基于雙閉環(huán)控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于雙閉環(huán)控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要伴隨科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)機(jī)有關(guān)的控制技術(shù)發(fā)展也與時(shí)俱進(jìn)，電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)用領(lǐng)域在現(xiàn)實(shí)生活中的許多領(lǐng)域，也起到了不可或缺的作用。而其中直流電 機(jī)更是憑借它快速的反應(yīng)度、精準(zhǔn)的調(diào)速性能、極低的功耗和寬闊的調(diào)速范圍等 優(yōu)點(diǎn)在整個(gè)調(diào)速控制系統(tǒng)中獨(dú)占鰲頭。在直流電動(dòng)機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)中，開(kāi)環(huán)性能指標(biāo)差，為此有必要對(duì)這些性能進(jìn) 行修正改善，經(jīng)過(guò)大量的研究和實(shí)踐證明，可采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于調(diào)速性能 要求一般的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)高的，則采用多閉環(huán)系統(tǒng) 1o根據(jù)引回的反饋量的性質(zhì)可大致分為電壓反饋，電流反饋，轉(zhuǎn)速反饋等。在 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，習(xí)慣采用電流、轉(zhuǎn)

2、速閉環(huán)控制C采用雙閉控制調(diào)速系統(tǒng)可以做到 無(wú)差調(diào)節(jié)，且性能優(yōu)越，尤其在很多高精尖技術(shù)中運(yùn)用廣范，這使得對(duì)它的研究 具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先論述直流調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀和背景，討論研究該系統(tǒng)的重要意義，然 后，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，最后，在理論研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)要求的 數(shù)據(jù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出合理的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。理論上完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，將對(duì)所 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，得出仿真結(jié)果，并分析所得結(jié)果與理論值的異 同，找出系統(tǒng)中不合理的環(huán)節(jié)和參數(shù)，進(jìn)行校正和必要的處理，并最終得出符合 要求的系統(tǒng)模型。為突出該系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)，將會(huì)對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與其它 調(diào)速系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和單閉環(huán)調(diào)速系

3、統(tǒng)）進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能，直流電機(jī)，雙閉環(huán)，靜差，MATLABHABSTRACTAlong with the rapid development of science and teclmology, related to motor control technology development is also advancing with Tlie Times, the motor application in many fields in real life, it also plays an indispensable role. And the DC motor is relyin

4、g on its quick response and accurate perfonnance of speed and low power consumption and wide speed range, etc in the speed regulation control system.hi a DC motor speed regulation system, open loop perfonnance is poor, therefore it is necessary to be revised to improve the perfonnance of these, afte

5、r a lot of research and practice has proved, can adopt the closed loop speed regulation system. For speed control perfonnance requirements in general situation, adopt single closed loop conhol system, and high speed control indexes, tlie multi closed loop system. Habit in tlie double closed loop sys

6、tem, using current and speed closed loop control. Speed control system with double closed control can be clone witliout a再u(mài)stment, and superior performance, especially in many advanced teclmology used in broader range, this makes the study of it has higli practical significance.First of all, the pap

7、er discusses tlie present sihiation of DC speed regulating system and background, researching significance of tliis system, and then, theoretical analysis was canied out on the double closed loop speed regulation system, and finally, on tlie basis of tlieoretical research, according to tlie requirem

8、ents of the data paraineter, design a reasonable double closed-loop DC speed regulating system. After finishing the system design, to system design by MATLAB simulation, the simulation results, and analyzes the similarities and differences between the results with the tlieoretical value, and find ou

9、t the unreasonable links and in the system parameters, calibration and the necessary processing, and eventually concluded tliat coiifonn to tlie requirements of system model. To liigliliglit the advantages and disadvantages of tlie system and will with other speed regulation system of double closed

10、loop DC speed control system (open loop speed control system and a single closed-loop speed control system).Keywords: Steady state performance, direct-current motor,Double closed loop, MATLAB摘要nABSTRACTin1緒言1.1 課題背景及現(xiàn)狀11.2 課題研究意義21.3 雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速概況31. 4 MATLAB 簡(jiǎn)介41.5課題設(shè)計(jì)內(nèi)容42雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1 直流電動(dòng)機(jī)52.2 雙

11、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成62.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理62.4 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速72. 4.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)72. 4.2直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)83雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)3.1 靜態(tài)性能指標(biāo)93.2 雙閉環(huán)控制的性能指標(biāo)113.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)133.3.1 可控硅整流裝置的數(shù)學(xué)模型133.3.2 電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)143.3.3 測(cè)速發(fā)電機(jī)和比例放大器的傳遞函數(shù)1533.4電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)的模型163.3.5雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型174雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的崢差分析4.1 典型系統(tǒng)18III4.1.1 典型I型系統(tǒng)184.1.2 典型II型系統(tǒng)204.2 雙閉環(huán)調(diào)速系

12、統(tǒng)的靜差分析225雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)255.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)275.3 對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運(yùn)算295.3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算305.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算316.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真346.1.1 電流環(huán)的仿真346.1.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真406.2 單、雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真比較456.2.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真456.2.2 兩種調(diào)速系統(tǒng)的比較466.3 雙閉環(huán)與開(kāi)環(huán)的比較476.4 小結(jié)49總結(jié)與展望50致謝51參考文獻(xiàn)52#1緒言1.1 課題背景及現(xiàn)狀從廣泛的角度來(lái)看，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該是當(dāng)代電力拖動(dòng)以及H動(dòng)控制 系統(tǒng)當(dāng)中從起步和發(fā)展到成熟較早的技術(shù)。電力電子

13、技術(shù)發(fā)展起步于二十世紀(jì) 五、六十年代，它的發(fā)展得益于現(xiàn)代傳感器原理的發(fā)展、電氣中的傳統(tǒng)電子技術(shù)、 自動(dòng)控制原理的理論技術(shù)、微型電子技術(shù)運(yùn)用和微型機(jī)算機(jī)在應(yīng)用領(lǐng)域的投入的 飛速發(fā)展和可觀成果。因?yàn)檫@些技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用造就了直流調(diào)速系統(tǒng)滄海桑田 的改變。這直接導(dǎo)致電能變換和控制成為現(xiàn)實(shí)，促使現(xiàn)今各種節(jié)能的、高效的新 型電源和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)裝置的問(wèn)世叫 在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸甚至家庭自動(dòng)化提 供了可靠的、先進(jìn)的技術(shù)，改善了生產(chǎn)效率，提高了人們的生活質(zhì)量，使得社會(huì) 生產(chǎn)、生活方式發(fā)生了質(zhì)的變化，伴隨著新型高性能電力電子器件的深入研究和 全面開(kāi)發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的完善，電力電子以及電力拖動(dòng)控制裝置的性能也不

14、 斷優(yōu)化和提高，這種變化帶來(lái)的影響在不斷的增加，并且會(huì)越來(lái)越大。門(mén)從1964年人們提出將PWM技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)傳動(dòng)當(dāng)中開(kāi)始，電機(jī)傳動(dòng)的推 廣發(fā)展進(jìn)入到了新的王朝。步入近代以來(lái)，小體積、耗電少、低成本、高速、高 性能、安全穩(wěn)定的集成化電路隨著規(guī)模的增大已經(jīng)市場(chǎng)化了，這就將直流電機(jī)的 控制放到了一個(gè)全新的時(shí)期。微型處理器運(yùn)用到數(shù)字控制中并作用在目前傳動(dòng)系 統(tǒng)中用于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制中。一般地，PWM協(xié)同橋式驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)直 流電機(jī)調(diào)速，十分方便并且簡(jiǎn)單，更為重要的一點(diǎn)是它的調(diào)速區(qū)間也很長(zhǎng)。目前，世界上對(duì)宜流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)方面的研究和發(fā)展也隨著科技的發(fā)展 而越來(lái)越深入，并取得了可觀的成績(jī)。在國(guó)內(nèi)，

15、從上世紀(jì)中后期后開(kāi)發(fā)首種硅晶閘管開(kāi)始，運(yùn)用晶閘管的直流電動(dòng) 機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)也獲得全速的發(fā)展和一至的應(yīng)用?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多院校、科研單位和 廠家都在進(jìn)行數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，提出了許多關(guān)于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制 算法，多單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究也提出了很多觀點(diǎn)和看法，如直流電動(dòng)機(jī)及 直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)辯識(shí)的方法，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)模控制方法、模糊控 制方法等，這些研究方法也只是對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)研究的一個(gè)側(cè)面，很多科研人員 對(duì)此進(jìn)行了不同程度的研究叫在國(guó)外，科技整體起步和發(fā)展都要比我國(guó)早很多，有的技術(shù)方面甚至超過(guò)了 同百年或者好幾代，在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方面也一樣，國(guó)外電機(jī)出現(xiàn)就比我國(guó)早一 百多年，其控制

16、更長(zhǎng)。現(xiàn)在，它們的電機(jī)控制技術(shù)已相當(dāng)成熟并且與實(shí)際運(yùn)用得 十分完美，它們開(kāi)發(fā)研究了很多新型產(chǎn)品，在世界上據(jù)著統(tǒng)治地位。如西門(mén)子公 司生產(chǎn)的SIMOREGK 6RA24系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字 控制裝置閭，其結(jié)構(gòu)緊湊，用于直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁供電，完成調(diào)速任務(wù)，裝置 本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其它任何附加設(shè)備便可以完成參數(shù)設(shè)定閭。所有 控制調(diào)節(jié)監(jiān)控及附加功能。由微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量 或模擬量習(xí)。1.2 課題研究意義雖然雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)以其先進(jìn)性在許多方面被應(yīng)用，承擔(dān)著非常重要的 作用，但它仍然是優(yōu)劣共存。雙閉環(huán)直流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)在于具有很好的調(diào)速性能， 具

17、有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能以及易于在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 更重要的是它能做到無(wú)差調(diào)速舊。我們所說(shuō)的閉環(huán)，其中最大最熟知的環(huán)節(jié)就是 一個(gè)反饋，它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵一部，之所以叫閉環(huán)，就是因?yàn)榉答亴⑤敵鰜V接 到了輸入中，使得整個(gè)系統(tǒng)變成一個(gè)封閉式的結(jié)構(gòu)了，輸入在輸出，而輸出乂反 過(guò)來(lái)在影響輸出，在動(dòng)態(tài)中找到一個(gè)合適的結(jié)果。因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán) 控制系統(tǒng)具有提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自 動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中口。在雙閉環(huán)整個(gè)環(huán)節(jié)中，做到了同時(shí)將電流和轉(zhuǎn)速成功引回這一 點(diǎn)，使其更加具有超凡的優(yōu)越性。當(dāng)然了，任何事情有利就有蔽，調(diào)速系統(tǒng)也一樣，在成功引入反饋?zhàn)饔煤螅?

18、在帶來(lái)典型優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，你比如說(shuō)造價(jià)昂貴、護(hù)理極其 不方便、整個(gè)結(jié)構(gòu)都比較繁雜等。除此之外，在采用封閉式系統(tǒng)后，還會(huì)帶來(lái)另 外一些問(wèn)題，譬如說(shuō)，有很大的過(guò)載電流的出現(xiàn)，對(duì)于一般電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它們都 有一個(gè)能允許的最大電流值的，一旦超過(guò)這樣臨界值，電動(dòng)機(jī)就有損環(huán)的可能， 重則更可能危及人的生命，所以這一問(wèn)題就有必要在運(yùn)行使用前加以解決，當(dāng)然 這也是電路中常見(jiàn)的問(wèn)題，并不難處理，我們經(jīng)常用的方法就是加一個(gè)限流器， 這樣就能限制電樞中過(guò)高的電流了。而我們?cè)谝腚娏髫?fù)反饋環(huán)節(jié)時(shí)，它本身也 能夠在一定程度上保持電流不變，使它不跨越允許值。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋構(gòu)成的雙閉

19、環(huán)控制系統(tǒng)。研究 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，就需研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)板的各個(gè)組成部分，并研究 各個(gè)組成部分的各自功能以及配合使用時(shí)的相互影響與限制。在直流調(diào)速系統(tǒng) 中，為了得到更高的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用負(fù)反饋控制系統(tǒng)。而對(duì)于調(diào)速性 能有很高要求的調(diào)速系統(tǒng)常常是利用直流電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，在系統(tǒng)中則可利用轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋來(lái)增加穩(wěn)態(tài)精度，但是采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際上仍存在著 靜差，為消除除差，必須另有措施，解決辦法之一就是利用比例積分調(diào)節(jié)器取代 比例調(diào)節(jié)器網(wǎng)。在很多年以來(lái)，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題早就獨(dú)樹(shù)一幟了。直流機(jī)以其非常 優(yōu)越的的線性可調(diào)特性，優(yōu)異完美的動(dòng)態(tài)特性，可觀的效率，方便簡(jiǎn)單的控制性

20、 能，到目前止仍然牢牢的掌握著人們的需求。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有 著非常重要的意義，而雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)使其重要的部分。利用直流調(diào)速控制 電機(jī)，既能夠節(jié)約能耗，也能夠使電機(jī)輸出達(dá)到需要的結(jié)果，從而提高電機(jī)效率。 通過(guò)研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以達(dá)到提高系統(tǒng)效率，提升系統(tǒng)精確度的目的， 對(duì)于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有很大的意義。1.3 雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速概況從整體上來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（后面簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）是由轉(zhuǎn)速 反饋環(huán)和電流反饋環(huán)組成，他實(shí)現(xiàn)了在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的同時(shí)也能使電流按照理想 要求變化，其原理圖如圖L1。+圖11雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理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)T

21、A電流互感器UPE電力電子變換器對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，起、制動(dòng)過(guò)程經(jīng)濟(jì)效益明顯，那么在此過(guò) 程中就希望始終能夠保持電流最大值，使能得到最大的加速度。而在生活實(shí)際中, 電流是不可能突變的，為了能在允許的電流下最快起、制動(dòng)，關(guān)鍵在于如何得到 一段保持最大電流的恒電流過(guò)程。這就是利用反饋控制規(guī)律的重要原因和作用。 當(dāng)然它也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的問(wèn)題，因?yàn)槲覀兿Ｍ谄饎?dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋而沒(méi)有 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后乂只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋而沒(méi)有電流反饋網(wǎng)。1.4 MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB開(kāi)發(fā)和研究是美國(guó)matliwoiks公司完成的，它的作用主要是進(jìn)行 數(shù)據(jù)運(yùn)算、程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，并為它們擔(dān)供一種

22、先進(jìn)的運(yùn)算處理環(huán)境。它將線性 計(jì)算、理論數(shù)據(jù)視圖化、數(shù)據(jù)分析、不規(guī)則動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的理想建模和仿真以及數(shù)據(jù) 精準(zhǔn)模擬等一大批強(qiáng)大功能塊集成于一個(gè)容易使用的可視窗口環(huán)境中，為理論研 究、項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及有大量數(shù)據(jù)計(jì)算并須要得到有效數(shù)值的各科研領(lǐng)域提供了一種 全新的、合理的、滿足要求的實(shí)行方案，并大范圍的刪除了對(duì)習(xí)慣上的各種非交 互式的程序設(shè)計(jì)方法（譬如Foman、C）中所必須的各種編輯模式的依賴，它是 當(dāng)今國(guó)際高科技計(jì)算軟件的龍頭工具。MATLAB是四大數(shù)學(xué)（其它三個(gè)分別為Maple、Mathematical MathCAD ） 工具之一。與此同時(shí)，它也在各物理、數(shù)學(xué)類尖端技術(shù)使用軟件中的數(shù)據(jù)運(yùn)算及 模擬

23、等方面一枝獨(dú)秀。MATLAB可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值和函數(shù)的精確繪制、直線式矩陣 的運(yùn)算、完成和實(shí)現(xiàn)算法、溶合其它程序設(shè)計(jì)的程序、搭建用戶窗口等，主要運(yùn) 用于系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、項(xiàng)目計(jì)算、信號(hào)觀測(cè)與解釋等領(lǐng)域。矩陣是MATLAB的最 基本數(shù)據(jù)單元，它使得MATLAB的指令表達(dá)方式與數(shù)學(xué)、物理運(yùn)用工程中經(jīng)常 運(yùn)用到的方式十分類似，因可此用MATLAB來(lái)計(jì)算問(wèn)題會(huì)比用其它各類類似功 能的語(yǔ)言來(lái)得簡(jiǎn)便快捷得多，并且MATLAB同時(shí)也吸收了其它眾多的軟件的優(yōu) 點(diǎn)，使之成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)用軟件。更重要的是，在最新版本中，MATLAB 加入了對(duì)C, C+, JAVA等語(yǔ)言的支持，可以對(duì)它們進(jìn)行直接的調(diào)用，而且用 戶還可以

24、把自己動(dòng)手編寫(xiě)出來(lái)的有效且經(jīng)常會(huì)用到的程序插入到MATLAB的庫(kù) 函數(shù)中，這樣一來(lái)，在下次自己要用時(shí)就以方便的調(diào)取出來(lái)，節(jié)省時(shí)間。1.5 課題設(shè)計(jì)內(nèi)容在我這一設(shè)計(jì)中，控制對(duì)象當(dāng)然是直流電動(dòng)機(jī)，用習(xí)慣中的PI控制方法對(duì) 雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)、性能對(duì)比和仿真，在此基礎(chǔ)之上，還會(huì) 對(duì)我所設(shè)計(jì)的整體方案的合理性進(jìn)行探討。我在這次設(shè)計(jì)中主要對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行 了細(xì)致工作：1）在系統(tǒng)整體方案的勾畫(huà)和設(shè)計(jì)前，對(duì)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理 和方法進(jìn)行了學(xué)習(xí)和了解，并對(duì)它的主要特性和組成進(jìn)行了綜合分析并咨詢了老 師，確定雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的工作條件，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。2）在基本原理的基

25、礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)學(xué)模型著手穩(wěn)定性分析。3）對(duì)系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并選擇合適的數(shù)據(jù)。4）利用SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)果仿真并對(duì)其中的上升時(shí)間作分析和調(diào)整。5）與開(kāi)環(huán)、單閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行比較。2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理我們所說(shuō)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通常是指的轉(zhuǎn)束、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以下簡(jiǎn) 稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)均是此意，特作說(shuō)明。2.1直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)，所謂調(diào)速就是針對(duì)電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以有必要對(duì)其性能做一定介紹。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的制 動(dòng)、起動(dòng)特性，合適用在大范圍上的平滑調(diào)速，在許多需要寬范圍調(diào)速和要求快 速正反轉(zhuǎn)的電機(jī)拖動(dòng)控制的區(qū)域中得到普遍應(yīng)用。其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可根據(jù)電

26、機(jī)知識(shí)近 似表示為：U-IR人可 （1）式中，" n指轉(zhuǎn)速（r/min）U指電樞電壓（V）I指電樞電流（A）R指電樞回路總電阻（。）指勵(lì)磁磁通（Wb）凡指電動(dòng)勢(shì)常二由式上式不難理解針對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)整所能采取的三種措施為：1）調(diào)節(jié)電樞電壓2）減弱勵(lì)磁磁通3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻很明顯，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)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方 式最好，減弱磁通能夠平滑調(diào)速卻受調(diào)速范圍限制，一般只作輔助調(diào)速，而用電 阻調(diào)速只能做到有級(jí)調(diào)速，因此，直流調(diào)速以變壓調(diào)速為主，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式 為：ud = K5Uc（1.2）由上討論知，對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)際上是對(duì)電樞電壓的調(diào)節(jié)，這就是之后雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)

27、的基礎(chǔ)之一。而在實(shí)際生產(chǎn)中，另有一些情況對(duì)電樞電流有嚴(yán)格要求， 這就有了電流反饋參與調(diào)節(jié)，形成轉(zhuǎn)速、電流組成的雙閉環(huán)調(diào)速的兩大基礎(chǔ)，這 將在后面詳細(xì)闡述，此處不作說(shuō)明。2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 并引入轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋。為了分別使轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)起作用，就引入兩個(gè)調(diào)節(jié) 器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流上，二者之間進(jìn)行嵌套 （或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖2.1所示將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié) 器ACR的輸入，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器UPE。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上來(lái)看，電流環(huán)作內(nèi)環(huán)嵌套在里面一層；轉(zhuǎn)速環(huán)作為外

28、環(huán)聯(lián)接在電流環(huán)外部。這 樣就得到了我們常見(jiàn)的電流、轉(zhuǎn)速組成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。圖2 1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 U ：-電流給定電壓 TG測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器UPE電力電子變換器 Ui電流反饋電壓U：轉(zhuǎn)速給定電壓ACR電流調(diào)節(jié)器Un轉(zhuǎn)速反饋電壓2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理在實(shí)際中，我們可以將轉(zhuǎn)速通過(guò)連桿與我們要控制的電動(dòng)機(jī)連接在一起，這 樣，當(dāng)所控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)以同樣大小的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，盡 而可以在不知道轉(zhuǎn)速實(shí)際大小的情況下就將其引入了反饋中，再引入一個(gè)比例系 數(shù)串在測(cè)速電機(jī)后，就可將輸出的的處理信號(hào)引入到輸入端，然后將給定值同引 入的

29、處理信號(hào)作對(duì)比。后面就是我們熟知的環(huán)節(jié)了，將比對(duì)結(jié)果引入放大環(huán)節(jié)以 得到我們想要的用來(lái)控制電流環(huán)的電壓。將這個(gè)電壓作為電流環(huán)的輸入，電流環(huán) 輸出則通過(guò)單向?qū)ǖ亩O管反饋輸入信號(hào)處，最終達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的 11O其中的放大環(huán)節(jié)，我們有很多選擇，其中一種方法就是采用集成實(shí)現(xiàn)，這對(duì) 電路來(lái)說(shuō)，并不是難事。主電路選擇用可控整流器根據(jù)需要來(lái)設(shè)置對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸 入供給，二極管可以直接采用習(xí)慣中常用的二極管即可。所以，具體原理圖如圖 2.2：圖2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.4 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速2. 4.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)常用的直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有三種：接入變阻器起動(dòng)：降壓起動(dòng)： 直接起動(dòng)口

30、21。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，起、制動(dòng)過(guò)程經(jīng)濟(jì)效益明顯， 那么在此過(guò)程中就希望始終能夠保持電流最大值，使能得到最大的加速度口引。 而在生活實(shí)際中，電流是不可能一下子變化的，為了能在合理的電流下最快制、 起動(dòng)，關(guān)鍵在于如何得到一段保持最大電流的恒電流過(guò)程。這就是利用反饋控制 規(guī)律的重要原因和作用。當(dāng)然它也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的問(wèn)題，因?yàn)槲覀兿Ｍ谄饎?dòng)過(guò)程 中只有電流負(fù)反饋而沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后乂只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋而沒(méi) 有電流反饋口汽為了達(dá)到這一目的，我就引入了反饋，其中理想的起動(dòng)圖如圖2.3。圖23理想起動(dòng)的過(guò)程2. 4.2直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)是用以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常

31、希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能 在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)口習(xí)。直流電 動(dòng)機(jī)在這些方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。由式（1.1）知，要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的三種方 法：1）調(diào)節(jié)電樞電壓2）減弱勵(lì)磁磁通3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻其中，對(duì)于要求在某一給定范圍上做線性調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以電樞電壓改變的方 式最佳，用電阻和減弱磁通的方式一般只作輔助調(diào)速，因此，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控 制以改變電壓調(diào)速這一形式為主，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：ud = K5uc（2.1）由上討論知，對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)際上是對(duì)電樞電壓的調(diào)節(jié)，此處再說(shuō)明一次。73雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)3.1靜態(tài)性能指標(biāo)（1）靜差率當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)控在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系

32、統(tǒng)從理想空載轉(zhuǎn)速n。至額定的負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降落了 A11N與理想空載轉(zhuǎn)速口0之比，叫做靜差率s口叫即：】N叱(3. 1)用百分?jǐn)?shù)可表示為:-xlOO% %(3.2)（2）調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，提供的最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度n2t與最低運(yùn)轉(zhuǎn)速度口m之比，稱為調(diào)速范圍，用符號(hào)D表示，EP：(3.3)式中“口3指額定的負(fù)載最低轉(zhuǎn)速，I】a指額定的負(fù)載最高轉(zhuǎn)速”（3）靜差率與調(diào)速范圍之間的關(guān)系靜差率S可表達(dá)為AnN 4卬%3 + Aiin那么，我們根據(jù)該式變形可得1】2為：SS結(jié)合式（2.3）聯(lián)立解得：D= 2Aiin （I-S）(3.4)(3.5)(3. 6)以上我對(duì)靜特性的詳細(xì)分析與研究可得

33、出這樣的結(jié)論，K值將對(duì)控制的穩(wěn)定 特性產(chǎn)生不可忽視的影響。它越大，穩(wěn)定速降相對(duì)就越小，靜特性就會(huì)越硬，特 別是在有靜差率特別要求的控制范圍就會(huì)越寬。還要提出來(lái)的是，如果控制中只Kp （為常數(shù)）時(shí)，那么，穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除，因?yàn)?3.7)RidAiicl =Ce(l + k)當(dāng)且僅在及二0°時(shí)才能使An&=0,而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，這是不可能企及的。因此，這樣的調(diào)速控制只能歸總到有靜差之調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱有差調(diào)速系統(tǒng)。使用閉、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的理想機(jī)械特性如圖3.1。圖3閉、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的比較開(kāi)壞系統(tǒng)是雙閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但它有明顯的不足，由上圖不難知，對(duì)于一 個(gè)給定的電壓，它對(duì)應(yīng)的機(jī)

34、械特性是固定的，所謂調(diào)速只是在坐標(biāo)上上下移動(dòng)， 并不是說(shuō)改變了 An,對(duì)確定的U工作曲線唯一確定。調(diào)速范圍和靜差率是一 對(duì)互相制約的性能指標(biāo)，如果在提高調(diào)速范圍的同時(shí)要能降低靜差率，那么就只 能減少An o也就是說(shuō)這沒(méi)能在穩(wěn)定靜差率的同時(shí)增加調(diào)速范圍。對(duì)于上面的問(wèn)題，在提高調(diào)速范圍的同時(shí)要降低靜差率，解決的方法就是采 用反饋的優(yōu)秀技術(shù)，組建轉(zhuǎn)速閉環(huán)形式的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，降低轉(zhuǎn)速的大幅降下，減輕 靜差，增寬調(diào)速的范圍。很容易看出，閉環(huán)控制的范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大得多。3.2雙閉環(huán)控制的性能指標(biāo)我都很清楚，在這一環(huán)節(jié)中，如欲做到能改善系統(tǒng)的動(dòng)、靜的態(tài)性能，我們 可以做的就是添加一種調(diào)節(jié)器，靜態(tài)的指標(biāo)我們?cè)谏瞎?jié)中已

35、做了詳盡的講述，本 節(jié)主要對(duì)各動(dòng)態(tài)級(jí)性指標(biāo)做闡述，我們研究的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)級(jí)性能指標(biāo)是在長(zhǎng)期的 生活生產(chǎn)中，結(jié)合各種經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際要求，通過(guò)一定時(shí)間的整理觀察以及實(shí)踐后總 結(jié)得到的。在智能化及近似智能化的系統(tǒng)中，我們認(rèn)為動(dòng)態(tài)指標(biāo)就是兩種比較突 出明顯的參數(shù)系數(shù)，我們會(huì)一一作對(duì)它們做介紹。（1）跟隨性能指標(biāo)1）上升時(shí)間實(shí)際上，在經(jīng)典的階躍響應(yīng)模擬過(guò)程上，當(dāng)輸出量C從0開(kāi)始首次提高到 到穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值Cg所需要的時(shí)間就是我們通常稱的階躍響應(yīng)的上升時(shí)間，它表 示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見(jiàn)圖3. 2:2）調(diào)節(jié)時(shí)間t,在原則上，應(yīng)該是從有輸入引起系統(tǒng)變化，當(dāng)它的響應(yīng)從開(kāi)始變化到系統(tǒng)穩(wěn) 定下來(lái)，出現(xiàn)穩(wěn)定的響應(yīng)或者輸出時(shí)，

36、這一過(guò)程所經(jīng)歷的總時(shí)間就是調(diào)節(jié)時(shí)間。 我們系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢的衡量可以用調(diào)節(jié)時(shí)間來(lái)衡量。當(dāng)然，任何系統(tǒng)要 想達(dá)到真正的完全穩(wěn)定，兒呼是不可能的，尤其是在正比例形式的控制系統(tǒng)中， 要想做到這一點(diǎn)更是不可能的，因?yàn)槔碚撋弦獙?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，所用的時(shí)間必定會(huì)是 無(wú)窮大，這就否定了它的可能性。不過(guò)，在現(xiàn)實(shí)過(guò)程中，同時(shí)也有很多其它因素 的出現(xiàn)，過(guò)渡時(shí)間達(dá)到一定的最后就基本上停止了。有簽于此，我們才能近似的 模擬與假設(shè)，我們可以認(rèn)為響應(yīng)值到達(dá)到一定值后，其波動(dòng)不會(huì)再超過(guò)其穩(wěn)定值 的百分之五左右時(shí)所經(jīng)過(guò)的最短時(shí)間就是我人說(shuō)的調(diào)節(jié)時(shí)間，我們可在圖3.2 中很直觀的看到這點(diǎn)，這樣就變得清楚了。3）超調(diào)量。當(dāng)系統(tǒng)響

37、應(yīng)后，輸出量會(huì)上升到穩(wěn)定值，而第一次達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，響應(yīng)不會(huì) 穩(wěn)定在這一數(shù)據(jù)上，而有可能保持上升的趨勢(shì)，直到增加到最大值，到達(dá)峰值之 后，系統(tǒng)響應(yīng)以才下降，然后回落。在這個(gè)過(guò)程其間，響應(yīng)離穩(wěn)定值最大的數(shù)值 差與穩(wěn)定值兩者之間的比值就是我們通常所說(shuō)的超調(diào)量，用百分?jǐn)?shù)進(jìn)行表達(dá)：a= -Cg> xlOO%（3. 8）超調(diào)量的作用很明顯，它是對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的體現(xiàn)，如果它的值小，就說(shuō)明控 制的穩(wěn)定性很好，反之則差。（2）抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo)控制系統(tǒng)中，我們的設(shè)計(jì)不可能時(shí)時(shí)刻刻都在理想的條件下工作，以此為基 礎(chǔ)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也不可能應(yīng)用在我們的生活中，那么，在不理想情況下控制系統(tǒng)能 正常工作是我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)

38、必須做到的，它將作為我們工作成敗的標(biāo)志，只有在各 種干擾下能穩(wěn)定安全的運(yùn)行，系統(tǒng)才算真正合格，而度量這種性能的指標(biāo)就是我 們要講的抗擾性能指標(biāo)。如圖3.3所示。最常見(jiàn)的抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo)有兩個(gè)， 動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。在圖中可以很清楚的看到。圖3-3突然受干擾后響應(yīng)過(guò)程和各指標(biāo)圖3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的有效、直觀表示。其方法是根據(jù)該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài) 過(guò)程的微分方程，建立該方塊的傳遞函數(shù)，然后將系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)分別用方塊圖 表示，再按照系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系將各方塊圖連接起來(lái)，最后得出系統(tǒng)的傳 遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。331可控硅整流裝置的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際動(dòng)態(tài)分析時(shí)，我們把晶閘管

39、觸發(fā)和整流裝置看作一個(gè)環(huán)節(jié)，它們的輸 入量是控制電路的引導(dǎo)電壓U把導(dǎo)出值作為整流電壓Ud。，當(dāng)然，我們可以把 放大系數(shù)視作一個(gè)常數(shù)，晶閘管應(yīng)用于本系統(tǒng)中，其基本電路如圖3. 4所示：VT1 VT2 VT34% J負(fù)載C15VT4 VT5 VT6圖3. 4應(yīng)用品閘管的整流電路圖我們先作這樣的假定，用單位值階躍函數(shù)來(lái)表示整流系統(tǒng)的觸發(fā)滯后節(jié)，這樣晶 閘管的輸入與負(fù)載輸出關(guān)系為：(3.9)Ud0 = KUc(t-T)式中，指可控硅管放大比例；U一品閘管的輸入電壓;工指失控時(shí)間,”我們?cè)俨捎美彩孔儞Q，可得到該裝置的傳遞函數(shù)為:W(S) = U"=Ke% «Uc(s)1 + Ts(3

40、.10)332電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)勵(lì)磁環(huán)境下定子回路的模擬等效電路如圖3.5,圖其中我 們看到的電感包含了可控硅中的電感值和定子回路中的電感，而電阻也分別包含 了這兩部分的值，當(dāng)然它們也包括在主電路很可能接入其中的其它電感和電阻值 的大小在內(nèi)，電樞電流的方向如圖3.5所示：圖3.5直流電動(dòng)機(jī)等效電路根據(jù)直流型電機(jī)的模擬電路圖可得定子回路電壓平衡關(guān)系:(3.11)Ud0-E = RId+L=R(Id+l；-)式中，"E = Qn指額定電動(dòng)勢(shì)：R指總電樞回路中的電阻，包含整流裝置的內(nèi)阻：L指定子回路中勵(lì)磁下的有效感應(yīng)電感，其中國(guó)也包括平波電抗器的:1 = L/R指定

41、子回路的有效電磁時(shí)間常數(shù)S”。在零初始條件下，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)式(3.11)兩邊取拉氏變換得:Ud0-E = RId (s)(l + I；s)(3.12)移項(xiàng)變形并整理就能夠變形出電壓與電流兩者的傳遞函數(shù):(3.13)L(s) _ 1/RUdo(s) - E(s) l + ls進(jìn)而有直流機(jī)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系式為：工K =GD2dn375dt(3.14)式中，"工=CmId指標(biāo)準(zhǔn)勵(lì)磁下有效電磁轉(zhuǎn)矩，單位設(shè)為N.m;Cm = 30Ce歷指直流機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩電流比，單位N.ID/A：£ = Cm1dL指負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其中應(yīng)該包括空載時(shí)轉(zhuǎn)矩在里面，單位同樣為Nm,I為負(fù)載電流”。將上面兒式代入式(

42、3.14)得(3.15)上七四d 出 R dt式中，“工n= GD?R指系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù),單位為S”。375c4運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，得電動(dòng)勢(shì)和電流二者之間的傳遞函數(shù)(3.16)E(s) RL(s)Tdi 飛把Ud0作為輸入量。IdL作為輸出量，結(jié)合(3.13)與(3.16)可畫(huà)出直流電 動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3.6所示。圖36直流電機(jī)的有效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖333測(cè)速發(fā)電機(jī)和比例放大器的傳遞函數(shù)由于測(cè)速發(fā)電機(jī)和比例放大器的響應(yīng)可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，所以測(cè)速發(fā)電 機(jī)和的比例放大器自身的放大系數(shù)就被認(rèn)為是這些單元環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，所 以：n(s)(3.17)(3.18)U«(s)AUn(s)334電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)

43、的模型直流控制系統(tǒng)中的電流選時(shí)傳輸反饋的環(huán)節(jié)如圖3.7,反饋中出現(xiàn)的電流信 號(hào)與串入電動(dòng)機(jī)定子回路中的小阻值電阻R關(guān)聯(lián)密切，OR正比于電流。為了 實(shí)現(xiàn)我們要求的開(kāi)通和關(guān)斷這一作用，需要借助二級(jí)管的作用。其特性如圖3.8 所示。在動(dòng)態(tài)圖中電流反饋環(huán)節(jié)以系數(shù)F連入。038信號(hào)輸入-輸出特性335雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型由上述三節(jié)的分析已得各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整合后容易得到雙閉環(huán)直流 控制系統(tǒng)所得的動(dòng)態(tài)模型框圖如圖3.9o圖39雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖中Wacr(s) 電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),Wmr(s) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，K.R1/RIGBT的傳遞函數(shù)，一傳動(dòng)裝置傳遞函數(shù)，電機(jī)電樞傳

44、遞函數(shù)。TjS + 1Tms1s + 1174雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的靜差分析4.1 典型系統(tǒng)通常情況下，控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可用下式表示:K立(31)(4. 1)W)= T口0 + 1)其中，分母中的s表示系統(tǒng)在s=0處存在1重極點(diǎn)，抑或說(shuō)，系統(tǒng)包含個(gè)積分 的環(huán)節(jié)，叫做r型系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制理論，0型系統(tǒng)（尸0）具有較低的穩(wěn)態(tài) 精度，而川型及其以上系統(tǒng)不容易穩(wěn)定。所以，為了具有較高的穩(wěn)態(tài)精度及好的 穩(wěn)定性，多采用I型和I【型系統(tǒng)。4.1.1 典型I型系統(tǒng)典型1型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為(4.2)式中，“ K指系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，T指系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)”。I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，選參數(shù)時(shí)只需保證中頻帶的

45、寬度足夠大，系統(tǒng)就會(huì) 是穩(wěn)定的，而且還能夠保證達(dá)到所需的穩(wěn)定裕度。這時(shí)，應(yīng)保證嗎 <!，即TcoJT <1, cactan奴T<45° , y = 18Cf -900 -cactaiiaT >45° o典型閉環(huán)I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)特性分別如圖4.1：#圖4 1(b) I型系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)下的對(duì)數(shù)頻率特性典型I型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能與參數(shù)的關(guān)系一覽如表4.1, 4.2。表41【型系統(tǒng)各參數(shù)與動(dòng)態(tài)指標(biāo)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500 6910阻尼比E1.00 80.7070 60 5超調(diào)量b0%1.5%4 3%9 5%16.3

46、%上升時(shí)間t,6 6T4 7T3 3T2.4T峰值時(shí)間tp8 3T6 2T4 7T3 6T相角穩(wěn)定裕度Y76.3°51.8°51.8°51.8051.8°截止頻率利0.24/T0 37/T0 46/T0 60/T0 79/r由上表可知，選擇參數(shù)時(shí)，要根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和超調(diào)量綜合選擇1和K。表4. 2 I型系統(tǒng)參數(shù)與動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)的關(guān)系T T 111=T> T>C-xlOO%27.8%16.6%9.3%6.5%s2.83.43.84.0l/T14.721.728.730.4由上表可知，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)

47、態(tài)降落減小，回復(fù) 時(shí)間延長(zhǎng)。4.1.2 典型n型系統(tǒng)II型系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)時(shí)的傳遞函數(shù)可表示為：W(s)= * + ?<4.3)s，3 + i)閉環(huán)11型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在開(kāi)環(huán)條件下頻率響應(yīng)特性如圖43所示。#43 <b）典型閉環(huán)n型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)特性典型II型系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)抗擾性能與參數(shù)的關(guān)系分別如表43、 4-4所示。表4. 3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34568910CT52.6%43. 6%37. 6%33. 2%29. 8%27. 2%25. 0%23. 3%/T2. 402. 652. 853.03. 13.23.33. 35t3/T12.211.79. 6

48、10.511.312. 313. 314.2k32211111由上表可知：調(diào)節(jié)時(shí)間隨h的變化不是單調(diào)的，h減小時(shí)，上升時(shí)間快，h增大時(shí)，超調(diào)量小。綜合各指標(biāo)，h=5動(dòng)態(tài)性能比較適中口8】。表4. 4 H型系統(tǒng)各參數(shù)與動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)的關(guān)系h3456一891072. 2%77. 5%81. 2%84. 0%86. 3%88. 1%89. 6%90. 8%S2. 452. 702. 853. 003. 153. 253. 303. 40tv/T13. 6010. 458. 8012. 9516. 8519. 8022. 8025. 85由上表可得：h越小，抗擾性能越好，但超調(diào)量增大，一般取h=5。

49、綜合以上四個(gè)表格可看出，兩種系統(tǒng)各有長(zhǎng)短，對(duì)于II型來(lái)說(shuō)，其抗擾性能 比較好但超調(diào)量相對(duì)較大，而對(duì)于型來(lái)講，它在超調(diào)量上很優(yōu)勢(shì)，但是不耐干 擾，二者可根據(jù)不同的要求和運(yùn)用環(huán)境選擇合適的一種。4.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜差分析在轉(zhuǎn)速環(huán)中，如果運(yùn)用比例調(diào)節(jié)器，那么我們可寫(xiě)出這一模塊的輸出為：Ur = K AUn/C P n（4.4）當(dāng)AU-O,Uc工0時(shí),電動(dòng)機(jī)運(yùn)行;當(dāng)AUn = O,Uc =0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。由式（4.4）不難看出，控制電動(dòng)機(jī)的電壓與比較電壓直接掛鉤，但有個(gè)重要的缺點(diǎn)，輸入和反饋必須要有曉以電壓差電動(dòng)機(jī)才能轉(zhuǎn)，一但電壓差為零（當(dāng) 然是做到無(wú)差了）電動(dòng)機(jī)卻不轉(zhuǎn)了，而使用比例積分調(diào)

50、節(jié)器基本能作到無(wú)差調(diào)節(jié) 且保證電動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)。其中最主要的角色就是積分環(huán)節(jié)，采用比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié) 器，它將輸出一點(diǎn)點(diǎn)積累起來(lái)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，新增為零，而積分調(diào)節(jié)器給 也的輸出量則積累了從開(kāi)始到結(jié)束這一時(shí)間內(nèi)輸入偏差量的所有歷史和，使輸出 能保持不變，達(dá)到穩(wěn)定也做到無(wú)差了。下面以簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)作介紹加以論證。采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)系統(tǒng)是有靜差的，而運(yùn)用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)我們就可以消 除靜差，這是使用它的好處，做到無(wú)差調(diào)速。對(duì)于突然加上一個(gè)負(fù)載的時(shí)候，以動(dòng)態(tài)抗擾性能來(lái)說(shuō)，比例積分控制規(guī)律和 比例控制規(guī)律的是有很大區(qū)別的：只要?dú)v史上曾經(jīng)有過(guò)無(wú)論現(xiàn)在AUn存 在與否，其積分和就一定會(huì)存在且不為零，便能發(fā)出系

51、統(tǒng)正常工作運(yùn)行所必需的 控制性輸入電壓uc,而比例調(diào)節(jié)器的輸出卻做不到這一點(diǎn)，因?yàn)樗c某時(shí)刻的Un掛鉤，如果為零不轉(zhuǎn)，即只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀。想要弄清比例系統(tǒng)的工作原理不妨看看它的原理圖（如圖4.4）,分析它在 控制過(guò)程的情況或誤差，都可從其原理圖開(kāi)始，當(dāng)然我們已經(jīng)知道的是，僅有它 所參與的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的，我們可能分析它的隱差過(guò)程與原由，來(lái)找到解決 的方法，比例積分就是這樣出現(xiàn)的。采用它時(shí)，負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速差為：R(4.5)-Idi(s)(XS+Ddi+DAn =sAii(s) = lifYi= s 旬 Fs+Dq*- s+i)+k - cc(i+k)37這和靜特性分析的結(jié)果是相符

52、合的。圖4 4比例調(diào)節(jié)器原理圖當(dāng)然這樣會(huì)出現(xiàn)靜差，根據(jù)上面的分析，要做到無(wú)差，就要改變調(diào)節(jié)器。為 了實(shí)現(xiàn)這一要求，系統(tǒng)中必須接入無(wú)靜差元件，它在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)有一個(gè)調(diào)整 輸出以消除偏差，而沒(méi)有偏差時(shí)它的輸出穩(wěn)定不變。所以為解決系統(tǒng)的靜差問(wèn)題, 應(yīng)采用典型的無(wú)靜差元件一比例積分元件（PI調(diào)節(jié)器）。若拿比例積分調(diào)節(jié)器（圖4.5）控制，PI有這樣的關(guān)系：(4.7)Uo =+ - 111K出=&U也 + - umdt° Rq m &CJ m Rg m rJ m當(dāng)零狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)I：具可有它的傳遞函數(shù)為:叫Ms)=Uo(s) Kp(zs + 1)Um(s)(4.8)IS式中，

53、“Km =0/及是它的放大倍數(shù):r = R1c是它的超前時(shí)間常數(shù)”。在零初始條件和階躍輸入條件下，由（4.7）可得PI調(diào)節(jié)器的輸出特性表達(dá) 式為：UUlKrUjT(4.9)Ri圖45比例積分器的原理圖則穩(wěn)態(tài)速差為:1.1 S +1)(1 S 4-1)&】(S)= Inn s&Ms) = 11m= 0(4.10)M 10 圖(1> + 1)&牛2+1> + 1) + 尸國(guó)產(chǎn) + 1)由式4.10知，比例積分控制做到了無(wú)靜差的調(diào)速。5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體思路是先里后外，設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)后再著手外環(huán)。使用基本原理設(shè)計(jì)好電流環(huán) 以后，把它當(dāng)作轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，

54、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。在檢測(cè)的電流信號(hào)中常有交流分量，為了使它不影響調(diào)節(jié)器的輸入，應(yīng)加入 低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié)會(huì)使反饋信號(hào)延遲，為了消除此延遲的影響，要在給 定位置增設(shè)一個(gè)同時(shí)間差的慣性環(huán)節(jié)以確保時(shí)間上的同步。同理，為消除測(cè)速發(fā) 電機(jī)引起的一些干擾換向紋波，我們也需要加入一個(gè)濾波環(huán)節(jié)。1.2 電流環(huán)的設(shè)計(jì)（1）結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)在圖3. 3里，點(diǎn)畫(huà)線包圍的那一部分為電流環(huán)，反電動(dòng)勢(shì)干擾對(duì)于它的作用 是一個(gè)緩慢的過(guò)程，當(dāng)電流在突然間發(fā)生變化時(shí)，可以暫時(shí)認(rèn)為AE-O。這樣, 我們?cè)诎凑談?dòng)態(tài)性能來(lái)設(shè)計(jì)本環(huán)節(jié)時(shí)，完全就可以暫時(shí)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)它帶 來(lái)的各種動(dòng)態(tài)影響。不考慮電機(jī)定子反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)本環(huán)節(jié)干擾的條件是式中，“ 如指本環(huán)的開(kāi)環(huán)截止頻率”。將給定信號(hào)及反饋濾波同時(shí)移至環(huán)內(nèi)前向通道上，再將給定信號(hào)變成 宇，則電流環(huán)將等效為單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)最后，由于一般情況下三和工都比工小得多，從而可當(dāng)作小慣性群近似地 看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為則電流環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為:（2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從動(dòng)態(tài)要求上看，電樞電流不允許有太大的超調(diào)。從靜態(tài)要求上看，希望電 流靜差小甚至沒(méi)有靜差。I大1此，本環(huán)設(shè)計(jì)主要以跟隨性能為主，應(yīng)采用I型系統(tǒng) 是比較合適的。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，校正成I型系統(tǒng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器要選用 pi型的，其傳遞函數(shù)用如下式子表示W(wǎng)a“s）內(nèi)空+D（5.4）3S