雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)

1、 皖 西 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)系 別：機(jī) 電 學(xué) 院專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名：桂邯鄲 學(xué) 號(hào)：2013011286課程設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速起 迄 日 期: 6 月 13日 6月 24日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn):機(jī)電學(xué)院實(shí)驗(yàn)室指 導(dǎo) 教 師:汪 明 珠下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2016年6月13日摘 要：許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳

2、動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限

3、制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程。隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動(dòng)裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)調(diào)速，因此我們就要對(duì)這樣的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主

4、電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制環(huán)，系統(tǒng)現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì)Abstract：Many production machinery requirements within a certain range of speed smooth adjustment, and has good steady-state and dynamic performance. Dc speed regulation system and wide speed range, small static rate, good st

5、ability and good dynamic performance, in the field of high-performance drive technology, a long period of time almost all adopt dc electric drive system. Double closed-loop dc speed regulating system is the most mature dc speed control system in the development and wide application of power transmis

6、sion system. It has the advantages of fast dynamic response, strong anti-jamming capability. We know that feedback closed loop control system has good disturbance resistance, it is for the feedback loop were all can effective to restrain disturbance. Using negative feedback of rotation speed and the

7、 single closed-loop speed control system of PI regulator may be guarantee conditions for the robust stability of the system to achieve speed astatic. But if the system dynamic performance of the demand is higher, such as requiring a small braking and sudden load dynamic downhill, etc., single closed

8、 loop system is difficult to meet the requirements. This is mainly because in a single closed-loop system can't completely according to the need to control the dynamic process of current and torque. In a single closed-loop system, only by the current negative feedback link is specially used to c

9、ontrol the current. But it is only after more than the critical current value, the impact of the strong negative feedback effect of limiting current, is not very ideal control current dynamic waveform. In the practical work, we hope that under the condition of motor current biggest limit, make full

10、use of the machine allows the overload capacity, the best is always in the process of excessive current (torque) to allow maximum value, make the electric drive system with maximum acceleration start as far as possible, after arrived at steady speed, and let the current down immediately, make torque

11、 and load balance immediately, thus to steady state operation. At this point, the starting current square waveform and speed is linear growth. This is the biggest moment of the electrical flow under the condition of speed control system can get the fastest startup process. With the continuous develo

12、pment of socialized production, power transmission device is widely used in modern industrial production, the production process, the requirement of increasing the quality of the product, which requires more and more production machinery to realize braking speed, so we will be the automatic speed co

13、ntrol system of such some understanding and further research. The topic of this design is double closed-loop thyristor irreversible dc speed regulating system, including the main circuit and control circuit. Main circuit is composed of thyristor, control circuit mainly by the detection circuit, driv

14、e circuit, detection circuit and includes speed detection and current detection.Keywords：Double closed loop control system, speed control loop, the system present situation, development trend目 錄1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理11.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹11.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成21.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性41.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型62調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)102

15、.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則102.2 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較112.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)122.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)163 Simulink仿真203.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)21致謝23參考文獻(xiàn)241 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

16、要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(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1 調(diào)速系

17、統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖1-（b）所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可

18、以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔迷诓煌碾A段。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖2所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)

19、；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無(wú)靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖中U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR電流調(diào)節(jié)器；TG測(cè)速發(fā)電機(jī)；TA電流互感器；UPE電力電子變換器1.3 雙閉環(huán)直流

20、調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖3：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時(shí)總是為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)

21、器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說(shuō)，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：= （1-3）其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。

22、這樣是下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來(lái)。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖5：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

23、框圖1.4.2 起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如圖28所示。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成、三個(gè)階段。圖6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)（n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，這時(shí)，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當(dāng)增加到（負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的

24、輸出很快達(dá)到限幅值，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值（在這過(guò)程中的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即 （1-3）式中，電流反饋系數(shù)。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來(lái)整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不

25、應(yīng)該飽和。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來(lái)，也隨之降了下來(lái)，但是，由于仍大于負(fù)載電流，在開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中ASR與ACR同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨

26、ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為 （1-4）ACR的輸出電壓為 （1-5）由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過(guò)程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過(guò)程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)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

27、非線形控制：隨著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)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來(lái)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。（2）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)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。（3）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(chēng)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(guò)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(guò)程、兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全

28、部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱(chēng)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)控制中得到普遍應(yīng)用。2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)2.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問(wèn)題：1 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；3 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問(wèn)題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的

29、方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式；5. 適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類(lèi)型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.2 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為： 根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱(chēng)為0型、型、型系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差

30、的，而型及型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-1） （2-2）一般說(shuō)來(lái)典型型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?，在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問(wèn)題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差是最根本的要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts和電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi

31、一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi。這樣，經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，同理，經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象形如式(2-1)。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成PI型調(diào)節(jié)器，如下式所示: （2-3）2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.3.1 結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)和結(jié)構(gòu)的選擇在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即DE0。這時(shí)，電流環(huán)如圖7所示。 圖7 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：式中-電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止

32、頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 圖8a 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖8圖8b 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理2.3.2 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算直流電機(jī)參數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T=Ts+Toi=0。0017s +0。002s =0.0037s電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)

33、2.3.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要求電流無(wú)靜差，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 （2-5）式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。2.3.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：ti=Tl=0.0

34、7s。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i5%時(shí)，應(yīng)取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：2.3.5 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1；晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件： 滿足近似條件電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足近似條件2.3.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容圖9 PI型電路調(diào)節(jié)器的組成按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為：2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為用電流

35、環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成U*n(s)/a，再把時(shí)間常數(shù)為1 / KI 和 T0n 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)圖10 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖為圖11圖11 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖2.4.2 確定時(shí)間常數(shù)1、電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由電流環(huán)參數(shù)可知KITi=0.5，則2、轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可