《自動(dòng)控制原理與應(yīng)用》課件第6章

第6章直流調(diào)速系統(tǒng)6.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述

6.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

6.3雙閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

6.4可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

6.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述6.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種有力工具，根據(jù)電動(dòng)機(jī)供電方式的不同,它可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟、制動(dòng)性能，而且可以在廣范圍內(nèi)平滑的調(diào)速，因此，在軋鋼設(shè)備、礦井升降設(shè)備、挖掘鉆探設(shè)備、金屬切削設(shè)備、造紙?jiān)O(shè)備、電梯等需要高性能可控制電力拖動(dòng)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。但直流電動(dòng)機(jī)本身有著一些不可避免的缺陷，譬如存在換相問(wèn)題、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修較困難、成本較高等因素，制約了直流拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展。近來(lái)年，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，也推動(dòng)了交流拖動(dòng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，有代替直流拖動(dòng)系統(tǒng)的趨勢(shì)。然而，直流拖動(dòng)系統(tǒng)在理論和實(shí)踐等方面發(fā)展比較成熟，從控制角度考慮，它又是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，故應(yīng)先很好地學(xué)習(xí)直流拖動(dòng)系統(tǒng)。

從生產(chǎn)設(shè)備的控制對(duì)象來(lái)看，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型，而各種系統(tǒng)基本上都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速（實(shí)質(zhì)上是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式為

式中：n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；U為電樞電壓，單位為V；I為電樞電流，單位為A；R為電樞回路總電阻，單位為Ω；Φ為勵(lì)磁磁通，單位為Wb；Ke為由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的機(jī)電系數(shù)。

由上式可以得出，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種：①改變電樞供電電壓U。②改變勵(lì)磁磁通Φ。③

改變電樞回路電阻R。

6.1.2直流調(diào)速方式

1．改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U的調(diào)速方式改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U時(shí)，其理想空載轉(zhuǎn)速n0也改變，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電樞電流（即負(fù)載電流）I不變時(shí)，轉(zhuǎn)速降Δn不變。所以，直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的硬度不變，其機(jī)械特性是一簇以U為參數(shù)的平行線(xiàn)。改變電動(dòng)機(jī)電樞電流，其機(jī)械特性基本上是平行上下移動(dòng)，轉(zhuǎn)速隨之改變，這種調(diào)速方式稱(chēng)為改變電樞電壓調(diào)速方式。其機(jī)械特性如圖6－1所示?？紤]到電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，電樞電壓的變化只能在小于額定電壓的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)，即這種調(diào)速方式只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的下限受低速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的限制。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此調(diào)速方式較好。改變電樞電壓調(diào)速（簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)壓調(diào)速）是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。圖6－1改變電樞電壓調(diào)速的機(jī)械特性

2．改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電壓大小，可改變勵(lì)磁電流大小，從而改變勵(lì)磁磁通大小而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此種調(diào)速方式稱(chēng)為改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式。對(duì)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，磁通在額定值時(shí)，其鐵芯已接近飽和，增加磁通的余地很小，因此，勵(lì)磁電流一般只能小于額定勵(lì)磁電流。所以，改變勵(lì)磁調(diào)速方式的勵(lì)磁磁通總小于或等于額定勵(lì)磁。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速，其機(jī)械特性上移。即減弱磁通，轉(zhuǎn)速升高。電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受電動(dòng)機(jī)換向和機(jī)械強(qiáng)度的限制，故調(diào)速范圍不大。其機(jī)械特性如圖6-2所示。圖6-2改變勵(lì)磁電流調(diào)速的機(jī)械特性

3．電樞回路串電阻調(diào)速方式在電動(dòng)機(jī)電樞回路串接附加電阻，改變串接電阻的阻值，也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此種調(diào)速方式稱(chēng)為電樞回路串電阻調(diào)速方式。這種調(diào)速方式只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，且串接電阻有較大能量損耗，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響大，輕載和重載時(shí)轉(zhuǎn)速不同。其次該調(diào)速方案中調(diào)速電阻長(zhǎng)期運(yùn)行損耗大，經(jīng)濟(jì)性差，一般只應(yīng)用于少數(shù)性能要求不高的小功率場(chǎng)合。其機(jī)械特性如圖6-3所示。

圖6-3電樞回路串電阻調(diào)速的機(jī)械特性6.1.3

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主要形式

1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組系統(tǒng)如圖6-4所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)的主要部件為G——直流發(fā)電機(jī)，M——直流電動(dòng)機(jī)，故簡(jiǎn)稱(chēng)G－M系統(tǒng)。直流發(fā)電機(jī)G由原動(dòng)機(jī)M（交流異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)，ΦG和ΦM分別是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的磁通。系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的磁通ΦG即可改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓UG，也就改變了直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。如圖6-5所示為該系統(tǒng)的機(jī)械特性，從圖中可知其機(jī)械特性曲線(xiàn)為一簇相互平行的直線(xiàn)，特性硬。～圖6-4旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖6-5

G－M系統(tǒng)的機(jī)械特性

2）晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由晶閘管可控整流電路給直流電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱(chēng)為晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)U－M系統(tǒng)。如圖6-6所示，這類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)改變給定電壓Ugn來(lái)改變晶閘管整流裝置的觸發(fā)脈沖的相位，進(jìn)而可改變晶閘管整流器的輸出電壓Ud的大小，從而達(dá)到改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。其機(jī)械特性如圖6-7所示。圖6-6晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

圖6-7

U－M系統(tǒng)的機(jī)械特性

6.1.4晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性對(duì)于U－M調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是由晶閘管觸發(fā)整流裝置提供直流電源的，其供給電動(dòng)機(jī)的電壓因負(fù)載的變化而不同。由電力電子變流技術(shù)知識(shí)知，當(dāng)整流裝置負(fù)載電流連續(xù)時(shí),整流裝置輸出電壓為

式中：Em為α=0時(shí)的整流電壓波形峰值；m為交流電源一周期內(nèi)的整流電壓波頭數(shù)。因此，可得出電樞電流連續(xù)時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速方程為式中:Ce=KeΦed，是電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比。

改變控制角α，即改變電樞電壓可得到一簇平行直線(xiàn)，如圖6-7所示,與電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很相似。當(dāng)電流很小可能出現(xiàn)斷續(xù)時(shí)，在圖中采用虛線(xiàn)畫(huà)法。這是因?yàn)樯鲜鰴C(jī)械特性不適合電流斷續(xù)時(shí)的真實(shí)情況。由此可見(jiàn)，只要電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)，調(diào)節(jié)觸發(fā)整流裝置的輸出，就可很好地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)整流裝置負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)，其輸出電壓比較復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也比較復(fù)雜，有關(guān)內(nèi)容可參考“電力電子變流技術(shù)”相關(guān)內(nèi)容，這里不再贅述。這里只從物理概念上分析一下此時(shí)機(jī)械特性的一些特點(diǎn)。

特點(diǎn)一:電流斷續(xù)使系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速n0升高。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)大于或等于整流裝置的輸出電壓,即Ud0≤E時(shí)，晶閘管截止關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)電樞電流為0，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)由于電動(dòng)機(jī)慣性的作用，幾乎不發(fā)生變化，整流裝置的輸出電壓為E0′。以三相半波電路為例，有60°≤α≤150°時(shí)當(dāng)α≤60°時(shí)

而當(dāng)電流連續(xù)時(shí)

由此可見(jiàn)，

同樣的控制角，電流斷續(xù)后的理想空載轉(zhuǎn)速要比電流連續(xù)時(shí)的高。

特點(diǎn)二：電流斷續(xù)使系統(tǒng)的機(jī)械特性出現(xiàn)非線(xiàn)性上翹現(xiàn)象，即使負(fù)載電流發(fā)生很小的變化也可能引起轉(zhuǎn)速很大的變化。當(dāng)電樞電流id斷續(xù)時(shí)，為底部寬度較窄的脈沖電流。電樞電流的平均值Id與脈沖電流波形所包圍的面積成正比，為產(chǎn)生一定的Id

，必須使電樞電流峰值id

max較大，這就要求增大（Ud0-E），而Ud0由整流裝置決定不能改變，故只能降低E（即轉(zhuǎn)速）方能適應(yīng)負(fù)載電流的增大。這樣就造成了電流斷續(xù)時(shí)系統(tǒng)機(jī)械特性特別軟的現(xiàn)象。隨著轉(zhuǎn)速的下降，脈沖電流底部寬度逐漸增大，直到電樞電流達(dá)到臨界連續(xù)狀態(tài)。6.1.5直流調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)所有的可控生產(chǎn)設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求。例如，在機(jī)械加工工業(yè)中，精密機(jī)床要求的加工精度達(dá)百分之幾毫米；重型銑床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，其最高進(jìn)給速度可達(dá)600mm/min，而精加工時(shí)最低進(jìn)給速度只有2mm/min；又如，巨型軋鋼設(shè)備，需要軋鋼機(jī)的軋輥在不到一秒的時(shí)間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過(guò)程，而且操作頻繁；軋制板材的軋鋼機(jī)的定位系統(tǒng)，其定位精度要求不大于0.01mm。再如，高速造紙機(jī)，抄紙速度可達(dá)到1000m/min，要求穩(wěn)速誤差小于±0.01%。所有這些對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的性能指標(biāo)，由于其生產(chǎn)工藝過(guò)程不同，要求就當(dāng)然不盡相同，但歸納起來(lái)有以下三個(gè)方面：①調(diào)速在一定的范圍之內(nèi)有級(jí)或無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方向允許正、反向的，稱(chēng)之為可逆系統(tǒng)，只能單方向運(yùn)行的則稱(chēng)之為不可逆系統(tǒng)。②穩(wěn)速以一定的精度在要求的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)各種可能的干擾，都不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速變化，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。③加、減速頻繁啟、制動(dòng)的設(shè)備為提高效率，需要盡快地加、減速。不適合快速改變轉(zhuǎn)速的設(shè)備，則要求啟、制動(dòng)盡可能地平穩(wěn)。

1．穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

1）調(diào)速范圍電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下，運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，用D表示，即對(duì)于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax即為其額定轉(zhuǎn)速ned。D值越大，系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速來(lái)定義調(diào)速范圍。調(diào)速范圍又稱(chēng)做調(diào)速比。根據(jù)這個(gè)指標(biāo)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)可分為：調(diào)速范圍小的系統(tǒng)，一般指D＜3；調(diào)速范圍中等的系統(tǒng)，一般指3≤D＜50；調(diào)速范圍寬的系統(tǒng)，一般指D≥50?，F(xiàn)代電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以做到D≥10000。

2）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降落Δned與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱(chēng)做靜差率，用s表示，即

或用百分?jǐn)?shù)表示為

由上式可知，靜差率是用來(lái)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的變化程度越小，穩(wěn)定度越高。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。例如有a、b兩條調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性，兩者的硬度相同，即額定速降Δneda=Δnedb，如果理想空載轉(zhuǎn)速不相同，那么它們的靜差率肯定不同。根據(jù)定義式，由于n0a>n0b，所以sa>sb。這就是說(shuō)，對(duì)于同樣硬度的機(jī)械特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。也就是說(shuō)，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，如果能滿(mǎn)足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)靜差率s的要求，則高速時(shí)就不成問(wèn)題了。所以一般所說(shuō)靜差率的要求是指系統(tǒng)最低速時(shí)能達(dá)到的靜差率指標(biāo)。調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)是相互聯(lián)系的，例如，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落Δned=50r/min，當(dāng)n0=1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占5%；當(dāng)n0=500r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占10%；當(dāng)n0=50r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速降落占100%，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)了。由此可見(jiàn)，離開(kāi)了對(duì)靜差率的要求，調(diào)速范圍便失去了意義。由此看來(lái)，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)滿(mǎn)足靜差率要求下所能達(dá)到的最大范圍。脫離了對(duì)靜差率的要求，任何調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；脫離了調(diào)速范圍，要滿(mǎn)足要求的靜差率也就容易得多了。

3）D、s、Δned三者之間的關(guān)系在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，nmax就是電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ned，即nmax=ned。而調(diào)速系統(tǒng)的靜差率是指系統(tǒng)最低速時(shí)的靜差率，即又因?yàn)?/p>

代入調(diào)速范圍的表達(dá)式

，

得

上式表示了調(diào)速范圍D、靜差率s和額定轉(zhuǎn)速降Δned之間應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ned可由電動(dòng)機(jī)的出廠數(shù)據(jù)給出，D和s由生產(chǎn)機(jī)械的要求確定，當(dāng)系統(tǒng)的特性硬度或Δned值一定時(shí)，如果對(duì)靜差率s的要求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍D越小。當(dāng)對(duì)D、s都提出一定的要求時(shí)，為了滿(mǎn)足要求就必須使Δned小于某一值。一般來(lái)講，調(diào)速系統(tǒng)要解決的問(wèn)題就是如何減少轉(zhuǎn)速降落Δned的問(wèn)題。

2．動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的性能指標(biāo)稱(chēng)做動(dòng)態(tài)指標(biāo)。由于實(shí)際系統(tǒng)存在著電磁和機(jī)械特性，因此當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)總有一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類(lèi)。

1）跟隨性能指標(biāo)具體的跟隨性能指標(biāo)有：上升時(shí)間tr、超調(diào)量σ％、調(diào)節(jié)時(shí)間ts等。

2）抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等干擾因素的影響，都會(huì)引起輸出量的變化，經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過(guò)程后，系統(tǒng)總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。這就是系統(tǒng)的抗擾過(guò)程。一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)突加一個(gè)負(fù)的階躍擾動(dòng)以后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，如圖6-8所示?？箶_性能指標(biāo)定義如下：

圖6-8系統(tǒng)抗擾動(dòng)態(tài)過(guò)程示意圖

①最大動(dòng)態(tài)降落ΔCmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的階躍擾動(dòng)（例如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起的輸出量的最大降落ΔCmax。最大動(dòng)態(tài)降落常用百分?jǐn)?shù)表示。

調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱(chēng)為動(dòng)態(tài)速降，用Δnmax%表示。②恢復(fù)時(shí)間tv

從階躍擾動(dòng)作用開(kāi)始，到輸出量恢復(fù)到原穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，用tv表示。一般說(shuō)來(lái)，階躍擾動(dòng)下輸出量的動(dòng)態(tài)降落越小，恢復(fù)時(shí)間越短，系統(tǒng)的抗擾能力就越強(qiáng)。實(shí)際控制系統(tǒng)對(duì)于各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求各異。有的對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能要求都較高；而有的則要求有一定的抗擾性能，跟隨性能好壞問(wèn)題不大。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。6.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

6.2.1單閉環(huán)轉(zhuǎn)速有靜差調(diào)速系統(tǒng)

1．開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖6-6所示的U-M系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其特點(diǎn)是給定電壓直接作為觸發(fā)器的控制電壓來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果對(duì)靜差率要求不高時(shí)，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。但是許多生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率和調(diào)速范圍都同時(shí)提出一定的要求。為了保證一定的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)速不允許有較大的波動(dòng)，一般要求調(diào)速范圍D=20～40，靜差率s≤5%。在這些情況下，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足要求。

例1：某直流拖動(dòng)系統(tǒng)，其直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為Ped=60kW，Ued=220V，Ied=305A，ned=1000r/min，已知主回路總電阻R=0.18Ω,電動(dòng)機(jī)Ce=0.2V·min/r。若要求D=20，s≤5%，問(wèn)采用開(kāi)環(huán)U－M系統(tǒng)能否滿(mǎn)足要求？

解：系統(tǒng)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速落降為電樞電阻引起的，所以開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為

由以上計(jì)算可看出，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率s已不能滿(mǎn)足小于5%的要求。我們知道低速時(shí)的靜差率遠(yuǎn)大于高速時(shí)的靜差率，所以低速時(shí)靜差率就更不能滿(mǎn)足要求，即開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足要求。如果要滿(mǎn)足D=20，s≤5%的要求，則Δned應(yīng)為也就是說(shuō),只有把額定轉(zhuǎn)速降落從開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的275r/min降低到2.63r/min以下，才能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。而開(kāi)環(huán)系統(tǒng)本身是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)棣ed=IedR/Ce，其中主回路總電阻R、電動(dòng)機(jī)系數(shù)Ce、額定電流Ied都不能改變。從開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的工作原理上看，當(dāng)給定信號(hào)一定時(shí)，晶閘管變流器的控制角α是固定不變的，故變流器的輸出電壓Ud0也是恒定的。又由于額定轉(zhuǎn)速降落較大，故系統(tǒng)僅為一條固定的較軟的機(jī)械特性。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，由于電樞回路電阻上的電壓降IedR增大，使得電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E下降，從而轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增加有較大的下降。根據(jù)反饋控制理論，為了使某一量保持不變，可以引入該量的負(fù)反饋。為了減小轉(zhuǎn)速降落，我們可以引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于這里只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，故稱(chēng)為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

2．轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性如圖6-9所示為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。該系統(tǒng)的被控量是轉(zhuǎn)速，為了取得轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓Ugn比較后，得到偏差電壓ΔUn，經(jīng)放大器放大后產(chǎn)生觸發(fā)器CF的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)反饋控制理論，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是按被控量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被控量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)以減小這一偏差。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，所以閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減小轉(zhuǎn)速降落。圖6-9轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

為了定性分析系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)，首先確定各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入輸出關(guān)系。系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入輸出關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)

運(yùn)算放大器

晶閘管整流器及觸發(fā)裝置

U－M系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性

轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)

以上各式中:Kp為放大器的電壓放大系數(shù)；Ks為晶閘管整流器及觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，單位為V·min/r。根據(jù)以上各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入輸出關(guān)系，可畫(huà)出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖，如圖6-10所示。

圖6-10轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖

化簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)圖，

可得到系統(tǒng)的靜特性方程式

式中：K=KpKsα/Ce,為閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，它是系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)放大系數(shù)的乘積；n0b為閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；Δnb為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示了閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性相似，但兩者含義卻有本質(zhì)上的區(qū)別，故稱(chēng)為調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。

3．閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的比較比較一下閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性，就能清楚地看出閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)。如果將閉環(huán)系統(tǒng)的反饋回路斷開(kāi)，即令α=0，則K=0，系統(tǒng)就變成了開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其機(jī)械特性方程式為式中：n0k和Δnk分別表示開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速和穩(wěn)態(tài)速降。比較閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性式，不難得出以下結(jié)論：①閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載下，兩者的穩(wěn)態(tài)速降分別為

和

它們的關(guān)系是

顯然，當(dāng)K值較大時(shí)，Δnb比Δnk小得多，也就是說(shuō)，在相同負(fù)載電流條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降Δnb僅為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降Δnk的1/(1+K)倍。②閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和

當(dāng)n0b=n0k時(shí)，則有

可見(jiàn)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率sb僅為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)靜差率sk的1/(1+K)倍，系統(tǒng)閉環(huán)后靜差率可顯著減小。③當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是ned，且對(duì)最低轉(zhuǎn)速靜差率的要求相同，則有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)

所以得出

即閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍Db是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍的（1＋K）倍。

④要獲得上述三條優(yōu)越性能，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。綜合分析上述結(jié)果，不難看出要取得上述三條優(yōu)點(diǎn)，K值要足夠大。由系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K=KpKsα/Ce可看出，若要增大K值，只能增大Kp和α值，因此系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。實(shí)際上，無(wú)論是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，給定電壓Ugn和觸發(fā)裝置的控制電壓Uc都是屬于同一數(shù)量級(jí)的電壓。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，Ugn直接作為Uc來(lái)控制，因而不須設(shè)置放大器；而在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓Ufn后，若要使轉(zhuǎn)速偏差小，ΔUn=Ugn-Ufn就必須壓得很低，甚至低到使觸發(fā)整流裝置不能正常工作的程度,所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓Uc。現(xiàn)在再對(duì)上面的例子進(jìn)行計(jì)算。已知Δnk＝275r/min，要滿(mǎn)足D=20，s≤5%的要求，應(yīng)有Δnb≤2.63r/min，則若已知系統(tǒng)的參數(shù)為：Ce=0.2V·min/r，Ks=30，α=0.015V·min/r，則即只要放大器的放大系數(shù)大于或等于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿(mǎn)足D=20，s≤5%的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。閉環(huán)系統(tǒng)為何能減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降呢？我們知道，調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降是由電樞回路總電阻壓降決定的，系統(tǒng)采取閉環(huán)控制之后這個(gè)壓降并沒(méi)有改變，而系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降卻變的很小，這是因?yàn)樵陂_(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大導(dǎo)致電樞壓降增大時(shí)，由于整流輸出電壓Ud0不變，所以轉(zhuǎn)速只能降下來(lái)；而在閉環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)隨之下降，由于給定電壓Ugn不變，所以，加到放大器輸入端的偏差電壓ΔUn增大，經(jīng)過(guò)放大后Uc增大，從而使整流輸出電壓Ud0增大，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載電流增大引起的電樞壓降的自動(dòng)補(bǔ)償，使轉(zhuǎn)速回升，以維持轉(zhuǎn)速基本不變，于是因負(fù)載增大而引起的轉(zhuǎn)速降比開(kāi)環(huán)時(shí)小了。如圖6-11所示為閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。從靜特性圖上看，當(dāng)負(fù)載電流從Id1增大到Id2時(shí)，由于反饋調(diào)節(jié)作用，整流輸出電壓由Ud01上升到Ud02，電動(dòng)機(jī)由Ud01所對(duì)應(yīng)機(jī)械特性曲線(xiàn)的A點(diǎn)過(guò)渡到Ud02所對(duì)應(yīng)機(jī)械特性曲線(xiàn)的B點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行。這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加（或減少）一點(diǎn)負(fù)載，整流電壓就相應(yīng)地提高（或降低）一點(diǎn)，因而就改變一條機(jī)械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是在這許多開(kāi)環(huán)機(jī)械特性上各取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)（如圖中的A、B、C、D點(diǎn)），

再由這些點(diǎn)集合而成的，

如圖6-11所示，

因此閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比較硬。

圖6-11閉環(huán)靜特性與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系

4．反饋控制的基本特征

轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)是一種基本反饋控制系統(tǒng)，它具有以下四項(xiàng)基本特征，即反饋控制的基本特征。

1)被控量有靜差采用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)是有靜差的。從上面對(duì)靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有當(dāng)K=∞時(shí)才能使Δnb=0，即實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差,而實(shí)際上不可能獲得無(wú)窮大的K值，況且過(guò)大的K值將可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。從控制作用上看，放大器的輸出電壓Uc與轉(zhuǎn)速偏差電壓ΔUn成正比，如果實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，Δnb=0，則控制信號(hào)ΔUn=0，Uc=0，系統(tǒng)就停止運(yùn)行了。所以說(shuō)，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差（實(shí)際轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的偏差）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用的，故又稱(chēng)為有靜差系統(tǒng)。

2)被調(diào)量緊緊跟隨給定量的變化在反饋控制系統(tǒng)中，當(dāng)給定Ugn改變時(shí)，ΔUn、Uc、Ud0將隨之發(fā)生一系列變化，一直到最終的穩(wěn)定運(yùn)行，使被調(diào)量（轉(zhuǎn)速）隨之變化。調(diào)速系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，就是靠調(diào)節(jié)給定量的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3)對(duì)包圍在閉環(huán)中前向通路上的各種擾動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用當(dāng)系統(tǒng)給定電壓不變時(shí)，引起被調(diào)量轉(zhuǎn)速變化的因素稱(chēng)為擾動(dòng)。反饋控制系統(tǒng)對(duì)被包圍在系統(tǒng)前向通道上的各種擾動(dòng)都有抑制作用。前面我們只討論了負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速降落這樣一種調(diào)速系統(tǒng)的主要擾動(dòng)作用，實(shí)際上，引起轉(zhuǎn)速變化的因素還很多，如交流電源電壓的波動(dòng)、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的變化、放大器放大系數(shù)漂移、溫度變化引起主電路電阻變化等等。圖6-12畫(huà)出了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種擾動(dòng)作用，其中箭頭IdR表示負(fù)載擾動(dòng)，其它指向各方框的箭頭分別表示會(huì)引起放大系數(shù)變化的擾動(dòng)作用。此圖表明，反饋環(huán)內(nèi)作用在系統(tǒng)前向通道上的各種擾動(dòng)，最終都要引起轉(zhuǎn)速的變化，并且都會(huì)被轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出來(lái)，再通過(guò)反饋控制作用，減小它們對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。

圖6-12反饋控制系統(tǒng)給定作用與擾動(dòng)作用

抑制擾動(dòng)性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征。根據(jù)這一特征，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，一般只考慮其中最主要的擾動(dòng)，例如在調(diào)速系統(tǒng)中只考慮負(fù)載擾動(dòng)，按照克服負(fù)載擾動(dòng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，則其它擾動(dòng)的影響也必然受到抑制。下面以負(fù)載擾動(dòng)為例，說(shuō)明系統(tǒng)受擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速n的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)表示為T(mén)L↑(TL表示電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Te表示電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩)，轉(zhuǎn)速下降時(shí)表示為n↓,以同樣的規(guī)則表示調(diào)節(jié)過(guò)程中其它各量的變化規(guī)律。當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程如下：TL↑→TL＞Te→n↓→Ufn↓→△Un↑→Uc↑→Ud0↑→Id↑→Te↑→Te＞TL→n↑通過(guò)此調(diào)節(jié)過(guò)程，系統(tǒng)重新進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。由于系統(tǒng)采用比例放大器，屬于有靜差系統(tǒng)，

所以轉(zhuǎn)速不能回升到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)值，

其穩(wěn)態(tài)速降為

其中:Id1、Id2分別為不同負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流值。同理，

可以分析包圍在反饋環(huán)內(nèi)的其它各種擾動(dòng)因素對(duì)系統(tǒng)輸出的影響及其調(diào)節(jié)過(guò)程。

4)反饋控制系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)和檢測(cè)裝置所產(chǎn)生的擾動(dòng)無(wú)法抑制由圖6-12可以看出，給定電壓的細(xì)微變化，都會(huì)引起轉(zhuǎn)速的變化，而不受反饋的抑制。如果給定電源發(fā)生了不應(yīng)有的波動(dòng)，則轉(zhuǎn)速也隨之變化，反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是正常的調(diào)節(jié)給定電壓還是給定電源的變化，因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要有高精度的給定穩(wěn)壓電源。此外，對(duì)反饋檢測(cè)元件本身的誤差，反饋控制也是無(wú)法抑制的。在調(diào)速系統(tǒng)中，如果測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化，則反饋電壓Ufn也要改變，即反饋信號(hào)不能如實(shí)反映被控量轉(zhuǎn)速的實(shí)際情況，通過(guò)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，反而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速離開(kāi)了原應(yīng)保持的數(shù)值。另外，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓中的換向紋波，由于制造或安裝不良造成轉(zhuǎn)子和定子間的偏心等等，都會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)周期性的干擾。所以，高精度的控制系統(tǒng)還必須有高精度的檢測(cè)元件作保證。

5．系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算主要圍繞著如何同時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)——調(diào)速范圍D和靜差率s而進(jìn)行，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。下面舉例說(shuō)明調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算。如圖6-13所示的直流調(diào)速系統(tǒng)，已知數(shù)據(jù)如下：①電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為10kW、220V、55A、1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω。②晶閘管變流器三相全控橋式電路，整流變壓器Y/Y接法，二次線(xiàn)電壓E21=230V，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)Ks=44。

③U－M系統(tǒng)主回路總電阻R=1.0Ω。④測(cè)速發(fā)電機(jī)ZYS231/110型永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W、110V、0.21A、1900r/min。⑤生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s≤5%。圖6-13單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計(jì)算參數(shù)如下。①

為了滿(mǎn)足D=10，s≤5%，

額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為

②

根據(jù)Δnb，求出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)

式中：

3)計(jì)算測(cè)速反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)測(cè)速反饋系數(shù)α包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比CeTG和電位器RP2的分壓系數(shù)α2，即根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)可得

試取α2＝0.2，如測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，反饋電壓為

Ufn=1000r/min×0.0579V·min/r×0.2=11.58V相對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速給定約為12V，若直流電源為±15V，可以滿(mǎn)足要求，即α2取值是合適的。

所以

0.2×0.0579V·min/r=0.01158V·min/r電位器RP2的選擇原則是，考慮測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，這樣，測(cè)速機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線(xiàn)性度影響較小，于是

此時(shí)RP2所消耗的功率為

CeTG×ned×0.21IedTG=0.0579×1000×0.2×0.21W≈2.43W④

計(jì)算放大器的電壓放大系數(shù)

實(shí)取Kp=21。

如果取放大器的輸入電阻R0=40kΩ，則R1=KPR0=40×21kΩ=840kΩ。6.2.2單閉環(huán)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)

1．積分調(diào)節(jié)器

1）積分調(diào)節(jié)器的原理和控制規(guī)律由線(xiàn)性集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的積分調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅰ調(diào)節(jié)器）的原理圖如圖6-14(a)所示。根據(jù)“虛地”、“虛斷”的概念可以很容易得出輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的運(yùn)算關(guān)系，同時(shí)可得到在階躍信號(hào)輸入作用下所對(duì)應(yīng)的輸入輸出特性曲線(xiàn)。

輸入輸出之間的表達(dá)式為

式中：τ為積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，τ=R0C。積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

當(dāng)不考慮輸入輸出之間的相位關(guān)系時(shí)，在Ui為階躍輸入時(shí)，對(duì)其輸入表達(dá)式進(jìn)行積分計(jì)算（設(shè)Uo的初始值為零），得積分調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)間表達(dá)式為

這表明調(diào)節(jié)器輸入電壓Ui為恒值時(shí)，輸出電壓Uo隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，每一段時(shí)刻的Uo值和Ui與橫軸所包圍的面積成正比，如圖6-14(b)所示。

圖6-14積分調(diào)節(jié)器電路原理圖及輸入、輸出特性如果Ui=f(t)為圖6-15所示的信號(hào)（當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)，其偏差電壓ΔUn即為此波形），同樣按照Ui與橫軸所包圍的面積成正比的關(guān)系可求出相應(yīng)的Uo=f(t)曲線(xiàn)，圖中Ui的最大值對(duì)應(yīng)于Uo=f(t)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)。圖6-15積分調(diào)節(jié)器在突加負(fù)載時(shí)的輸出特性

從上面積分調(diào)節(jié)器輸入輸出特性可以看出，積分調(diào)節(jié)器具有以下特點(diǎn)：①積累作用只要輸入信號(hào)不為零（其特性不變），積分調(diào)節(jié)器的輸出就一直增長(zhǎng)，只有輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出才停止增長(zhǎng)，但保持恒值輸出。利用積分調(diào)節(jié)器的這個(gè)特性，就可以完全消除系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)偏差。考慮實(shí)際情況，由于調(diào)節(jié)器的電源為一定數(shù)值，而且由于系統(tǒng)控制的需要，調(diào)節(jié)器設(shè)有輸出限幅裝置，所以當(dāng)輸出電壓上升到限幅值時(shí)，輸出停止上升，

并保持在限幅上。

②記憶作用在積分過(guò)程中，輸入信號(hào)衰減為零時(shí)，輸出并不為零，而是始終保持在輸入信號(hào)為零前的那個(gè)輸出瞬時(shí)值上。這是積分控制明顯區(qū)別于比例控制的地方。正因如此，積分控制可以使系統(tǒng)在偏差電壓為零時(shí)保持恒速運(yùn)行，從而得到無(wú)靜差系統(tǒng)。③延緩作用從以上分析可知，盡管積分調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)為階躍信號(hào)，但其輸出卻不能隨之跳變，而是逐漸積分線(xiàn)性增長(zhǎng)。這就是積分調(diào)節(jié)器的延緩作用，它將影響系統(tǒng)控制的快速性。

2）積分調(diào)節(jié)器——轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無(wú)靜差系統(tǒng)我們知道，在采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出電壓是觸發(fā)器的控制電壓Uc，且Uc=KpΔUn。只要電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行，就必須有Uc，也就必須有調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓ΔUn，這就是此類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)有靜差的根本原因。有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，n、Un和Uc的變化過(guò)程如圖6-16所示。如果采用積分調(diào)節(jié)器，則觸發(fā)器控制電壓Uc是輸入偏差信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分，即圖6-16有靜差系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程圖6-17無(wú)靜差系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程

2．比例積分調(diào)節(jié)器

1）比例積分調(diào)節(jié)器的原理和控制規(guī)律上面的分析曾指出，積分調(diào)節(jié)器的缺點(diǎn)是具有延緩作用，在控制的快速性上不如比例調(diào)節(jié)器。如果系統(tǒng)既要求無(wú)靜差又要響應(yīng)快，則可以把比例控制和積分控制兩種規(guī)律結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，這種控制方式就是常用的比例積分控制。如圖6-18(a)所示為一種由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱(chēng)PI調(diào)節(jié)器。同樣，根據(jù)“虛地”、“虛斷”的概念可以很容易得出輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的運(yùn)算關(guān)系，同時(shí)可得到在階躍信號(hào)輸入作用下所對(duì)應(yīng)的輸入輸出特性曲線(xiàn)。在不考慮輸入輸出之間的反相作用時(shí)，其輸入輸出之間的表達(dá)式為

式中：Kpi為PI調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)， ；τ為PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，τ=R0C。由此可見(jiàn)，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uo由比例和積分兩部分相加組成。當(dāng)初始條件為零時(shí)，對(duì)上式兩端取拉氏變換，整理得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)令τ1=Kpiτ，則此傳遞函數(shù)也可以寫(xiě)成如下的形式

式中： 為PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。

在零初始條件下，輸入階躍信號(hào)，可得PI調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)間表達(dá)式為

圖6-18比例積分調(diào)節(jié)器電路原理圖及輸入輸出特性

由此可見(jiàn)，比例部分能迅速響應(yīng)控制，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。比例積分控制既綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，互相補(bǔ)充，剛?cè)嵯酀?jì)，很適合在自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用。當(dāng)使用PI調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載突加時(shí)，其偏差電壓信號(hào)ΔUn的變化，PI調(diào)節(jié)器輸出Uo的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如圖6-19所示。輸出波形中比例部分①和Ui成正比，積分部分②是Ui對(duì)時(shí)間的積分曲線(xiàn)，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uo即為這兩部分的和，即①+②?？梢?jiàn)，Uo既具有快速響應(yīng)性能，又可以消除系統(tǒng)靜差。圖6-19ΔUn信號(hào)輸入時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸出特性

2）比例積分調(diào)節(jié)器——轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無(wú)靜差系統(tǒng)由于采用PI調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，所以像有靜差調(diào)速系統(tǒng)那樣根據(jù)穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)來(lái)計(jì)算參數(shù)已無(wú)必要。下面分析一下系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。如圖6-20所示為采用比例積分調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，圖6-20所示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線(xiàn)如圖6-21所示。當(dāng)負(fù)載由TL1突增到TL2時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速反饋電壓Ufn隨之下降，使調(diào)節(jié)器輸入偏差ΔUn≠0，于是引起PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程。圖6-20采用PI調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖6-21采用PI調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程

從上述的系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程變化曲線(xiàn)可以看出，無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)只是在穩(wěn)態(tài)上的無(wú)靜差，在動(dòng)態(tài)時(shí)還是有“差”的。衡量系統(tǒng)抗擾過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)主要有最大動(dòng)態(tài)速降Δnmax和恢復(fù)時(shí)間tv。比例積分調(diào)節(jié)器的等效放大系數(shù)在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)是不同的。在動(dòng)態(tài)時(shí)放大系數(shù)較小，以滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性的需要；在穩(wěn)態(tài)時(shí)放大系數(shù)很大，以滿(mǎn)足系統(tǒng)無(wú)靜差的需要。所以比例積分調(diào)節(jié)器很好地解決了系統(tǒng)動(dòng)、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，在調(diào)速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)指出，所謂“無(wú)靜差”,只是理論上的無(wú)靜差，因?yàn)榉e分或比例積分調(diào)節(jié)器在靜態(tài)時(shí)電容兩端電壓不變，相當(dāng)于開(kāi)路，運(yùn)算放大器的放大系數(shù)理論上為無(wú)窮大，所以才使系統(tǒng)靜差Δn=0。實(shí)際上，這時(shí)放大系數(shù)是運(yùn)算放大器本身的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，其數(shù)值雖然很大，但還是有限。因此系統(tǒng)仍存在著很小的靜差，只是在一般精度要求下該靜差可以忽略不計(jì)而已。有時(shí)為了避免運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的零點(diǎn)漂移，故意將其放大系數(shù)壓低一些，如在R1C1兩端并接一個(gè)大電阻R1′，其值一般為幾兆歐，這樣就形成了近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱(chēng)為“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”，如圖6-22所示。這時(shí)調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)更低于無(wú)窮大，為圖6-22近似PI調(diào)節(jié)器原理圖

6.2.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)（電流截止負(fù)反饋）

1．電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)，須在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，如圖6-23所示為兩種電流截止負(fù)反饋信號(hào)的引出方法。

圖6-23電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)(a)利用直流電源作比較電壓；

(b)利用穩(wěn)壓二極管作比較電壓

2．帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，就構(gòu)成帶有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，如圖6-24所示為帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。

圖6-24帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

下面分析系統(tǒng)的靜特性。根據(jù)以前分析的系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系，可畫(huà)出該系統(tǒng)的靜態(tài)框圖，如圖6-25所示。圖中電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是一個(gè)非線(xiàn)性環(huán)節(jié)（兩段線(xiàn)性環(huán)節(jié)），它表明：當(dāng)輸入信號(hào)IdRs-Ubj為正值時(shí)，輸入和輸出Ufi相等，電流負(fù)反饋加入；當(dāng)IdRs-Ubj為負(fù)值時(shí)，輸出Ufi為零，電流負(fù)反饋被截止。由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可推出該系統(tǒng)的兩段靜特性方程式。圖6-25帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)框圖

當(dāng)Id≤ILJ時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，系統(tǒng)靜特性方程為

當(dāng)Id＞ILJ時(shí)，電流負(fù)反饋起作用，其靜特性方程為

根據(jù)以上特性，可畫(huà)出系統(tǒng)的靜特性圖，如圖6-26所示。圖中n0～A段特性，對(duì)應(yīng)于電流負(fù)反饋被截止的情況，它是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)本身的靜特性，顯然比較硬。圖中A～B段特性對(duì)應(yīng)于電流負(fù)反饋起作用的情況，特性比較軟，呈急劇下垂?fàn)顟B(tài)。圖6-26帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖

比較兩段特性，可以看出：①n0′>>n0,這是由于比較電壓Ubj與給定電壓Ugn的作用一致，因而提高了虛擬的理想空載轉(zhuǎn)速n0′。實(shí)際上圖6-26中用虛線(xiàn)表示的n0′~A段由于電流負(fù)反饋被截止而不存在。②Δn′>>Δn，這說(shuō)明電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂，表現(xiàn)出了限流特性。這種兩段式的靜特性常被稱(chēng)為下垂特性或挖土機(jī)特性。A點(diǎn)稱(chēng)為截止電流點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電流是截止電流ILJ；B點(diǎn)稱(chēng)為堵轉(zhuǎn)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電流稱(chēng)為堵轉(zhuǎn)電流Idu。當(dāng)系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)時(shí)，由于n=0，所以得一般地：KpKsRs>>R，所以

式中：λ為電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，一般取λ=1.5~2。

從靜特性工作段n0～A上看，希望系統(tǒng)有足夠的運(yùn)行范圍，一般取ILJ≥1.2Ied，即所以有

上述關(guān)系作為設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)的依據(jù)。在實(shí)際系統(tǒng)中，也可以采用電流互感器來(lái)檢測(cè)主回路的電流，從而將主回路與控制回路實(shí)行電氣隔離，以保證人身和設(shè)備安全。

另一種實(shí)現(xiàn)電流截止的方法是用上述的Ufi電壓信號(hào)去封鎖運(yùn)算放大器，如圖6-27所示。

圖6-27封鎖運(yùn)算放大器的電流截止環(huán)節(jié)

在運(yùn)算放大器的輸入輸出端跨接開(kāi)關(guān)管VT，Ufi一旦產(chǎn)生后，使VT立即導(dǎo)通，以造成運(yùn)算放大器的短路，于是輸出電壓Uc≈0，晶閘管整流器輸出電壓Ud急劇下降，達(dá)到限流的目的。一旦Id減小，從電位器RPs上引出的正比于Id的電壓不足以擊穿穩(wěn)壓管VST，則Ufi消失，VT截止，運(yùn)算放大器恢復(fù)正常工作。調(diào)節(jié)RPs可改變截止電流的大小。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、電流波形如圖6-28(a)所示。圖6-28閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程波形(a)帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的啟動(dòng)過(guò)程；

(b)理想的快速啟動(dòng)過(guò)程

從系統(tǒng)的啟動(dòng)波形來(lái)看，由于最大允許電樞電流Idm不能在啟動(dòng)過(guò)程中維持恒定，故系統(tǒng)不能以最大加速度升速，啟動(dòng)的快速性并不理想。要使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)得最快，就必須在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中一直保持電樞電流為允許最大值，這樣的理想啟動(dòng)過(guò)程波形如圖6-28(b)所示。綜上所述，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只是解決了系統(tǒng)的限流問(wèn)題，使調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)嶋H運(yùn)行，但它的動(dòng)態(tài)特性并不理想，所以只適用于對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求不太高的小容量系統(tǒng)，進(jìn)一步和比較理想的動(dòng)態(tài)控制將在后面的章節(jié)中討論。6.2.4其它單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1．系統(tǒng)的組成及工作原理根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)電樞平衡方程式Ud=IdRa＋Cen可知，如果忽略電樞電阻壓降，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端電壓Ud成正比，所以用電動(dòng)機(jī)電樞電壓反饋取代轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，以維持其端電壓基本不變，構(gòu)成電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞電阻壓降引起的穩(wěn)態(tài)速降，不能靠電壓負(fù)反饋?zhàn)饔眉右砸种疲蚨到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能較差。為了彌補(bǔ)這一不足，在電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入電流正反饋，以補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)電樞電阻壓降引起的穩(wěn)態(tài)速降，這就是帶電流補(bǔ)償控制的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。如圖6-29所示為該系統(tǒng)的原理圖。圖中電位器RP2作為電壓負(fù)反饋檢測(cè)元件，取得電壓反饋信號(hào)Ufu=γUd，γ為電壓反饋系數(shù)；在電樞回路中串入取樣電阻Rs，取IdRs為電流正反饋信號(hào)。IdRs的極性與轉(zhuǎn)速給定信號(hào)Ugn的極性一致，而與電壓反饋信號(hào)Ufu的極性相反。為了獲得適當(dāng)?shù)碾娏鞣答佅禂?shù)β，令電流正反饋回路運(yùn)算放大器的輸入電阻為R2，則β=（R0/R2）Rs，電流正反饋信號(hào)Ufi=βId。圖6-29帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2．系統(tǒng)的靜特性根據(jù)系統(tǒng)原理圖可以繪出帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖6－30所示。

利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法則，可以直接寫(xiě)出系統(tǒng)的靜特性方程式為

式中：K=γKpKs。圖6-30帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)框圖

如果補(bǔ)償控制參數(shù)配合得恰到好處，可使靜差為零，此時(shí)叫做全補(bǔ)償。但實(shí)際上決不會(huì)用到全補(bǔ)償這種狀態(tài)，因?yàn)槿绻麉?shù)因受溫度等因素的影響而發(fā)生變化，偏到過(guò)補(bǔ)償時(shí)，靜特性將上翹，系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。在實(shí)際工程中，一般將這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)為欠補(bǔ)償。為了得到欠補(bǔ)償條件，令R=Rn＋Rs＋Ra，則欠補(bǔ)償時(shí)，使電流正反饋?zhàn)饔玫窒綦姌须娮璁a(chǎn)生的一部分速降，即取KpKsβ=KRs，此時(shí)，有此式與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式完全一樣，這時(shí)的電壓負(fù)反饋加電流正反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋完全相當(dāng)。一般把這樣的電壓負(fù)反饋加電流正反饋叫做電動(dòng)勢(shì)負(fù)反饋。應(yīng)當(dāng)指出，電流正反饋和電壓負(fù)反饋（或轉(zhuǎn)速負(fù)反饋）是性質(zhì)完全不同的兩種控制作用。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋屬于被調(diào)量的負(fù)反饋，是真正的“反饋控制”，具有反饋控制規(guī)律。電壓負(fù)反饋的作用是用（1+K）去除Δn項(xiàng)，以減小靜差，無(wú)論環(huán)境怎么變化都能可靠地減小靜差。而電流正反饋的作用則是用一個(gè)正項(xiàng)去抵消原系統(tǒng)中負(fù)的速降項(xiàng)，它完全依賴(lài)于參數(shù)的配合。當(dāng)環(huán)境因素使參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償作用也變得不可靠。從這個(gè)特點(diǎn)上看，電流正反饋不屬于“反饋控制”，而稱(chēng)做“補(bǔ)償控制”。由于電流的大小反映了負(fù)載擾動(dòng)，所以又叫做負(fù)載擾動(dòng)量的補(bǔ)償控制。再進(jìn)一步看，反饋控制對(duì)一切包在反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)都有抑制作用，而電流正反饋補(bǔ)償控制只能補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)，對(duì)于電網(wǎng)電壓波動(dòng)等的擾動(dòng)，它所起的反而是壞作用。因此全面來(lái)看，上述的電壓負(fù)反饋電流補(bǔ)償控制調(diào)速系統(tǒng)的性能不如轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，一般適用于D≤20、s≥10%的拖動(dòng)系統(tǒng)中。6.2.5小容量有靜差調(diào)速系統(tǒng)實(shí)例

如圖6-31所示是一種通用的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，適用于4kW以下小容量直流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)采用電壓負(fù)反饋電流補(bǔ)償控制，

并帶有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。

圖6-31有靜差調(diào)速系統(tǒng)實(shí)例

系統(tǒng)具體技術(shù)數(shù)據(jù)如下：交流電源電壓?jiǎn)蜗?20V；整流輸出電壓直流180V；最大輸出電流直流30A；勵(lì)磁電壓、電流180V、1A；調(diào)速范圍D=10；靜差率

s≥10%。

1）主電路主電路由單相交流220V電源供電，經(jīng)單相半控橋整流，通過(guò)平波電抗器L向直流電動(dòng)機(jī)供電?？紤]到允許電網(wǎng)波動(dòng)±5%，整流電路輸出的最大直流電壓為故最好選配額定電壓為180V的電動(dòng)機(jī)。如必須用220V電動(dòng)機(jī)，須相應(yīng)地降低其額定轉(zhuǎn)速。單相半控橋的晶閘管VT1、VT2和二極管VD8、VD9分接在兩邊，這樣二極管可兼起續(xù)流作用。R12、C7和R10、C8分別為晶閘管交流側(cè)和直流側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)。電阻R11可減少晶閘管控制電流建立時(shí)間。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，此處電?dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。為了加快制動(dòng)和停車(chē)，采用電阻R9和接觸器KM的常閉觸點(diǎn)組成能耗制動(dòng)回路。電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組L1由單相不可控整流橋供電，為了對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)失磁保護(hù)，在勵(lì)磁繞組回路串入零電流繼電器KI的線(xiàn)圈，只有勵(lì)磁電流足夠大，KI才吸合，接觸器KM才能通電。KI的動(dòng)作值可由電位器RP6調(diào)整。系統(tǒng)的啟動(dòng)由鈕子開(kāi)關(guān)S控制。S斷開(kāi)，綠燈HL1亮，表示已有電源，但系統(tǒng)尚未啟動(dòng)；S合上后，紅燈HL2亮，同時(shí)KM線(xiàn)圈得電，使主電路和控制回路均接通電源，系統(tǒng)啟動(dòng)。

2）轉(zhuǎn)速給定電壓由整流器UR1和穩(wěn)壓管VST1組成直流穩(wěn)壓源，作為給定電源。電位器RP1整定最高給定電壓；

電位器RP2整定最低給定電壓；RP是速度給定電位器。

3）電壓負(fù)反饋和電流正反饋本系統(tǒng)采用具有電流補(bǔ)償控制的電壓負(fù)反饋。其中，電壓負(fù)反饋信號(hào)Ufu取自RP4，R13和R14分別限制Ufu的上限和下限；電流正反饋信號(hào)Ufi取自電位器RP5，R8為電流取樣電阻，其限值很?。ɡ?.125Ω），以減少電樞回路總電阻。轉(zhuǎn)速給定Ugn、電壓負(fù)反饋Ufu和電流正反饋Ufi三個(gè)信號(hào)按圖示極性串聯(lián)連接，得到偏差信號(hào)ΔUn，加在放大器V1的輸入端。三個(gè)信號(hào)的強(qiáng)弱分別用電位器RP、RP4、RP5來(lái)調(diào)整。

4）放大器

V1、R5組成單管放大器，在V1的基極綜合轉(zhuǎn)速給定和電壓、電流反饋信號(hào)，其輸出信號(hào)供給V2，來(lái)控制單結(jié)管觸發(fā)電路的移相。二極管VD2、VD3和VD4分別實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)正、負(fù)限幅，防止在過(guò)渡過(guò)程中輸入電壓過(guò)高，并保護(hù)V1基—射極不承受過(guò)高反壓。C4為放大器直流電源濾波電容，以使V1、V2獲得較平穩(wěn)的工作電源。

5）觸發(fā)電路采用單結(jié)管觸發(fā)電路，由工作在放大區(qū)的V2控制對(duì)C1的充電電流，和單結(jié)管V3組成弛張振蕩器，在R15上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，經(jīng)V5放大和脈沖變壓器兩路輸出分別觸發(fā)主電路晶閘管VT1和VT2。接入VD6、VD7以保證只能通過(guò)正向脈沖，保護(hù)晶閘管門(mén)極不受反向電壓。VD1為隔離二極管，其作用是將單結(jié)管的工作電源與放大器的工作電源隔離，以使單結(jié)管獲得具有過(guò)零點(diǎn)的同步信號(hào)。C6可增加觸發(fā)脈沖前沿陡度，VD5為隔離二極管。

6）電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋信號(hào)取自電位器RP3，利用穩(wěn)壓管VST3產(chǎn)生比較電壓，當(dāng)電樞電流Id超過(guò)截止電流時(shí)，VST3被擊穿，V4導(dǎo)通，將觸發(fā)電路中的電容C1旁路，C1充電時(shí)間加長(zhǎng)，觸發(fā)脈沖后移，使整流輸出電壓降低。當(dāng)電流反饋信號(hào)增強(qiáng)到一定程度時(shí)，C1充電電流太弱，不能維持弛張振蕩，因而停發(fā)觸發(fā)脈沖，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)。待電樞電流減小后，V4被截止，系統(tǒng)又自動(dòng)恢復(fù)正常工作。二極管VD10是防止當(dāng)主回路脈動(dòng)電流峰值很大時(shí)，電流截止負(fù)反饋信號(hào)可能通過(guò)V4的基—集極使V3導(dǎo)通，從而誤發(fā)脈沖。電容C2用以對(duì)電流截止負(fù)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波，以保證只要主回路電流平均值大于截止電流，系統(tǒng)就能可靠地實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋。

7）串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)由電阻R7，電容C5、C3構(gòu)成串聯(lián)滯后校正網(wǎng)絡(luò)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。關(guān)于該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和計(jì)算，

限于篇幅，

不再贅述。

6.3雙閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

6.3.1最佳過(guò)渡過(guò)程的基本概念前面我們介紹了各種單閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，如果我們對(duì)這些系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，就既保證了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，又能做到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差，較好地解決了系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)之間的矛盾。然而系統(tǒng)中只靠電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制啟動(dòng)和升速過(guò)程中的沖擊電流，其性能還不能令人滿(mǎn)意。這是因?yàn)椋娏鹘刂关?fù)反饋只能限制最大電流，在過(guò)渡過(guò)程中，電流一直是變化著的，達(dá)到最大值后，由于負(fù)反饋?zhàn)饔玫募訌?qiáng)和電機(jī)反電勢(shì)的增長(zhǎng)，電流又被壓了下來(lái)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使啟動(dòng)和加速過(guò)程拖長(zhǎng)。如圖6-32(a)所示。

對(duì)于一些頻繁啟（制）動(dòng)及經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)當(dāng)盡量縮短其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，為此，我們希望能夠充分利用電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中一直保持電流為允許最大值，使系統(tǒng)以可能的最大加(減)速度啟(制)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，電流應(yīng)立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)速運(yùn)行。理想的啟動(dòng)波形如圖6-32(b)所示。這時(shí)，啟動(dòng)電流是方形波，轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，這是在最大電流受限制條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程，也稱(chēng)最佳過(guò)渡過(guò)程。

圖6-32電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)(a)帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)；

(b)

理想啟動(dòng)過(guò)程

6.3.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成從控制的角度來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)上述過(guò)渡過(guò)程的最大值電流，可以采用電流負(fù)反饋來(lái)得到。然而，如果采用同一個(gè)調(diào)節(jié)器的入口引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，則兩方面互相牽制，啟動(dòng)電流波形非但不理想，反而會(huì)使靜特性變軟，影響了靜態(tài)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，如果在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為控制電壓，那么兩種調(diào)節(jié)器就能互相配合，相輔相成了。在結(jié)構(gòu)上，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，是外環(huán)，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖6-33所示。圖6-33轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

6.3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析

1．電流環(huán)分析電流環(huán)的給定信號(hào)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)Ugi；電流環(huán)的反饋信號(hào)是電流負(fù)反饋信號(hào)Ufi=βId，穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)有或者

此式的含義是，在Ugi一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，輸出電流將保持在Ugi/β的數(shù)值上。這也就意味著，電網(wǎng)電壓波動(dòng)所引起的電流波動(dòng)將被有效地抑制。

電流環(huán)的另一個(gè)作用是限制最大電流。由于限幅的原因，ASR的最大輸出只能是限幅值Ugim。在調(diào)整電流檢測(cè)器的電位器，以確定電流反饋系數(shù)β時(shí)，應(yīng)使在電動(dòng)機(jī)電流為最大允許Idm時(shí)，反饋信號(hào)Ufi=βId等于Ugim，即或

在Ugim和Idm選定后，就確定了電流反饋系數(shù)β。反過(guò)來(lái)，當(dāng)Ugim和β確定后，也就確定了電流Id的最大值Idm。電流環(huán)還有一個(gè)作用，就是在系統(tǒng)啟制動(dòng)過(guò)程中維持電動(dòng)機(jī)的電流Id等于最大給定值Idm，以加快過(guò)渡過(guò)程。

2．轉(zhuǎn)速環(huán)分析

轉(zhuǎn)速環(huán)的給定信號(hào)為Ugn，其反饋信號(hào)是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)Ufn=αn，穩(wěn)態(tài)時(shí)有或

此式的含義是：當(dāng)系統(tǒng)給定信號(hào)一定的情況下，靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器維持電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，使之不受負(fù)載擾動(dòng)等影響。其調(diào)節(jié)過(guò)程如下：

圖6-34轉(zhuǎn)速、

電流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性圖

但是，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩如果比電動(dòng)機(jī)電流為最大允許值Idm所能產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Mdmax還大，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)就要堵轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)速n要降為零。這時(shí)速度調(diào)節(jié)器輸入偏差ΔUn=Ugn-α·0=Ugn,值過(guò)大。ASR要飽和，失去調(diào)節(jié)作用。這時(shí)的系統(tǒng)變?yōu)榫哂凶畲蠼o定電流Idm=Ugim/β的恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靠電流環(huán)的限流調(diào)節(jié)過(guò)程，使Id=Idm。其限流調(diào)節(jié)過(guò)程如下：調(diào)節(jié)過(guò)程中Ud0不斷下降，最終有Ud0=IdmRΣ。這樣可以得到靜特性的下垂段，如圖6-34所示（虛線(xiàn)A~B段）。圖中實(shí)線(xiàn)是理想情況。

3．穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

由圖6-33可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和，且各變量之間有下列關(guān)系：

這些關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Ugn決定的，ASR的輸出量Ugi是由負(fù)載電流Ifz決定的，而控制電壓Uc的大小則同時(shí)取決于n和Id，或者說(shuō)同時(shí)取決于Ugn和Ifz。這反映了PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。一般比例環(huán)節(jié)的輸出量總是決定于輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不同，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面所連接的環(huán)節(jié)決定的，后面的環(huán)節(jié)需要PI調(diào)節(jié)器提供多大的輸出，它就能提供多少，直到飽和為止。根據(jù)這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算也就和單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)相似，可根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定值和相應(yīng)的反饋量來(lái)計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)，

即

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

兩個(gè)給定電壓的最大值Ugnm和Ugim是由運(yùn)算放大器的輸入工作電壓決定的，最大電流Idm由設(shè)計(jì)者選定，數(shù)值取決于電機(jī)的允許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，一般選Idm

=1.5~2.0Ied。

6.3.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程

1．雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程假設(shè)啟動(dòng)前系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)，系統(tǒng)給定信號(hào)Ugn和Ugi均為0，晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓Uc=0，控制角α=90°，整流電壓平均值Ud0=0，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=0。

當(dāng)突加給定信號(hào)Ugn時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)入啟動(dòng)過(guò)程。啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)電流Id，轉(zhuǎn)速n，ACR輸出電壓Uc，整流電壓Ud0，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)Ufn和電流反饋信號(hào)Ufi等波形均示于圖6-35中。分析圖上各曲線(xiàn)的變化規(guī)律時(shí)，注意不要忘記下述兩方面的關(guān)系。圖6-35雙環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程

電路方面①Ud0=E+IdRΣ時(shí)，Id=常數(shù)；②Ud0>E+IdRΣ時(shí)，Id↑,并且差值(Ud0-E-IdRΣ)愈大，Id上升愈快；③Ud0<E+IdRΣ時(shí)，Id↓,Id↓速度也和差值(Ud0-E-IdRΣ)有關(guān)。運(yùn)動(dòng)方面①I(mǎi)d>Ifz，n↑；②Id=Ifz，n=常數(shù)；③Id<Ifz，n↓。在啟動(dòng)過(guò)程中，電流是一個(gè)關(guān)鍵的量。根據(jù)啟動(dòng)電流波形的變化，可將突加給定的啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段。第一階段為電流上升階段。在突加給定電壓Ugn后，通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uc、Ud0、Id都上升，當(dāng)Id≥Ifz后，轉(zhuǎn)速n開(kāi)始上升。但是由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性影響，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)太快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓ΔU=Ugn-Ufn,數(shù)值較大，在這樣大的偏差信號(hào)作用下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(dá)到限幅值Ugim，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id≈Idm時(shí)，Ufi≈Ugim，電流調(diào)節(jié)器的作用使Id不再迅猛增長(zhǎng)，標(biāo)志著電流上升階段的結(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。第二階段為恒流升速階段。從電流上升到最大值Idm開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速上升到給定值ngd為止，屬于恒流升速階段，此段是啟動(dòng)過(guò)程中的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Ugim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E也按線(xiàn)性增長(zhǎng)。

對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)講，反電勢(shì)是一個(gè)線(xiàn)性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，Uk和Ud0也必須基本上按線(xiàn)性增長(zhǎng)，才能保持Id恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量按線(xiàn)性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓ΔUi=Ugim-Ufi必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，在這一階段Id應(yīng)略低于Idm。此外，還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電壓Ud0m也必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須注意的。第三階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從這個(gè)階段開(kāi)始，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已升到給定值，這時(shí)，反饋電壓Ufm已上升到等于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定Ugn，ASR輸入端的偏差電壓為零，但由于ASR調(diào)節(jié)器的積分作用，使ASR的輸出仍維持在限幅值Ugim。由于此時(shí)電流Id仍為Idm，所以轉(zhuǎn)速將繼續(xù)上升，出現(xiàn)了速度超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速n大于給定值ngd后，就會(huì)產(chǎn)生Ufn>Ugn，則ASR的輸入ΔUn變號(hào)，ASR的積分部分開(kāi)始反向積分，從而使ASR輸出Ugi↓<Ugim，即ASR退出飽和，參與調(diào)節(jié)作用，主電流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流Ifz，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=Ifz時(shí)，轉(zhuǎn)矩M=Mfz，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)沒(méi)有調(diào)好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。由于速度上升并超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后，ASR才開(kāi)始退飽和，所以這樣的轉(zhuǎn)速超調(diào)叫退飽和超調(diào)，ASR的參數(shù)也要按退飽和指標(biāo)選擇。在這一階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，所以ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出Ugi的變化，可以說(shuō)電流內(nèi)環(huán)在這個(gè)階段形成了一個(gè)電流隨動(dòng)系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：①由于ASR的飽和與不飽和，系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段（第一階段包含ASR飽和與不飽和兩部分，第二階段ST飽和，第三階段ASR不飽和）。當(dāng)ASR飽和時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，

而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。

②第二階段恒流升速標(biāo)志著雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的主要特點(diǎn)，它實(shí)現(xiàn)了在電流受限條件下的“最短時(shí)間控制”，或稱(chēng)“時(shí)間最優(yōu)控制”，因而能夠充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使啟動(dòng)過(guò)程盡可能最快，接近于理想的啟動(dòng)過(guò)程。③在第三階段中，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)才能使ASR退出飽和，然后才能使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。也就是說(shuō)，如果不另加措施，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。最后，應(yīng)該指出，由于晶閘管整流裝置的輸出電流是單方向的，因此，如無(wú)特殊措施，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能獲得同樣好的制動(dòng)過(guò)程。

2．動(dòng)態(tài)性能和兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能。

1）動(dòng)態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在啟動(dòng)和升速過(guò)程中，能夠在電流受過(guò)載能力約束條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過(guò)程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能差。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來(lái)說(shuō)，

也要求有好的跟隨性能。

2）動(dòng)態(tài)抗干擾性能①抗負(fù)載擾動(dòng)。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)器來(lái)產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降。為了減少動(dòng)態(tài)速降，在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求使系統(tǒng)具有較好的抗擾指標(biāo)。對(duì)于電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在抗負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，只要求電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。

②抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同。系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾效果也不一樣。若電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)都作用在被負(fù)反饋環(huán)包圍的主通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾能力是一樣的。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用位置的不同，還存在著能不能及時(shí)調(diào)節(jié)的問(wèn)題。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，因?yàn)樗谒俣拳h(huán)內(nèi)，所以速度環(huán)對(duì)它有抑制作用。在雙環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)包含在電流環(huán)內(nèi)，由于有了ACR，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)不必等到轉(zhuǎn)速變化才調(diào)節(jié)，而是在電流Id變化后即可調(diào)節(jié)。這樣擾動(dòng)量和被控量之間少了電動(dòng)機(jī)這個(gè)大慣性環(huán)節(jié)。所以雙環(huán)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)調(diào)節(jié)及時(shí)，它所引起的動(dòng)態(tài)速降也就小得多。

3）兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以歸納如下：①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用。使轉(zhuǎn)速n跟隨給定值Ugn變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定最大電流。②電流調(diào)節(jié)器的作用。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中使電流Id跟隨其給定值Ugi變化，啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；當(dāng)電機(jī)過(guò)載，甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值Idm，從而起到快速的安全保護(hù)作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。

6.3.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的典型參數(shù)計(jì)算

1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶有電流、轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)屬多閉環(huán)系統(tǒng)，一般采用由內(nèi)到外一環(huán)包一環(huán)的形式，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，設(shè)有電流調(diào)節(jié)器ACR，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，設(shè)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。電流環(huán)接受速度環(huán)的輸出作為控制