轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

1、雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)簡介1.1VM系統(tǒng)簡介晶閘管一電動機調速系統(tǒng)（簡稱 V M系統(tǒng)），其簡單原理圖如圖1。圖中VT是 晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等 類型。優(yōu)點：通過調節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流 電壓從而實現(xiàn)平滑調速。缺點：1.由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。2 元件對過電壓、過電流以及過高的 du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指 標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件。因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足 夠的余量。1.2轉速控制的要

2、求和調速指標任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。歸納起 來，對于調速系統(tǒng)的轉速控制要求有以下三個方面：1） 調速一一在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地（有級）或平滑地（無 級）調節(jié)轉速；2） 穩(wěn)速 以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大 的轉速波動，以確保產品質量；3）加、減速一一頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不 宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。1.3直流調速系統(tǒng)的性能指標根據(jù)各類典型生產機械對調速系統(tǒng)提出的要求， 一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調速 指標。靜態(tài)調速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉速和最

3、低轉速范圍內調節(jié) 轉速，并且要求在不同轉速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調速指標要求系統(tǒng)啟動、制動某一1，6?？於椒€(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力。抗擾動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 轉速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響 一、靜態(tài)性能指標生產機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉速nmaX與最低轉速"min之比，稱為調速范圍，用符號 D表示nminn max(22)2).靜差率靜差率是用來表示負載轉矩變化時，轉速變化的程度，用系數(shù)s來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值 時，對應的轉速降落八ned與理想空載轉速n。之比，用百

4、分數(shù)表示為(23)"：ned越小，靜差率就越小，轉速S 二10%仏 1 0%顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大， 的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜 差率是不同的。對于圖2 1中的線1和線2,它們有相同的轉速降落"：ned1 ="：ned2， 但由于n。2 “n。1，因此毎S1。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉速的相對穩(wěn)定性就越差。在1000r/min時降落10r/min，只占1%;在100r/min時也降落10r/min， 就占10%;如果n0只有10r/min，再降落10r/min時，電動機就停止

5、轉動，轉速全都 降落完了。由圖2 1可見，對一個調速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉速運行的靜差率s，那么，其它轉速的靜差率也必然都能滿足。圖2 1事實上，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的， 必須同時提才有意義。 一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范 圍。脫離了對靜差率的要求。任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍；反過來，脫 離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。1.4 動態(tài)性能指標生產工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的 抗擾性能指標。一、

6、跟隨性能指標在給定信號(或稱參考輸入信號)R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可 用跟隨性能指標來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸 出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程， 這時的動 態(tài)響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值5的偏差越小越好，達到5的時間越快越好。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間，超調量 和調節(jié)時間：1)上升時間tr在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性，見圖22。3圖2 22）超調量二%在典型的階躍響應跟隨系統(tǒng)中，

7、輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比， 用百分數(shù)表示，叫做超調量：；= "ax _c：I。甩（24）超調量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。 超調量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應 比較平穩(wěn)。3）調節(jié)時間ts調節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調節(jié)過程的快慢。原則上它應該 是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。對于線性控制系統(tǒng)來說， 理論上要到t ":才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因 此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 一5%或一2%的范圍作為允許誤差帶， 以響應曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調節(jié)時間，可見圖22&l

8、t;二、抗擾性能指標一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過 程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖 23。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落 和恢復時間：1）動態(tài)降落'：Cmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾動）后引起轉速的最大 降落值"：Cmax%叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值c：i的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài) 降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值一&-2是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落 稱作動態(tài)降落Fmax%。2）恢復時間tf從階躍擾動作用開始，到輸出

9、量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值52之差進入某基準量Cb的- 5%或- 2%范圍之內所需的時間，定義為恢復時間tf，其中Cb稱為抗 擾指標中輸出量的基準值。實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，要根據(jù)生產機械的具體要求而 定。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。圖2 31.5轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成及其靜特性1.5.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別 調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖2-2所示。圖中，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用 電流

10、調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，ASR轉速調節(jié)器 ACR 電流調節(jié)器 TG 測速發(fā)電機TA 電流互感器 UPE 電力電子變換器 U n 轉速給定電壓 Un 轉速反饋電壓 U i 電流給定電壓 Uj 電流反饋電壓1.5.2轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如圖2-4所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖(見圖 2-3)畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性 表示PI調節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和一輸出達到限幅值，不飽和一輸出未達到限幅值。

11、當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出, 出飽和； 環(huán)開環(huán)。除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退 換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系， 相當于使該調節(jié) 當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓 U在穩(wěn)態(tài)時總為零。IdASR U*i.+Ui ACR Uc UPERUdO +1/Ce-Un圖2-4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖G轉速反饋系數(shù)；P電流反饋系數(shù)實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性 來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1 .轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此U： =Un =、

12、n =，n°U* 二5 =譏由第一個關系式可得*Un n n。(2-1)a8從而得到圖2-5所示靜特性的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，Ui : Um，從上 述第二個關系式可知Id < I dm。這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id =0 一直延 續(xù)到Id =Idm，而Idm 一般都是大于額定電流IdN的。這就是靜特性的運行段，它是一 條水平的特性。2.轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值um，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再 產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(2-2)其中，最大電流Idm是由設計者選定的，取決于電動機的容許

13、過載能力和拖動系 統(tǒng)允許的最大加速度。式（2-2）所描述的靜特性對應于圖2-5中的AB段，它是一條垂 直的特性。這樣的下垂特性只適合于n ；：n°的情況，因為如果n .n。，則U. -U；，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 I dm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速 負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到Idm時，對應于轉速調節(jié)器的飽和輸出U： 這時，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。 這就是采用了兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。 然而，實際上運算放大器的開環(huán)

14、放大系數(shù) 并不是無窮大。靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2-5中的虛線。總之，雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運行中表現(xiàn)為無靜差調速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉速和電流兩個調節(jié)器的作用， 獲得了良好 的靜、動態(tài)品質。圖2-5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性1.6限流保護一一電流截止負反饋起動的沖擊電流直流電動機全電壓起動時， 如果沒有限流措施，會產生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說， 更是不能 允許的。采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓=Un二U；，

15、差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的(1+K )倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓 Ud 下子 就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。堵轉電流 有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，由于故障使機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬， 若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器 保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引 入那個物理量的負反饋。那么，

16、引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它 不超過允許值。以上就是關于轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的一些內容，為了實現(xiàn)更好的控制 效果，我們需要讓電流負反饋和轉速負反饋分別起作用，這就是我要設計的轉速、電 流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析(1)額定勵磁下的直流電動機模型假設電機補償良好，忽略電樞反應、渦流效應和磁滯的影響，并設勵磁電流恒定，得 直流電機數(shù)學模型和運動方程分別為didU d = Rid L d E dtGD2 dnTeJ375 dt額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為：E = Cen式中,TL:包括電機空載轉矩在內的負載轉矩(N m);G

17、D 2 :電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量(N m2)Cm :電機額定勵磁下的轉矩系數(shù)(N m/A)在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)：1 ld(S)_ RUd°(s)-E(s)電流與電動勢間的傳遞函數(shù)E(s)=_RI d (s _ I dL ( s) Tm s在額定勵磁下Te -CmId，其中Cm為電動機的轉矩系數(shù)(N.m/A )額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖如下：丑)恥)1a)電丿主電流間的結構框圖b)電流電動勢間的結構框圖圖額定勵磁下直流電動機動態(tài)結構框圖&G)圖,13整個直流電動機的動態(tài)的結構框圖晶閘管觸發(fā)和整流裝置模型 晶閘管觸發(fā)和

18、整流裝置的傳遞函數(shù)構成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是晶閘管觸發(fā)和整流裝置和直流電動機。不同 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)，它們的表達式都是相同的Ws(S)KsTsS112#晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構al準確模型b）近似模型#晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構框圖比例放大器和測速發(fā)電機模型 直流閉環(huán)調速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)， 它們的響應都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的測速反饋w”(sVWa（S）二Uc(s)Un(S)K放大系數(shù)，即 放大器運算放大器用作比例放大器（也稱比例調節(jié)器、P調節(jié)器），如圖4, U.和Uex為 放大器的輸入和輸出電壓，Rbai為同相輸入端的平衡電阻，

19、用以降低放大器失調電流 的影響#RlR0放大系數(shù)為KpUex圖4 P調節(jié)器原理圖EXKpUin0t圖5 P調節(jié)器輸出特性直流測速發(fā)電機模型3-1測速發(fā)電機（tachogenerator是一種檢測機械轉速的電磁裝置。它能把機 械轉速變換成電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉速成正比關系，如圖 所示。在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中通常作為測速元件、校正元件、解 算元件和角加速度信號元件等。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的要求，主要是精確度高、靈敏度高、可靠性好等3-200電底上：（濟求區(qū).戌對于不同的負載電阻L R，測速發(fā)電機輸出特性的斜率也不同，它 將隨負載電阻的增大而增大，如圖3-4中實線所示。/謝3-3直流

20、測速發(fā)電機帯負載第四章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的整體設計4.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖3.1.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型由雙閉環(huán)控制的結構(見圖2-4)，即可繪制出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框 圖，如圖3-1所示。圖中Wasr(s)和Wacr(s)分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞 函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流ld顯露出來圖3-1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)的動態(tài)校正-PI調節(jié)器設計2-1所示:轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖圖2-1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖由于電流檢測信號中常含有交流分量， 為了不使它影

21、響到調節(jié)器的輸入，需加低 通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的 慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用 Ton表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設計的一般原則是：先內環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設計電流調節(jié)器，然后把 整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。4.1.1電流調節(jié)器的

22、設計1.電流環(huán)結構框圖的化簡在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即，E0 這時，電流環(huán)如圖2-2所示圖2-2電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡（忽略反電動勢的動態(tài)影響）忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是3式中3 C電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成U*i（s）廠，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖2-3電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)）最后，由于Ts和Toi 一般都比TI小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是 一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為T 刀 i = Ts + Toi簡化的近似條件為Ci -

23、S'；TsToi電流環(huán)結構圖最終簡化成圖2-4。U*i(s)Uc(s)ACR- Ks/R(Tis+1)g+1)圖2-4電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）圖 2-23c2 電流調節(jié)器結構的選擇首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證iS電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因 素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是 雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器。其傳遞函數(shù) 可以寫

24、成(4-1)式中Ki 電流調節(jié)器的比例系數(shù);電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)(4-2)為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇-i - Tl則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成為圖 4-3所示的典型形式。込3J 二.-rR(3-3)圖4-3校正成典型I性系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構框圖圖4-4繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。上述結果是在一系列假定條件 下得到的。2電流調節(jié)器結構的選擇根據(jù)設計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調量二j乞5%，可按典型I型系統(tǒng)設計電路調節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI型電流調節(jié)器其傳遞函數(shù)為:WACR(S) K(iS 1).,s18#式中 Ki 電流調節(jié)器的比例系數(shù)；i

25、電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇i=Tl則電流環(huán)的動態(tài)結構圖便成為圖 2-5所示的典型形式，其中KiKK二 iR2.2轉速調節(jié)器的設計1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)由圖2-5a可知0ld(s)s(T那s +1)1Wcii(s)寸： 廠5 (s) /1KiD s2 丄 s 1s(T*s 1)K|K|忽略高次項，上式可降階近似為1 s -1KiWc"(s):近似條件可由式式中-n -轉速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為Ui(s)，因此電流環(huán)在轉

26、速環(huán)中應等效為1Id(S) Wcli(S)匚*Ui(s)：丄 s 1Ki2.轉速調節(jié)器結構的選擇電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為丄Id(s)Wcii(s)丁*SiUg ：丄s1Ki用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖便如圖2-7所示。圖2-26轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化圖2-7轉速換的動態(tài)結構框圖及其化簡(用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán))和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改 成Un(S)/ ，再把時間常數(shù)為1/K和Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個 時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)。則轉速環(huán)結構框圖可簡化為圖2-8ldL（S）圖2-8轉速換的動態(tài)結構框圖及其

27、化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理）按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(S)二Kn( nS 1)nS20#式中 Ki -轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；n -轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為P _KhR(Ss + 1)nSCeTmS(TnS 1) n - CeTmS2(0S 1)令轉速環(huán)開環(huán)增益為KnRn -CeTmWn(s) =Kn( nS 1) S2 (T nS 1)#不考慮負載繞動時，校正后的調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖如圖心（討1）n(s)s2gs+1)2-9U*n(S)J. +圖2-9轉速換的動態(tài)結構框圖及其化簡（校正后成為典型n型系統(tǒng)）4.2轉速環(huán)與電

28、流環(huán)的關系這樣外環(huán)的響應比內環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。 做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的， 對系統(tǒng)的組成和調試工作非 常有利。本章就是對轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計過程。2、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第六章參數(shù)整定以及仿真6.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真的相關數(shù)據(jù)直流電機的主要參數(shù)如下：額定電壓：Ue =220V額定電流：I e =8.7 A額定轉速：ne =1500r / min電勢系數(shù)：Ce =0.132V.min /r允許過載倍數(shù) =1.6,晶閘管放大倍數(shù)Ks =60電流反饋系數(shù)：1 =0.5747 V/A轉速反饋系數(shù)：-0.00333V電磁時

29、間常數(shù)：Tl = 0.021s機電時間常數(shù)：Tm =0.16s電樞回路總電阻：R =5.26門轉速濾波時間常數(shù)：Ton = 0.005s電流濾波時間常數(shù)：Toi = 0.005s中頻寬：h=5，超調量：G乞5%6.1.1PI控制算法的參數(shù)整定一. 電流環(huán)的計算1 確定時間常數(shù) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts,三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.00167s 0.0017s 電流濾波時間常數(shù)Toi : Toi = 0.005s 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 Ti,按小時間常數(shù)近似處理，取乃=TS Toi = 0.0017s 0.005s = 0.0067s2 選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求電流超調量 二：5

30、%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，在根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定把電流環(huán)校正成哪一類系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)上看，希望電流環(huán)做到無靜差；從動態(tài)上看，希望在啟動過程中電流不要超過允許值， 也不要有超調量，或者超調量越小越 好。從這兩點出發(fā)，則應該把電流環(huán)校正成典型 I型系統(tǒng)。因此按典型I型系統(tǒng)設計 電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式WACR(S)式中ki電流調節(jié)器的比例系數(shù)；.i 電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)檢查對電源電壓的抗擾性能Tl _ 0.02100.0067-3.1323#3 計算電流調節(jié)器參數(shù) 電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：i二嘰=0.021S0.5B <5%按附表1,

31、應取Ki T龍=0.5，因此 電流環(huán)開環(huán)增益：要求Ki于是，ACR的比例系數(shù)為K“R 74.63x0.021x5.26Ki 0.24Ks ：60 0.5747 代入數(shù)據(jù)得到電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為WACR (S)0.24(0.021s 1)0.021s#4. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：-i二K| = 74.63s'13Ts 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1196.1S ： ci3 0.0017滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3Jl10.16 0.021=51.75s滿足近似條件。 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件=114.33，門 ci111 13lTSToi3 ：

32、 0.0017 0.005滿足近似條件。5. 計算調節(jié)器電阻和電容 根據(jù)圖4-5,取R0 =402，各電阻和電容值為Ri 二 KjR0 = 0.24407=9.6心，取 R = 9.6心T.0 021Ci ' F =2.19F ， 取 G =2.19uFR 9.6 103R。4 0.005 廠 3廠 40 103= 0.5F，取 6 =05F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為二4.3% ： 5%，滿足設計要求。二. 轉速環(huán)的計算1. 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)Ki由Kid =0.5知12T 可=2 0.0067s = 0.0134sKi- 轉速濾波時間常數(shù)TonTo

33、n 二 0.005s 轉速環(huán)小時間常數(shù)T1T 弓Ton =0.0134 0.005 = 0.0184s-Ki2 轉速調節(jié)器選擇結構Kn( nS - 1)WASR按照設計要求，選用 PI調節(jié)器，生產工藝一般要求轉速調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時為無靜 差，動態(tài)性能具有良好的抗擾性能。典型U型系統(tǒng)能滿足這些要求， 所以轉速環(huán)按典 型U型系統(tǒng)進行設計。其傳遞函數(shù)為 nS式中Kn轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；n轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。3 計算轉速調節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為n =hTn =5 0.0184 = 0.092s 由式(4-14)可求得轉速環(huán)開環(huán)增益KN=r4t-6

34、2 = 354.442 s2h2T<n2 52 0.01842于是，由式可得ASR的比例系數(shù)為Kn(h - 1) CeTm6 0.5747 0.132 0.16=22.5962h：RT 帀 2 5 0.00333 5.26 0.0184 代入數(shù)據(jù)得到轉速調節(jié)器的傳遞函數(shù)為WASR22.596(0.092s 1)0.092s27#4.檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率cn二 Kn n =354.44 0.092 二 32.6085s，#校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足=35.18s4cn#滿足簡化條件校驗轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件是否滿足cn；74.63 -43 Ton - 3 1 0.005

35、s滿足近似條件。5計算轉速調節(jié)器的電路參數(shù)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型轉速調節(jié)器原理圖如圖4-8所示。取R。=407】，各電阻和電容值計算如下Rn =KnRo =22.640 =904.H ,取 Rn = 900心n0.092900 103F =0.102F，取 Cn= 0.1)F29#ConR。4 0.005 f =0.5F ,取 Con =05F 40 106. 校核轉速超調量當h=5時，查附表3得匚n =37.6%,不能滿足匚n叮0%。實際上，附表3是按線 性系統(tǒng)計算的超調量，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，具有飽和非線性特性。所以，應按 ASR退飽和的情況重新

36、計算超調量。三. 按退飽和超調量的計算方法計算轉速超調量 二n設理想空載起動時z=0，當h=5時，查附表2得：max= 81.2%RI dNCe5.26 8.7346.680.228inmaxCb2(' z)=nTm-81.2% 2 1.6 346.680.0184 =6.9% ： 10%15000.16能滿足設計要求。6.1.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真一.電流環(huán)的仿真1. 電流環(huán)的輸出特性分析圖6-1電流環(huán)Simulink動態(tài)結構圖由圖6-2可以看出超調量二=4.65% ,系統(tǒng)曲線迅速上升，峰值時間tp二0.0393s , 非常短，電流立即下降至恒定并在0.07s內響應即結束，這樣的階

37、躍響應是很理想的。 這正好驗證了按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)其超調量會很小的事實。我們知道超調量可以反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調量越小，相對穩(wěn)定性越好，由此可見電流環(huán)還是比較 穩(wěn)定的。它的上升時間是0 .0183s,上升時間是用來反映動態(tài)響應的快速性的，同樣,電流環(huán)的動態(tài)響應是比較快的?？梢?，系統(tǒng)的跟隨性能是很好的。2. 電流環(huán)抗擾性能分析可知其性能指標：最大動態(tài)降落：Qmax - -0.072最大動態(tài)降落時間：tp = 0.012s同理，圖6-3b）為電流環(huán)在擾動作用點3施加單位階躍信號的擾動響應曲線，由 圖可知其性能指標：最大動態(tài)降落：Cmax = -4.4最大動態(tài)降落時間：t p = 0.01

38、9s對大多數(shù)機器設備，控制系統(tǒng)的抗擾性能指標是至關重要的，它比系統(tǒng)的跟隨性 能指標更為人們所關注。對于電流環(huán)，通過上面的仿真圖可以看出，它的抗擾性能有 如下幾點：1）由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，抗擾 性能大有改善。2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對負載的大幅度突變也有良好的抗擾能力。3）從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在 0. 1s內即可達到穩(wěn)定，可見 它的響應速度是非?？斓模@也是我們設計此系統(tǒng)的原因之一。3. 電流環(huán)頻域分析根據(jù)自動控制原理，頻域分析的特點是運用閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻域特性曲線來分析 閉環(huán)系統(tǒng)的響應及其性能，頻域分析的主要內容是畫Bode圖與

39、計算頻域性能指標由圖6-5得出電流環(huán)的頻域性能指標：幅值裕度：Gm =10.7dB;相角裕度：Pm = 46 5deg；幅值穿越頻率： Wcp =153.9906s J ；剪切頻率： Wcg =66.6105s 4。實際工程上，一般要求幅值裕度 Gm _6dB，相角裕度Pm 40deg。可見電流環(huán) 有足夠的穩(wěn)定裕量，其頻域性能是很好的。310W110W11轉速環(huán)Simulink動態(tài)結構圈U 6-3轉速環(huán)3IMJLIHK動蠱結枸團圖6-8轉速環(huán)階躍響應 Simulink曲線通過編程運行出的轉速圖如上圖，由圖6-8可以看到曲線單調上升，完全無超調， 并且在3s內達到穩(wěn)態(tài)。我們設計時要求超調小于10

40、%。這與設計要求吻合。2. 轉速環(huán)的抗擾性能的分析在分析了電流環(huán)的抗擾性能后， 再來分析一下轉速環(huán)的抗擾性能。一般來說，雙 閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性 能。主要是抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。按照圖6-7分別在擾動信號作用點2和3加階躍擾動信號后進行仿真，它們的階躍響應曲線如圖6-9a）和圖6-9b ）所示。階躍最大動態(tài)降落：二Cmax = -7.9最大動態(tài)降落時間：tp = 0.05s同理由圖6-9b）也可得到階躍擾動響應性能指標有：最大動態(tài)降落：Qmax = -24最大動態(tài)降落時間：t p = 0.049s由上面的仿真圖可以看出它的抗擾性能有如下幾點：1） 由于負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調節(jié)器ASR來產生抗負載 擾動的作用。負載擾動可以通過轉速反饋得到比較及時的調節(jié)，抗擾性能大有改善。2）同樣由上圖也可以看出系統(tǒng)對電網電壓的大幅度突變也有良好的抗擾能力。3） 從圖中還可以看出，當擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在0.3s內即可達到穩(wěn)定，可見 它