直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性研究與仿真設(shè)計(jì)

1、直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真研究摘 要直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大圍實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而用MATLAB軟件對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行虛擬環(huán)境下的仿真研究，不僅使用方便，也大大降低了研究成本。本文敘述了直流電動機(jī)的基本原理和調(diào)速原理，介紹了直流電動機(jī)開環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成與靜、動態(tài)特性，并且根據(jù)直流電動機(jī)的基本方程建設(shè)立了調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。最后，用MATLAB仿真軟件搭建了仿真模型，對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。通過對直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性

2、的研究與仿真，可以清楚地看到，直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，可以在給定調(diào)速圍，實(shí)現(xiàn)無靜差平滑調(diào)速，這為直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；雙閉環(huán)系統(tǒng)；電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；計(jì)算機(jī)仿真Simulation Research on Speed Regulation System of Double Closed Loop of DC MotorABSTRACTDC motor has a good effect, braking performance, appropriate for smooth speed control in a wide rang

3、e, and DC speed control system both in theory and practice more mature, is to study the basis of other control system. The DC converter usingMATLAB software system for simulation of virtual environments is not only easy to use, but also greatly reduce the research costs.This paper describes the basi

4、c principle of DC motor and speed control principle, introduced the open-loop DC motor and dual-loop speed control system components and the static and dynamic characteristics, and according to the basic equation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram

5、shows the dynamic structure, designed by engineering design of DC Speed Regulation system. Finally, the simulation software MATLAB simulation model built on the speed control system was simulated.By DC Motor Speed Regulation of the dynamic characteristics and simulation, we can see clearly, double-l

6、oop DC motor speed control system has good dynamic performance, you can within a given speed, a smooth static error-free speed, which for the DC motor speed control system hardware to provide a theoretical basis for experimentalKey words: Speed control of DC-drivers；Double-closed-loop；Current regula

7、tor；Speed regulator；Computer simulation目 錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 課題背景11.2 課題研究的目的和意義21.3 論文的主要容22 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)42.1 直流電動機(jī)簡介42.1.1 直流電動機(jī)的工作原理42.1.2 直流電動機(jī)的運(yùn)行特性42.1.3 直流電動機(jī)的起動與調(diào)速52.2 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)62.3 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與其存在的問題82.4 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與動態(tài)校正82.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)92.5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與其靜特性92.5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能122.5.3 雙閉環(huán)調(diào)

8、速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法142.5.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)193 直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與研究263.1 MATLAB簡介263.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真283.3 仿真結(jié)果分析354 結(jié) 論36致37參考文獻(xiàn)38附錄A 英文翻譯原文部分39附錄B 英文翻譯譯文部分4143 / 471 緒論1.1 課題背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以與交流

9、電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)。現(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。對于那些在實(shí)際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險或?qū)嶒?yàn)費(fèi)用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究是不能將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實(shí)際中去的。因此就必須對其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這種方法十分費(fèi)時而且費(fèi)用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展

10、，采用計(jì)算機(jī)對控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。 但是長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非

11、常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計(jì)算機(jī)成為一個實(shí)驗(yàn)室，用它可對各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。自

12、70年代以來，國外在電氣傳動領(lǐng)域，大量地采用了“晶閘管直流電動機(jī)調(diào)速”技術(shù)(簡稱VM調(diào)速系統(tǒng))。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中VM系統(tǒng)的應(yīng)用量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)過程中，會接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以與調(diào)速精度、調(diào)速圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它

13、的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。1.2 課題研究的目的和意義直流電動機(jī)具有良好的起制動性能，易于在廣泛圍平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動自動

14、控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，力控制系統(tǒng)，多電動機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。直流調(diào)速的電樞和勵磁不是耦合的，是分開的，對電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制；而交流調(diào)速，電樞電流和勵磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的。因此在軋機(jī)、造紙等對力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道采用轉(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)速無靜差。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，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程

15、，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(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，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究有實(shí)際意義。在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的圍進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制性能，盡管它不如交流電動機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。

16、由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。1.3 論文的主要容本課題以直流電動機(jī)為對象，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動機(jī)的基本方程給出動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真，對仿真結(jié)果分析、研究，驗(yàn)證控制方案的合理性。主要完成如下工作：(1) 數(shù)學(xué)模型的建立認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動機(jī)基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(2) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)通過國外中英文資料介紹，了解直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(3) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究

17、深入學(xué)習(xí)和掌握MATLAB下的Simulink和Power System系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn)行模型搭建和仿真，對結(jié)果進(jìn)行分析與探究。2 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1 直流電動機(jī)簡介2.1.1 直流電動機(jī)的工作原理圖2-1表示是一臺最簡單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分(定子)上，裝設(shè)了一對用直流勵磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片,換向片之間互相絕緣。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，固定在轉(zhuǎn)軸上。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋

18、轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。圖2-1 最簡單的兩極直流電機(jī)模型如果將直流電壓直接加到線圈AX上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。設(shè)導(dǎo)體中的電流為，載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力的作用，線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩則為 式中，Da為電樞的外徑。由于電流為恒定，一周中磁通密度的方向?yàn)橐徽回?fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩TXA將是交變的，無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而在直流電動機(jī)中，外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷B1、B2和換向器再加到線圈上，這樣情況就不同。因?yàn)殡娝1和B2靜止不動，電流總是從正極性電刷B1流入，經(jīng)過處于N極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于S極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷B2流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于N極和S極下時

19、，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈的交流的“逆變”作用。這就是直流電動機(jī)的工作原理。2.1.2 直流電動機(jī)的運(yùn)行特性直流電動機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面主要對并勵電動機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。工作特性是指電動機(jī)的端電壓U=UN，勵磁電流If=IfN時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te和效率與輸出功率的關(guān)系，即n，。由于實(shí)際運(yùn)行中較易測得，且隨的增大而增大，故也可把工作特性表示為n，。上述條件

20、中，為額定勵磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時的勵磁電流。先看轉(zhuǎn)速特性。從電動勢公式和電壓方程可知 （2-1）上式通常稱為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。此式表示，在端電壓U、勵磁電流均為常值的條件下，影響并勵電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個：一是電樞電阻壓降；二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增加時，電樞電流增大，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個因素的影響部分地互相抵消，使并勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)用上，為保證并勵電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。并勵電動機(jī)在運(yùn)行中，勵磁繞組絕對不能斷開。若勵磁繞組斷開，=0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速

21、增大。此時若負(fù)載為輕載，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，造成“飛車”；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電動機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到起動電流，引起繞組過熱而將電機(jī)燒毀。這兩種情況都是危險的。機(jī)械特性是指，勵磁回路電阻=常值時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。2.1.3 直流電動機(jī)的起動與調(diào)速(1) 直流電動機(jī)的啟動直流電動機(jī)接到電源以后，轉(zhuǎn)速從零達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。對電動機(jī)起動的基本要： 起動轉(zhuǎn)矩要大； 起動電流要??； 起動設(shè)備要簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠。直流電動機(jī)開始起動時，轉(zhuǎn)速，電樞的感應(yīng)電動勢，電樞電阻又很小，因而起動電流將達(dá)到很大的數(shù)值，常須加以限制。另一方面，起動轉(zhuǎn)矩，

22、減小起動電流將使起動轉(zhuǎn)矩隨之減小。這是互相矛盾的。通常采用保證足夠的起動轉(zhuǎn)矩下盡量減小起動電流的辦法，使電動機(jī)起動。直流電動機(jī)常用的起動方法有三種： 直接起動； 接入變阻器起動； 降壓起動。(2) 直流電動機(jī)速度的調(diào)節(jié)電動機(jī)是用以驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟(jì)。直流電動機(jī)在這些方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為式中轉(zhuǎn)速（r/min）；電樞電壓（）；電樞電流（）；電樞回路總電阻（）；勵磁磁通（b）；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以

23、有三種方法： 調(diào)節(jié)電樞供電電壓； 減弱勵磁磁通； 改變電樞回路電阻。對于要求在一定圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主1。2.2 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時間間隔，突加或突減負(fù)載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運(yùn)行停止時要求的定位精度等等。歸納

24、起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：(1) 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速圍，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(2) 穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3) 加、減速。頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項(xiàng)要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速圍”和“靜差率”。這兩個指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。(1) 調(diào)速圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速圍，用字母D表示，即（22）其中，和一般都指電動機(jī)額定負(fù)載

25、時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。 (2) 靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即 （2-3）或用百分?jǐn)?shù)表示 (2-4)顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。由此可見，調(diào)速圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必

26、須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降一樣，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。(3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即 (2-5)于是，最低轉(zhuǎn)速為 (2-6)而調(diào)速圍為 (2-7)將上面的式代入，得 （2-8）式（2-4）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，值

27、一定，由式（2-4）可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速圍也越小。2.3 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與其存在的問題圖22所示的晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)就是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定圍的無級調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小常有波動，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速圍D=2040，靜差率s5%。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的

28、電動機(jī)拖動，鋼材在幾個機(jī)架連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速圍D=310時，保證靜差率s0.2%0.5%。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。圖2-2 晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.4 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與動態(tài)校正由前述分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速指標(biāo)要求。許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統(tǒng)同時滿足D、s的要求，提高調(diào)速質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)速檢測裝置。例如，在電動機(jī)軸上安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，檢測出輸出量或被調(diào)量n大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的

29、負(fù)反饋電壓，與轉(zhuǎn)速給定電壓相比較后，得到偏差電壓，經(jīng)放大器產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓，用以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會產(chǎn)生糾正偏差的自動調(diào)節(jié)過程。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時，必須設(shè)計(jì)合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面的要求。動態(tài)校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖

30、動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實(shí)現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。PID調(diào)節(jié)器中有比例微分（PD）、比例積分（PI）和比例積分微分（PID）三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的帶后超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和

31、穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與其靜特性采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，起動電流突

32、破以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，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。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按

33、照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應(yīng)該在起動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。要想既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用，只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。(1) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖2-3所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電

34、流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2-4所示。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。圖2-3 轉(zhuǎn)

35、速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖(2) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先會出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-5所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的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，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。圖2-5 雙閉

36、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此由第一個關(guān)系式可得 （2-9）此時，由于ASR不飽和，從上述第二個關(guān)系式可知。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 （2-10）其中，最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反

37、饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)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(hù)。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。2.5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能(1) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6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)。圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

38、動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(2) 動態(tài)抗擾性能分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 抗負(fù)載擾動由圖26可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計(jì)ASR時，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。和都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點(diǎn)不同，存在著能否與時調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動能夠比較快地反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)

39、量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一些。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較與時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。(3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，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：a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。b 對負(fù)載變化起抗擾作用。c 其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最

40、大電流。 電流調(diào)節(jié)器的作用：a 作為環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。b 對電網(wǎng)電壓的波動起與時抗擾的作用。c 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。2.5.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法(1) 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)

41、的要求。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，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)化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。(2) 典型系統(tǒng)一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可用下式表示 （2-11）其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點(diǎn)和復(fù)數(shù)極點(diǎn)。分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0,1,2,的不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、II型、系統(tǒng)。自動控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而III型和III型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型和II型系

42、統(tǒng)。 典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 （2-12）式中 T系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K系統(tǒng)的開環(huán)增益。它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-7a所示，而圖2-7b表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。選擇它作為典型I型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段以20dB/dec的斜率穿越0dB線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時保證或 于是，相角穩(wěn)定裕度。a)b)圖2-7 典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無誤差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反

43、比，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。因此I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。b 動態(tài)跟隨性能指標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 （2-13）式中 無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；阻尼比，或稱衰減系數(shù)。參數(shù)K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)、之間的換算關(guān)系 （2-14） （2-15）則 （2-16）表2-1 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.369.9

44、65.559.251.8截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T由二階系統(tǒng)的性質(zhì)可知，當(dāng)時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng)時，是過阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)時，是臨界阻尼。由于過阻尼特性動態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即。由于在典型型系統(tǒng)中，代入式（2-11）得，因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取。典型I型系統(tǒng)各項(xiàng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)KT的關(guān)系列于表2-1。由表中數(shù)據(jù)可見，當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù)T為已知時，隨著K的增大，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)，而穩(wěn)定性變差。具體選擇參數(shù)時，如果工藝上主要要求動態(tài)響應(yīng)快，可取0.6，把K選大一些；如果主要要求超調(diào)小，可取1

45、.0，把K選小一些；如果要求無超調(diào)，則取，；無特c殊要求時，可取折中值，即，此時略有超調(diào)（=4.3%）。典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表2-2（KT=0.5）。表2-2 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系55.5%33.2%18.5%12.9%2.83.43.84.014.721.728.730.4由表2-2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復(fù)時間拖得較長。 典型II型系統(tǒng)典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-17）它的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖2-8所示，其中頻段也是以的斜率穿越0dB線。由于分母中項(xiàng)對應(yīng)的

46、相頻特性是，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)（這往往是實(shí)際系統(tǒng)中必定有的），如果不在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)，就無法把相頻特性抬到線以上，也就無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)圖2-8b的特性，顯然應(yīng)保證或 而相角穩(wěn)定裕度為比T大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。圖2-8 典型II型系統(tǒng)典型II型系統(tǒng)與典型I型系統(tǒng)相仿，時間常數(shù)T也是控制對象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有K和兩個。為了分析方便起見，引入一個新的變量h，令 （2-18）h是斜率為的中頻段的寬度，稱作“中頻寬”。參數(shù)之間的關(guān)系如下： （2-19） （2-20） （2-21）典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)在階躍輸入和斜坡輸入下，

47、II型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時都是無誤差的，在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與開環(huán)增益K成反比。b 動態(tài)跟隨性能指標(biāo)典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表2-3中。表2-3 典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111由于過渡過程式衰減振蕩性質(zhì)，調(diào)節(jié)時間隨h的變化不是單調(diào)的，h=5時的調(diào)節(jié)時間最短。此外，h減小時，上升時間快，h增大時，超調(diào)量小。把各

48、項(xiàng)指標(biāo)綜合起來看，h=5時動態(tài)跟隨性能比較適中。典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量一般都比典型I型系統(tǒng)大，而快速性要好。典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系列于表2-4。表2-4 典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系h34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.82.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85由表2-4中的數(shù)據(jù)可見，一般來說，h值越小，也越小，和都短，因而抗擾性能越好。這個趨勢與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與h值

49、的關(guān)系恰好相反，反應(yīng)了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。但是，當(dāng)時，由于振蕩次數(shù)的增加，h越小，恢復(fù)時間反而拖長了。由此可見，h=5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時間最短的條件是一致的。把典型II型系統(tǒng)抗擾性能的各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來看，h=5應(yīng)該是一個很好的選擇。典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，一般來說，在動態(tài)性能中典型I型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小，但抗擾性能稍差；而典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。2.5.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先環(huán)后外環(huán)的一般原則，從環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流

50、調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-9所示，其中的濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)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)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。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同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過一樣的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的

51、方便。圖2-9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由測速電電機(jī)得到的轉(zhuǎn)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)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)2。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖2-9點(diǎn)畫線框的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往經(jīng)電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時，

52、可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉。忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是 （2-22）式中，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)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，從其中可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值一樣的方便之處。最后，由于和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常為 （2-23）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡化的近似條件為 （2-24）(2) 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮應(yīng)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，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實(shí)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(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的與時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，即應(yīng)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(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 （2-25）式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇 （2-26）則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖214所示的典型形式，其中 （2-27）上述結(jié)果是在一系列