第三章 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析

1、第第3 3章章 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析態(tài)分析 本章主要內(nèi)容是對(duì)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，著重于閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過渡過程、基本控制規(guī)律以及動(dòng)態(tài)性能的分析討論。 3.1節(jié)分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性； 3.2節(jié)分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性； 3.3節(jié)討論轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自適應(yīng)控制及電流調(diào)節(jié)器自適應(yīng)控制問題。3.1 3.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 3.1.1 ASR 3.1.1 ASR為比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)為比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 將圖1-22中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)成比例調(diào)節(jié)器，就得

2、到采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下頁(yè)圖3-1所示。 圖圖3-1 采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1、設(shè) ，只考慮轉(zhuǎn)速給定作用，可求得單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為)1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmsOPKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllll) 1)(1(/)1)(1(/1)1)(1(/)(m2msespm2msespm2msespc式中，espCKKK/其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 111)(1)1(sm2sm3smespsKTTsKTTTsKTTTKCKKll(3-1)(3-2

3、)0)(sIL2 2、系統(tǒng)的穩(wěn)定條件、系統(tǒng)的穩(wěn)定條件系統(tǒng)的特征方程 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll它的一般表達(dá)式為 0322130asasasa式中， KTTTal1sm0KTTTal1)(sm1KTTa1sm213a（3-3）0000030213210aaaaaaaa，0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 式(3-3)的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 或 ssms)1()(TTKTTTTll整理后得lslmsmllTTTTTTTTTTTTKs2ssm)(（3-5） 式(3-5)等號(hào)右

4、側(cè)稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是系統(tǒng)能否正常工作的必要條件，這是在設(shè)計(jì)時(shí)必須首先保證的。 圖1-22中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)成比例積分調(diào)節(jié)器 ，簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器，就得到采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2所示。圖3-2 采用PI調(diào)節(jié)器的直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中， 其中，KPI 為PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)； 為PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)； 為微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)。ssKsKsWididPIiPIASR1)1()(iid 1 1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性 （1）系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)) 1(11)(2sTsTTCsTK

5、ssKsWmlmessididPIOP 依據(jù)圖3-2，設(shè) ,可求得系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)0LI（3-6）KsKsTTsTTTsTTTCsKKididsmidslmidslmeidsPI)1()()(/ )1(234KsKsTsTTsTsCsKKsTsTTCsTKssKsTsTTCsTKssKsWidmlmsideidsPImlmessididPImlmessididPIcl)1)(1(/ )1(1/11)1(11/111)(222（3-7）式中， 。esPICKKK/（2）系統(tǒng)的穩(wěn)定條件系統(tǒng)的特征方程為0)1 ()()(234KsKsTTsTTTsTTTididsmidslmidslm現(xiàn)列寫

6、勞斯表如下：4s3s2s1s0sidslmTTTidsmTT)(KidslmTTT)(idK)1( 0 slidslsmslTTTTKTTTT)1()( （KslsmslslmidslsmslTTKTTTTTTTKTTKTTTTK)1()()()1()()(1(2K0 根據(jù)勞斯判據(jù)可知，系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為00)()1()(10)1()(2KTTTKTTKTTTTKTTKTTTTslmidslsmslslsmsl）（ 由上式可知，當(dāng)K、 的組合滿足上式時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定。id 2.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 （1）起動(dòng)特性分析0ndIdcrIdmILI1t2tt圖3-3 帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程

7、 當(dāng)有電流截止保護(hù)，系統(tǒng)可以在階躍給定下直接起動(dòng)，圖3-3給出了系統(tǒng)的起動(dòng)波形。起動(dòng)之初，即圖3-3的0t1 段，電流負(fù)反饋被截止，系統(tǒng)中只有 和 Un 在起作用，此時(shí) 值較大，迅速上升到較大值，電樞電流也迅速上升并達(dá)到臨界電流。 *nUnnnUUU*dIdmILI 當(dāng)電流上升到大于Idcr后，電流負(fù)反饋開始起作用，限制電流的上升速度和最大值。另外，電流負(fù)反饋還能防止起動(dòng)電流過早衰減。 很明顯，它與理想起動(dòng)過程（見圖3-4）相比，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差。原因是，這種系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩沒有進(jìn)行有效的控制。0nnt圖3-4 調(diào)速系統(tǒng)理想起動(dòng)過程 （2）負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)過程 設(shè)負(fù)載電流為 IL1（IL1Id

8、cr ）時(shí)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行速度為n1 ，對(duì)應(yīng)的晶閘管整流裝置輸出電壓為Ud01 ，速度反饋信號(hào) ， ，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。如在t1 時(shí)刻，負(fù)載突然增加，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流由原來的IL1增至IL2（Idcr），引起電樞回路電阻上的壓降增大，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速反饋值Un 下降，系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)節(jié)偏差 ，PI調(diào)節(jié)器開始進(jìn)行調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)過程如下：*1nnUU 0UnnnUUU*1 此過程是靠整流電壓 的增加量去補(bǔ)償由于負(fù)載電流增大引起的那部分主回路電阻壓降 ，以使轉(zhuǎn)速回升。 此過程一直延續(xù)到轉(zhuǎn)速回升到原來的值 為止，此時(shí)又有 ， ，調(diào)節(jié)器停止積分。 nIUUnITdctnLLd0Ud0U)(12LL

9、IIR1n*nnUU 0U圖3-5 負(fù)載干擾時(shí)的調(diào)節(jié)過程此過程如圖3-5所示 但此時(shí)調(diào)節(jié)器輸出Uct 已不是原來的那個(gè)Uct1，而是利用這段時(shí)間產(chǎn)生的偏差積分值上升到新的值 Uct2 。整流電壓 Ud02 也是新的調(diào)節(jié)后的 Ud0 。以上的分析可以看出，無靜差只是在穩(wěn)態(tài)意義上的無差，在動(dòng)態(tài)過程中還是有差的。通常希望動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)速降 落 小一些，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程快一些（ Tv 小些）。maxn 綜上所述，采用積分作用，可以把調(diào)節(jié)過程中的偏差積累起來，穩(wěn)態(tài)時(shí)不再靠偏差來維持輸出值（ ），因而構(gòu)成了無靜差調(diào)速系統(tǒng)。積分作用雖然能消除誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。 然而采用PI調(diào)節(jié)器卻能兼顧比例控制和積分控

10、制的長(zhǎng)處，比例部分能迅速反映偏差，產(chǎn)生強(qiáng)迫的激勵(lì)電壓 ，使動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程加快；依靠積分部分作用最終消除靜態(tài)誤差。0nU0dU如果只考慮擾動(dòng)作用，圖3-1可以畫為圖3-6的形式。)(sIL1)s(eTR112sTsTTcmeme1sTKssASR)(sn 圖圖3-6 3-6 負(fù)載擾動(dòng)作用下單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖負(fù)載擾動(dòng)作用下單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1)當(dāng)ASR采用比例調(diào)節(jié)器（比例系數(shù)為 ）時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)是 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函為：pKespCKKKKsTsTTsTCsTsTRsIsnmemseseL) 1)(1() 1() 1()()(2（3-10）根據(jù)(3-10)可將 寫成)(snK

11、sTsTTsTCsTsTRsIsnmemseseL) 1)(1() 1)(1()()(2（3-11）sIsILL)( 突加負(fù)載時(shí)， ，利用拉氏變換的終值定理可以求出負(fù)載擾動(dòng)所引起的靜態(tài)速降為)1 ()(lim0KCRIsnsneLs（3-12） 由式（3-12）可知：ASR為比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為有靜差系統(tǒng)。 2)當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，eidPIsmemsideseLidCsKKsTsTTsTsCsTsTssIRsn) 1() 1)(1() 1)(1)()(2 突加負(fù)載時(shí)為0)(lim0snsns 上式再次表明，ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 前節(jié)討論

12、的單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由于不能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的有效控制，因而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不能令人滿意。通過本節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析可以知道，雙環(huán)系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，因此現(xiàn)代直流調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用這種轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)過多年的實(shí)踐，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)已成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析態(tài)分析 在許多工業(yè)部門中，有一類生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，其速度圖多為梯形或三角形（見圖3-7）。 3.2.1 快速系統(tǒng)與最佳過渡過程的概念快速系統(tǒng)與最佳過渡過程的概念圖 3-7 快速系統(tǒng)的速度圖

13、a)梯形速度圖 b)三角形速度圖 這類機(jī)械經(jīng)常要求電動(dòng)機(jī)過載或堵轉(zhuǎn)。屬于這類生產(chǎn)機(jī)械的設(shè)備有軋鋼廠的可逆初軋機(jī)、連軋機(jī)，以及其輔助機(jī)械，如壓下裝置、工作輥道、推床等等，此外機(jī)械加工中作往返運(yùn)動(dòng)的龍門刨床也屬于這類生產(chǎn)機(jī)械。這類生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的突出控制要求是：盡量縮短起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間，保證系統(tǒng)的快速性，因此通常把這類調(diào)速系統(tǒng)稱為快速系統(tǒng)。 根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程dtdnGDTTTLedD3752max)(LdmdmDIICTmaxedT式中，為最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。依據(jù)式(3-15)可求得 （3-15）DDTGDGDTdtdn22375375)(LdmdmDIICT將代入左

14、式，則有：1.最大電流為約束條件下的最佳起動(dòng)和制動(dòng)規(guī)律最大電流為約束條件下的最佳起動(dòng)和制動(dòng)規(guī)律（3-16）)(375)(37522LdmdededmLdmdmIICRRGDCCIICGDdtdn)(LdNdemIICTRdNIIdm（3-17）式中，Idm為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流；為電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)；IdN為電動(dòng)機(jī)額定電流。 式（3-17）表明: 當(dāng)負(fù)載電流IL為恒值、電動(dòng)機(jī)以最大允許電流 Idm起動(dòng)，可獲得最快起動(dòng)過程，稱這種起動(dòng)過程為最佳起動(dòng)過程或最快過渡過程。最佳起動(dòng)過程要求在起動(dòng)過程中保持電動(dòng)機(jī)電流為最大允許值Idm。若能在起動(dòng)中維持最大允許電流Idm恒定，則就能獲得一個(gè)線性起動(dòng)過程，轉(zhuǎn)速

15、n將隨時(shí)間t線性上升，根據(jù)式(3-17)可求得起動(dòng)中的轉(zhuǎn)速為：t)II(CTRnLdmdem（3-18） 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 時(shí)，應(yīng)立即停止加速，使 ，為此要求電動(dòng)機(jī)電樞電流從Idm下降到 IL，以使最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TD=0。求得起動(dòng)時(shí)間為n0dtdn)II(RCTntLdmdemr 暫且忽略主電路電感的影響，則起動(dòng)中電樞電壓平衡方程式為： RInCIEUdmdedmd0R將式(3-18)代入上式，則有RItTIIRUdmmLdm)(d0（3-19）（3-20）（3-21） 如圖3-8所示，轉(zhuǎn)速以零值為初值，按線性規(guī)律增長(zhǎng)；整流電壓Ud以 為初值按線性規(guī)律增長(zhǎng)；電流Idm 則是在起動(dòng)中維持恒定不變

16、。 RIdm圖3-8 最佳起動(dòng)和制動(dòng)過程中 I 、n和Ud的變化規(guī)律 dmIrtztRIdm0| ztdULIndmIdUddUUIn,0 2.2.最佳制動(dòng)過程最佳制動(dòng)過程 對(duì)于制動(dòng)過程，變流裝置必須為直流電動(dòng)機(jī)提供反向電樞電流，以產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了使制動(dòng)過程時(shí)間最短，應(yīng)使電動(dòng)機(jī)反向電流也為最大值，且在整個(gè)制動(dòng)過程中保持不變，同樣根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程：dtdnGDTTTLedD3752max求得減速度方程)(37537522LdmdmDIICGDGDTdtdn)(LdmdemIICTR（3-23）（3-22） 在制動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)反向最大電流保持不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)減速度為常數(shù)。在等減速制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)從

17、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速按線性規(guī)律降速，即tCTRIInndemLdm)( 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到零時(shí)，應(yīng)立即停止減速，使 ，為此要求電動(dòng)機(jī)電樞電流應(yīng)立即從反向最大電流值變到零，從而制動(dòng)轉(zhuǎn)矩消失，制動(dòng)時(shí)間為0dtdnR)II(CTntLdmdemZ(3-24)(3-25) 要保證上述最佳制動(dòng)過程所要求的轉(zhuǎn)速、電流變化規(guī)律，需要控制變流裝置輸出的逆變電壓 ，使之按一定規(guī)律變化。在不考慮主電路電感影響的情況下，制動(dòng)過程期間主回路電壓平衡方程式為dURIUEdmd將式(3-24)代入上式得：RInCRIEUdmdedmd(3-26)tTRIItTRIIRInCRItCTRIInCUmLdmtmLdmdmdedmdemLd

18、mdedZ0dU)()()(3-27)RInCUdmdetdZ0式中： 式中， 表示在 時(shí),逆變電壓 的值。 0ZtdU0ztdU 式(3-27)可知，最佳制動(dòng)過程要求變流裝置的逆變電壓 以 為初值按線性規(guī)律下降。 dU0ZtdU3.2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析分析 下面分析該系統(tǒng)的起動(dòng)過程和抗擾性能。 1.起動(dòng)過程分析起動(dòng)過程分析 雙閉環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)前處于停車狀態(tài)，此時(shí) ， ，整流電壓 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 。 當(dāng)突加階躍給定信號(hào) 后，系統(tǒng)便進(jìn)入起動(dòng)過程，其跟隨響應(yīng)波形如圖3-9所示。把整個(gè)起動(dòng)過程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)為、。0)(*nUn

19、0)(fnnU0ctU00dU0n)(*nUn 圖3-9（下頁(yè)續(xù)） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程動(dòng)態(tài)波形 圖3-9（接上頁(yè)） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程動(dòng)態(tài)波形 第階段為電流上升階段系統(tǒng)突加給定 后，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性較大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速反饋增長(zhǎng)較慢，因而，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)較大，其輸出很快達(dá)到飽和輸出限幅值 。這個(gè)電壓加在ACR的輸入端，作為最大電流的給定值，使ACR的輸出 首先靠比例部分 的作用 迅速增大，使變流器輸出的電樞*nUnnnUUU*imUctUiPUK iimiUUU*電流Id 迅速上升。隨著電流反饋信號(hào)Ui 的上升， 逐漸減少，ACR的輸出信號(hào)U

20、ct 的比例部分隨之逐漸減少，而積分部分逐漸積累增加。在比例和積分兩部分共同作用下，形成了如圖3-9所示的 波形。Uct的上升使整流電壓Ud0成比例增加，從而保證Id迅速上升，直到最大值Idm。當(dāng)， ， ，ACR的作用使Id不再迅速增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 iUctUdmdII *imiUU 在此階段中，當(dāng) 時(shí)， ，當(dāng) 后的一小段時(shí)間，轉(zhuǎn)速上升的較慢，在此階段轉(zhuǎn)速n數(shù)值較小。在 整個(gè)階段中，ASR因階躍給定作用而迅速飽和，而ACR一般不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，強(qiáng)迫電流 上升，并達(dá)到 。LdII 0nLdII10 tdIdmI 第階段 為恒流升速階段此階段從電流上升到 開始，一直到轉(zhuǎn)速

21、上升至給定值為止。在這個(gè)階段 ，ASR一直處于飽和狀態(tài)，輸出限幅值 不變，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值最大電流給定 作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 恒定。因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性上升，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個(gè)反電勢(shì)是一個(gè)擾動(dòng)量， 21ttdmI*nnUU *imU*imUdmI 它使電流 偏離 而減小，但這又使電流反饋信號(hào) 下降，出現(xiàn)下述調(diào)節(jié)過程：直到恢復(fù)至 值。 可見，在恒流升速階段，由于ACR的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，使整流電壓 和電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)E(即n)同步增長(zhǎng)，從而維持 dIdmIiUddctiimiidIUUUUUUIE0*)(dmI0dU常數(shù)R

22、nCUKREUIIectsddmd0 所以，電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的。同時(shí)，整流裝置輸出的最大整流電壓 應(yīng)留有余地，以保證提供足夠大的整流電壓，滿足調(diào)節(jié)能力的需要，這些都是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該予以考慮的問題。mdU0 第階段 以后為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值( )時(shí)， ， ，但由于ASR的積分作用，它的輸出值還維持在限幅值 上，所以，電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。超調(diào)后 ， ，即ASR輸入偏差值出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是ACR的給定電壓 從限幅值降下來，主回路電流 也隨之減小。 2t2tt *nnUU 0nU*imU*nnUU 0nU*iUdI 但是，

23、在 仍大于負(fù)載電流 的一段時(shí)間內(nèi)( )，轉(zhuǎn)速仍會(huì)繼續(xù)上升，直到 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載阻力下減速，直到穩(wěn)定(如果超調(diào)過大，轉(zhuǎn)速可能出現(xiàn)幾次振蕩之后才能穩(wěn)定)。在這一階段，ASR和ACR同時(shí)起作用，但轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用是主導(dǎo)的，它使轉(zhuǎn)速迅速趨近于給定轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)穩(wěn)定；dILI32 ttLdII 而ACR的作用是使電流 跟隨 的變化，即電流內(nèi)環(huán)為一個(gè)電流隨動(dòng)系統(tǒng)，所以電流環(huán)的作用是從屬的。 系統(tǒng)起動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差都為零。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： dIiU 飽和非線性控制。 隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完

24、全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡(jiǎn)單的用線性控制理論來分析整個(gè)起動(dòng)過程，也不能簡(jiǎn)單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速超調(diào)。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是允許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其它控制方法來抑制超調(diào)。 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過程、兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過程與理想起動(dòng)過程相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間

25、中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。 2.2.雙閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾性能分析雙閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾性能分析 下面介紹兩種典型擾動(dòng)引起系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。 (1)電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)作用于電流環(huán)內(nèi)，可以經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Id，維持電流為給定值。由于電流環(huán)的慣性遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)速環(huán)的慣性，調(diào)節(jié)速度快。發(fā)生電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)，在電流Id變化后即可調(diào)節(jié)。電流會(huì)較快地趨向于電流給定值，而不致引起較大的轉(zhuǎn)速變化，雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)調(diào)節(jié)及時(shí)，且所引起的動(dòng)態(tài)速降也比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 (

26、2)負(fù)載擾動(dòng) 拖動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載的變化，稱之為負(fù)載擾動(dòng)。雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)過程為： edddctinnnLedTIUUUUUUnTT0*0)(0)( 當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速不再下降，如圖3-10所示。 圖3-10 雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負(fù)載擾動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)過程 上述拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載為剛性負(fù)載，當(dāng)有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，速度閉環(huán)具有抑制擾動(dòng)的控制作用。但是實(shí)際中還存在質(zhì)量彈性系統(tǒng)，當(dāng)有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的就轉(zhuǎn)振動(dòng)。一般的雙閉環(huán)交、直流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)這種彈性負(fù)載擾動(dòng)不僅不能有效抑制，反而成為彈性機(jī)械系統(tǒng)機(jī)電振蕩的誘因。 3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及其轉(zhuǎn)速、電流兩雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及其轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用個(gè)調(diào)節(jié)器的

27、作用 (1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器為嵌套式串級(jí)結(jié)構(gòu) 電流閉環(huán)嵌套在轉(zhuǎn)速閉環(huán)之內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定。這種控制結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用各自獨(dú)立，互不干擾；在動(dòng)態(tài)過程中二者相互配合、協(xié)調(diào)工作，從而保證了閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。 (2)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。 2)對(duì)負(fù)載變化起抑制作用。 3)其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大

28、電流。 電流調(diào)節(jié)器的作用 1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電樞電流緊緊跟隨其給定值(即ASR調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。 2)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)能起到及時(shí)的抑制作用。 3)在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快了動(dòng)態(tài)過程。 4)當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載或者堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到快速的最大保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可能性。3.3 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)控制 3.3.1電流自適應(yīng)控制電流自適應(yīng)控制 1、電流斷續(xù)問題 在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電樞回路電感不是十分大，電動(dòng)機(jī)負(fù)載很輕時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電樞電流斷續(xù)現(xiàn)

29、象。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械特性與電流連續(xù)時(shí)相比有明顯的差異，同時(shí)，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及參數(shù)也發(fā)生了變化。 (1)電流斷續(xù)時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的變化 晶閘管整流裝置 。電樞電壓斷續(xù)將使晶閘管整流裝置的外特性變陡（如圖3-13），其等效內(nèi)阻 大大增加。recR 電流斷續(xù) 電流連續(xù) 圖3-13 晶閘管整流裝置的外特性 電動(dòng)機(jī)電樞回路當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于電感的存在。電動(dòng)機(jī)主回路是一個(gè)慣性環(huán)節(jié) 。因時(shí)間常數(shù)的存在，從整流電壓 的突變到平均電樞電流 的響應(yīng)不可能瞬時(shí)完成，而是如圖3-14a那樣漸變到穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于電感對(duì)電流的續(xù)流作用在一個(gè)波頭內(nèi)就已經(jīng)結(jié)束了，每個(gè)波頭結(jié)束時(shí)電流都變化到零，使整流電壓波形中導(dǎo)通

30、的負(fù)面積部分減小，如圖3-14b，平均電壓突變后，下一個(gè)波頭的平均電流也立即隨電壓變化。11sTRl0dUdI圖3-14 電流連續(xù)和斷續(xù)時(shí)的輸出響應(yīng) a) 電流連續(xù) b)電流斷續(xù) 因此，從整流電壓與電流平均值的關(guān)系上看，相當(dāng)于 ，也就是說，平均整流電壓與平均整流電流之間的關(guān)系，電流連續(xù)時(shí)是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時(shí)就成為比例環(huán)節(jié)了。 0lT (2) 電流斷續(xù)對(duì)系統(tǒng)的影響 電流連續(xù)時(shí)，電流環(huán)的調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)延遲環(huán)節(jié)（用小慣性環(huán)節(jié)代替）和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)為 ，針對(duì)此對(duì)象選擇的電流調(diào)節(jié)器為：111sTRTKlssssKsWiiiACR) 1()(（3-29） 使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。但是，

31、當(dāng)電流進(jìn)入斷續(xù)區(qū)后，電流環(huán)的調(diào)節(jié)對(duì)象為： 即由原來的一個(gè)小慣性 與一個(gè)大慣性環(huán)節(jié) 串聯(lián)，變成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)比例環(huán)節(jié)串聯(lián)，并且，放大倍數(shù)大大減小，即 ，使系統(tǒng)過渡過程時(shí)間顯著變長(zhǎng)。ss11RTK/1SsKT 1/1lR TsRKRKss 2. 電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器 （1）電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器 假定電流環(huán)其他部分傳遞函數(shù)都沒有變化，則電流斷續(xù)后電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 應(yīng)滿足下式關(guān)系： 式中 是按電流連續(xù)情況設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)器。 )(/sWACR/11)(111)(RTKsWsTRTKsWssACRlssACRssKsWiiiACR) 1()(3-30)(/sWACR 取 ； 是電流斷續(xù)后

32、的新的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù),則sTKKsRRRKKKKsTRRssKKKsTRRsWsWsssiissssliiisslACRACR111) 1(1)()(/liT)(/sWACR (3-31) 系統(tǒng)電流連續(xù)時(shí)，采用上式形式的電流調(diào)節(jié)器則能使電流連續(xù)時(shí)電流閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)和電流斷續(xù)時(shí)電流閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)形式完全一樣，只是放大倍數(shù)略有差異(某些電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器可以使此差異很小)。圖 3-15 PI/I電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖 實(shí)現(xiàn)上述要求的電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器必須能自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)電流連續(xù)時(shí)的PI到電流斷續(xù)時(shí)的I調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換，其原理圖如圖3-15所示。 傳遞函數(shù)為： 由上述分析可以看出，此調(diào)節(jié)器能適應(yīng)電流的變

33、化，而自動(dòng)改變自己的數(shù)學(xué)模型，保證了系統(tǒng)在電流斷續(xù)時(shí)與連續(xù)時(shí)具有同樣的動(dòng)態(tài)特性，克服了電流斷續(xù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的不良影響。sssKss)s(K)s(U)s(U)s(Uididididididi*ict122323221111(3-32) (2)具有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)系統(tǒng) 圖3-16是具有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖3-16 具有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，它的工作情況同一般的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)完全一樣；當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器能自動(dòng)切換為I調(diào)節(jié)器，從而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能保持不變，消除了電流斷續(xù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。 3.3.2 轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)速器轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)速器 轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的引入 帶有磁場(chǎng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，在基速以上調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升要求磁通從額定值開始呈非線性減弱；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，又要求磁通作非線性增強(qiáng)。磁通的變化將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有參數(shù)變化，因而系統(tǒng)原有的動(dòng)態(tài)參數(shù)整定值不能確保設(shè)計(jì)要求的預(yù)期特性，為此必須設(shè)法消除磁通變化帶來的不良影響，其具體的措施是引入轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 為說明轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié)的含義，還要從轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)入手討論。圖3-17是轉(zhuǎn)速、電流雙