)圖2-6中n0-A段。

當(dāng)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器飽和輸出為限幅值U*im，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器相當(dāng)于開(kāi)環(huán)運(yùn)行，這樣雙閉環(huán)變?yōu)閱伍]環(huán)電流負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)變?yōu)楹汶娏髡{(diào)節(jié)，從而獲得極好的下垂特性（如圖2-6中的AB段）。

圖2-6雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性

可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速n的變化，而電流環(huán)則要求維持電流不變。這不利于電流對(duì)轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)，有使靜特性變軟的趨勢(shì)。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)的作用只相當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的一種擾動(dòng)作用而已，不起主導(dǎo)作用。只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍然能靠ASR的積分作用，消除轉(zhuǎn)速偏差。因此，雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性具有近似理想的“挖土機(jī)特性”（見(jiàn)圖中虛線）。

當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和且系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由前面討論可知，n=/α和Id=U*im/β。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓ΔU=0，給定電壓與反饋電壓相等，可得參數(shù)為：控制電壓（2-1）

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)（2-2）（2-3）四、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（一）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)就是PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。ASR和ACR的傳遞函數(shù)為（2-4）

（2-5）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2-7。圖2-7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Ton—轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi—電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)（二）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)特性如圖2-8所示。在突加轉(zhuǎn)速給定電壓U*n階躍信號(hào)作用下，由于起動(dòng)瞬間電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，ASR的輸入偏差電壓ΔUnm=U*n而飽和，輸出限幅值為，ACR的輸出Uct及電動(dòng)機(jī)電樞電流Id和轉(zhuǎn)速n的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程可分為三個(gè)階段。

第Ⅰ階段：電流上升階段圖2-８雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

起動(dòng)時(shí)n為零，為最大，它使速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓|-|迅速增大，很快達(dá)到限幅值。此時(shí)，為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，其輸出電流迅猛上升，當(dāng)Id=IL時(shí)，n才開(kāi)始上升，由于電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，很快使Id≈Idm。標(biāo)志電流上升過(guò)程結(jié)束。

ASR迅速達(dá)到飽和狀態(tài)，不再起調(diào)節(jié)作用；ACR的輸出不飽和，起主要調(diào)節(jié)作用。

第I階段IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第Ⅱ階段：恒流升速階段

在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流

給定U*im下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id略低于Idm

恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E=Cen也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud0和Uc

也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持Id

恒定。第II階段IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其Uct輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓ΔUi必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，Id

應(yīng)略低于Idm。即恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到n=n*時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，U*i

和Id

很快下降。但是，只要Id

仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（t3~t4），Id<IdL，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。直到Id

=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t=t3時(shí)）。第Ⅲ階段IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id

盡快地跟隨其給定值U*i

，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）飽和非線性控制（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制（1）

飽和非線性控制根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(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。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。這階段屬于“有限制條件的最短時(shí)間控制”。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。若需要加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。（三）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能?？关?fù)載擾動(dòng)從下圖的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的負(fù)載抗擾性能指標(biāo)。-IdL±?Ud

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用±?UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)電流反饋及時(shí)得到抑制。3.對(duì)比分析在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量n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。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)電流負(fù)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。五、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電樞回路允許的Idmax。2.電流調(diào)節(jié)器的作用

（1）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，保證獲得最大電流，起動(dòng)時(shí)間短，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。（2）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓變化。（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到安全保護(hù)作用。故障消失后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。（4）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起快速抑制作用。第二節(jié)轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制

—轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋一、問(wèn)題的提出由于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性均很好，所以它在冶金、機(jī)械、造紙、印刷及印染等許多部門(mén)得到日益廣泛的應(yīng)用。但是，其動(dòng)態(tài)性能的不足之處就是:有轉(zhuǎn)速超調(diào)，而且抗擾性能的提高也受到一定的限制。對(duì)于不允許轉(zhuǎn)速超調(diào)，或?qū)?dòng)態(tài)抗擾性能要求特別嚴(yán)格的地方，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就不能滿足要求。實(shí)踐證明，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，可以抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)并能顯著降低動(dòng)態(tài)速降,進(jìn)一步提高抗干擾能力。二、轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理帶微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2-10所示。和普通轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比，增加了電容Cdn和電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基礎(chǔ)上疊加上一個(gè)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號(hào)。在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更快達(dá)到平衡。如圖2-11所示。普通雙環(huán)系統(tǒng)的退飽和點(diǎn)是0ˊ滯后于帶微分負(fù)反饋系統(tǒng)T點(diǎn)。T點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速nt小于n*，所以有可能在系統(tǒng)工作之后沒(méi)有超調(diào)而趨于穩(wěn)定。1—普通雙閉環(huán)系統(tǒng)2—帶微分反饋的系統(tǒng)圖2-10帶微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖2-11轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響Cdn為微分電容；Rdn為濾波電阻。帶微分負(fù)反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器A點(diǎn)為虛地。則節(jié)點(diǎn)A的電流平衡方程為[推導(dǎo)見(jiàn)P65-66(2-69、70)]：（2-6）化簡(jiǎn)得（2-7）式中

為轉(zhuǎn)速微分時(shí)間常數(shù)；為轉(zhuǎn)速微分濾波時(shí)間常數(shù)；

為PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)；

為比例放大系數(shù)。

若Todn=Ton,按小慣性近似方法，令TΣn=Ton+2TΣi,經(jīng)簡(jiǎn)化后得如2-12所示的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋能夠抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)原因是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和的時(shí)間提前了。其轉(zhuǎn)速nt應(yīng)通過(guò)退飽和時(shí)間tt來(lái)計(jì)算。提前退飽和時(shí)間tt和轉(zhuǎn)速nt為由上可知退飽和時(shí)間的提前量恰好是微分時(shí)間三、帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的抗干擾性能圖2-13為帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于不同的值，轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾性能指標(biāo)可由表2-2查得。表中恢復(fù)時(shí)間tv是指Δn/Δnb衰減到±5%以內(nèi)的時(shí)間?？梢钥闯鲆胛⒎重?fù)反饋后，動(dòng)態(tài)速降大大降低，τdn越大，動(dòng)態(tài)速降越低，但恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)了。圖2-13帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的結(jié)構(gòu)圖第四節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法一、工程設(shè)計(jì)方法與步驟

直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì),包括確定預(yù)期典型系統(tǒng)，選擇調(diào)節(jié)器型式,計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械工藝提出的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求。電動(dòng)機(jī)、晶閘管整流器及其觸發(fā)裝置都可按負(fù)載的工藝要求來(lái)選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到。直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，主要運(yùn)用頻率特性工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。常用的基本思路是：1.根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械和工藝的要求確定系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)；2.根據(jù)性能指標(biāo)求出相應(yīng)的預(yù)期開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；3.通過(guò)比較預(yù)期開(kāi)環(huán)頻率特性和控制對(duì)象的固有頻率特性，確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；一個(gè)控制系統(tǒng)的預(yù)期開(kāi)環(huán)頻率特性一般應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.中頻段以-20dB/dec的斜率穿過(guò)零分貝線，且應(yīng)有一定的寬度，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2.截止頻率

c應(yīng)盡可能大一些，以提高系統(tǒng)的快速性；

3.低頻段的增益要高，以確保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；4.高頻段要衰減得快一些，以提高系統(tǒng)抗干擾的能力。實(shí)際上,在設(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)和抗干擾之間彼此交叉又相互矛盾，常常需要引入校正裝置。這就要求設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、豐富的經(jīng)驗(yàn)和熟練的設(shè)計(jì)技巧。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Ⅰ型或Ⅱ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。二、典型系統(tǒng)典型Ⅰ型系統(tǒng)

典型Ⅰ型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為其閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如圖2-18所示。(a)閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖2-18典型Ⅰ型系統(tǒng)由圖可見(jiàn)，典型Ⅰ型系統(tǒng)是由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的單位反饋系統(tǒng)。從開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性上看出，中頻段是以-20dB/dec斜率穿越零分貝線的，并且具有一定的幅值和相角裕度，可以確保系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性。在開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中，時(shí)間常數(shù)T往往是控制對(duì)象本身所固有的，唯一可變的參數(shù)只有開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K。因此，可供設(shè)計(jì)選擇的參數(shù)只有K，一旦K值選定，系統(tǒng)的性能就被確定了。那么K值與系統(tǒng)的性能指標(biāo)有什么關(guān)系呢？（1）K與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟隨性能的關(guān)系Ⅰ型系統(tǒng)對(duì)不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差如下:輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差

0v0/K

由表可見(jiàn),I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。（2）K與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能的關(guān)系由圖2-14（b）可知，在ω=1處，典型Ⅰ型系統(tǒng)（ωc<1/T）對(duì)數(shù)幅頻特性的幅值為其相角裕度γ為或由此看出，K越大、截止頻率ωc越高，系統(tǒng)的響應(yīng)速度就越快，但穩(wěn)定性卻越差。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性是矛盾的，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K必須保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下滿足生產(chǎn)工藝要求。其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為式中

其動(dòng)態(tài)指標(biāo)與K及ξ關(guān)系如表2-3所示。由表2-3可以看出，隨著開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K增大，阻尼比ξ減小，超調(diào)量δ%變大，穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時(shí)間ts減小，快速性好。

當(dāng)K值過(guò)大時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間ts反而增加，快速性差。當(dāng)K=1/2T或ξ=0.707時(shí)，穩(wěn)定性和快速性都較好，通常稱為“Ⅰ型系統(tǒng)工程最佳參數(shù)”。其單位階躍響應(yīng)曲線如圖2-15所示，跟隨性能指標(biāo)為：δ%=4.3%，ts=4.2T（5%）表2-3典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

和頻域指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系

參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比

超調(diào)量

上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率

c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T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)。(3)K與抗擾性能指標(biāo)關(guān)系圖2-20(a)是在擾動(dòng)N（s）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)，于是其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為圖2-20擾動(dòng)作用下的典型Ⅰ型系統(tǒng)（2-22）

令輸入信號(hào)R（s）=0，即得等效結(jié)構(gòu)圖如圖2-20(b)所示。抗擾性能與W1(s)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且也與擾動(dòng)點(diǎn)的位置有關(guān),隨著擾動(dòng)點(diǎn)的變化而變化,因此抗擾性能指標(biāo)也不能唯一決定,某種定量的抗擾性能只適合于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)。為此，我們針對(duì)常用的調(diào)速系統(tǒng)，分析下圖的一種情況，其他情況可仿此處理。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算可得到表2-4所示的數(shù)據(jù)。

令圖中(PI調(diào)節(jié)器)（電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)且T2>T1=T）

令Kpi

1

=T2,使校正裝置比例微分項(xiàng)Kpi

1S+1與原系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié)1/（T2s+1）對(duì)消，在N（s）=N/s階躍擾動(dòng)下有

利用拉氏反變換，可得階躍擾動(dòng)后輸出變化量過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間函數(shù)為：

如果按“最佳”參數(shù)選定：KT=0.5，或K=K1K2=1/2T，（2-24）

式中m=T1/T2=T/T2，表示控制對(duì)象中兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比值，它的值小于1。取不同的m值，由上式可得相應(yīng)的

c(t)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，從而求得輸出值最大動(dòng)態(tài)降落

Cmax%(用基準(zhǔn)值Cb=(1/2)NK2的百分比表示)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間tm（用T的倍數(shù)表示）以及允許誤差帶為%Cb時(shí)的恢復(fù)時(shí)間tv與T的比值，其動(dòng)態(tài)抗擾性能列于表2-4。由表2-4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)T1與T2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)。例2-1某典型Ⅰ型電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-21所示，電流輸出回路總電阻R=5

，電磁時(shí)間常數(shù)T1=0.3s,系統(tǒng)小時(shí)間常數(shù)T=0.01s，額定電流Inom=44A，該系統(tǒng)要求階躍給定的電流超調(diào)量

<5%，試求直流擾動(dòng)電壓

U=32V時(shí)的電流最大動(dòng)態(tài)降落（以額定電流的百分?jǐn)?shù)

Im/In表示）和恢復(fù)時(shí)間tv（按基準(zhǔn)值Cb的5%計(jì)算）。解系統(tǒng)要求階躍給定的電流超調(diào)量

<5%，查表2-3，應(yīng)選圖2-21電壓擾動(dòng)時(shí)的電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)比值T/T1=0.01/0.3=1/30，由表2-4知系統(tǒng)電流最大動(dòng)態(tài)降落為

Cmax/Cb=12.9%，恢復(fù)時(shí)間tv(5%)/T=30.4，可得

Cb=0.5NK2=0.5

32V

0.2/(1/

)=3.2/A電流最大降落值

Im=0.129Cb=0.129

3.2A=0.413/A所以

Im/In=0.413/44=0.00939=0.939%

tv=(tv/T)T=30.4T=30.4

0.01s=0.304/s2.典型Ⅱ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為（2-25）

相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如圖2-22所示。且

比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。系統(tǒng)是由兩個(gè)積分環(huán)節(jié)、一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)一階微分環(huán)節(jié)組成的，其開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的低頻轉(zhuǎn)折頻率為ω1=1/τ，高頻轉(zhuǎn)折頻率為ω2=1/T，且ω2>ωc>ω1。系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度為：（a）閉環(huán)系統(tǒng)（b）開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性圖2-22典型Ⅱ型系統(tǒng)在典型II型系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè)：

K

和

，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見(jiàn)，，引入一個(gè)新變量h，令

h表示了在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中斜率為-20dB/dec的中頻段的寬度，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此,h值是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。

只要按照動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以按閉環(huán)Mrmin準(zhǔn)則的“最佳頻比”確定：并由此計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。表2-5列出了不同h值時(shí)的Mrmin和對(duì)應(yīng)的頻率比。h345678910Mrmin21.671.51.41.331.291.251.22ω2/ωc1.51.61.671.711.751.781.801.82ωc/ω12.02.53.03.54.04.55.05.5（一）典型Ⅱ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)Ⅱ型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于下表中。II型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)典型II型系統(tǒng)階躍輸入的跟隨性能指標(biāo)如表2-6所示。

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201與表2-3比較，典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨過(guò)程超調(diào)量比典型Ⅰ型系統(tǒng)大，由于過(guò)渡過(guò)程的衰減振蕩性質(zhì)，調(diào)節(jié)時(shí)間隨h的變化不是單調(diào)的，工程設(shè)計(jì)常選用h=5的單位階躍輸入性能指標(biāo)為最佳參數(shù)，即。（二）典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系1.穩(wěn)態(tài)抗擾性能對(duì)典型Ⅱ型系統(tǒng)仍采用圖2-20所示的一種抗擾情況來(lái)說(shuō)明。擾動(dòng)點(diǎn)前后傳遞函數(shù)分為圖2-20典型Ⅱ型系統(tǒng)某一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

若階躍擾動(dòng)作用為N（s）=N/s，則穩(wěn)態(tài)誤差為（2-39）可以看出，若要使階躍擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，則在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前必須含有積分，這與前面分析的結(jié)論是一致。2.動(dòng)態(tài)抗擾性能控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)是因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、擾動(dòng)作用點(diǎn)和作用函數(shù)而異的。如圖2-20所示。系統(tǒng)在在階躍擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

（2-41）

由式（2-41）可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于不同h值的動(dòng)態(tài)抗擾過(guò)程曲線

C(t)，從而求出各項(xiàng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)，列于表2-7中。在計(jì)算中，為了使各項(xiàng)指標(biāo)都落在合理的范圍內(nèi)，取輸出量基準(zhǔn)值為

Cb=2NK2T

（2-42）表2-7典型Ⅱ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)和階躍擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-24，參數(shù)關(guān)系符合Mrmin.準(zhǔn)則）

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85

由表2-7中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，一般來(lái)說(shuō)，h值越小，Cmax/Cb

也越小，tm

和tv

都短，因而抗擾性能越好，這個(gè)趨勢(shì)與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與h值的關(guān)系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。但是，當(dāng)h<5時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，h再小，恢復(fù)時(shí)間tv

反而拖長(zhǎng)了。由此可見(jiàn)，h=5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間最短的條件是一致的（見(jiàn)表2-6）。因此，把典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項(xiàng)性能指標(biāo)綜合起來(lái)看，h=5應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。

例2-2某調(diào)速系統(tǒng)如圖2-21所示，已知系統(tǒng)參數(shù)K1=25，K2=0.0358，T=0.02/s，Tm=0.4/s，試按Mrmin.準(zhǔn)則將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)時(shí)，其調(diào)節(jié)器參數(shù)如何？并計(jì)算性能指標(biāo)σ%，ts（5%），ΔCmax/Cb，tv（5%）。圖2-21某調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖解系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為按Mrmin.準(zhǔn)則選擇系統(tǒng)參數(shù)即h=5，有由

得

查表2-6和表2-7，h=5時(shí)性能指標(biāo)為第五節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似處理及非典型系統(tǒng)典型化的設(shè)計(jì)一、工程設(shè)計(jì)中傳遞函數(shù)近似處理（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。小慣性環(huán)節(jié)可以合并例如：近似條件（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)其中，a，b，c都是正系數(shù)，且bc

a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。降階處理若能忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為近似條件（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

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

近似條件例如：對(duì)頻率特性的影響

c圖2-28低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響

二、非典型系統(tǒng)典型化的設(shè)計(jì)基本思路：選擇合適的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將非典型系統(tǒng)串聯(lián)校正為典型系統(tǒng)的。系統(tǒng)校正控制對(duì)象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出選擇規(guī)律幾種校正成典型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2-8和表2-9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。表2-8校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇T1、T2

T3T1

T2控制對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合

表2-9校正成典型II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇

控制對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合認(rèn)為：

認(rèn)為：

第六節(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、基本思想

設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：先從內(nèi)環(huán)開(kāi)始設(shè)計(jì)和選擇調(diào)節(jié)器，每一閉環(huán)都將內(nèi)環(huán)作為本環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)和選擇本環(huán)的調(diào)節(jié)器，直到設(shè)計(jì)完整個(gè)系統(tǒng)。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是多閉環(huán)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的系統(tǒng)。先從電流環(huán)（內(nèi)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)。然后，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，再用同樣的方法完成轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)。例如：將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對(duì)象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出圖2-22為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。在圖2-7的基礎(chǔ)上增加了電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流成分，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要而定。濾波信號(hào)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)延遲。所以在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號(hào)與反饋信號(hào)同步，并可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。由測(cè)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，其時(shí)間常數(shù)用Ton表示。圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖二、電流環(huán)的設(shè)計(jì)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)與晶閘管變流裝置、觸發(fā)裝置、電流檢測(cè)和反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)群組成。若要系統(tǒng)超調(diào)小、跟隨性能好為主，可校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)；若要具有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選擇典型Ⅱ型系統(tǒng)。一般情況下，當(dāng)控制系統(tǒng)的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比時(shí)，典型Ⅰ型系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的，因此，多按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)。1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖2-22虛框中就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。實(shí)際系統(tǒng)中，電磁時(shí)間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，電流的調(diào)節(jié)過(guò)程往往比轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程快得多，因而也比反電勢(shì)E快得多。E對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)，可以認(rèn)為E基本不變。忽略E的影響。電流環(huán)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。見(jiàn)圖2-23圖2-23電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化為圖2-23（c）。并可知，電流環(huán)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)中具有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)。2.電流調(diào)節(jié)器類型選擇及參數(shù)計(jì)算(1)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)調(diào)節(jié)器的類型應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為

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，參數(shù)配合選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的I型式形式，其中在一般情況下，希望電流超調(diào)量

i

≤5%，由表2-3，可選

=0.707，KI

T

i=0.5，則再利用式（2-45）和關(guān)系,解出(2-45)（2-46）（2-47）3.校驗(yàn)上述討論是在一系列假定條件下得出的，具體計(jì)算時(shí)，必須校驗(yàn)以下條件：

(1)

觸發(fā)整流器近似為慣性環(huán)節(jié)條件:（2-50）

(2)忽略E的變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響條件:（2-51）

(3)電流環(huán)小慣性環(huán)節(jié)合并的近似條件（2-52）4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)圖2-26為含給定濾波和反饋濾波的PI調(diào)節(jié)器原理圖。圖2-27含濾波環(huán)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器的輸入等效電路（A點(diǎn)為虛地）可寫(xiě)出（2-53）式中為電流濾波器時(shí)間常數(shù)。圖2-26中A點(diǎn)虛地的電流平衡方程為（2-54）式中三、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)前面已指出，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，應(yīng)把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，須求出電流環(huán)的閉環(huán)等效傳遞函數(shù)。按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)為例來(lái)介紹轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)，由圖2-25可求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率ωcn一般較低，因此可降階近似為

（2-55）

（2-56）

近似條件為

（2-57）這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。由于圖2-24的輸入信號(hào)為，則電流環(huán)的近似等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為

（2-58）

2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇

電流環(huán)用其等效環(huán)節(jié)代替后,