轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)MATLABSimulink

年4月19日轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)MATLABSimulink文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)任務(wù)書1.設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)為：直流電動(dòng)機(jī)：Un=440V，In=365A，nN=950r/min，Ra=0.04,電樞電路總電阻R=0.0825,電樞電路總電感L=3.0mH,電流允許過(guò)載倍數(shù)=1.5，折算到電動(dòng)機(jī)飛輪慣量GD2=20Nm2。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks=40，滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s電流反饋系數(shù)=0.274V/A(10V/1.5IN)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.0158Vmin/r(10V/nN)濾波時(shí)間常數(shù)取Toi=0.002s，Ton=0.01s===15V；調(diào)節(jié)器輸入電阻Ra=40k3.設(shè)計(jì)要求(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo):無(wú)靜差(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量5%；采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于0。目錄TOC\o"2-3"\h\z\t"標(biāo)題1,1"HYPERLINK任務(wù)書 IHYPERLINK目錄 IIHYPERLINK前言 1HYPERLINK第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 2HYPERLINK1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 2HYPERLINK1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 3HYPERLINK1.3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 4HYPERLINK1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 5HYPERLINK1.4.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 5HYPERLINK1.4.2起動(dòng)過(guò)程分析 6HYPERLINK第二章調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì) 9HYPERLINK2.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原則 9HYPERLINK2.2Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 10HYPERLINK2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 11HYPERLINK2.3.1結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)和結(jié)構(gòu)的選擇 11HYPERLINK2.3.2時(shí)間常數(shù)的計(jì)算 12HYPERLINK2.3.3選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 13HYPERLINK2.3.4計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 13HYPERLINK2.3.5校驗(yàn)近似條件 14HYPERLINK2.3.6計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 15HYPERLINK2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 15HYPERLINK2.4.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 15HYPERLINK2.4.2確定時(shí)間常數(shù) 17HYPERLINK2.4.3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 17HYPERLINK2.4.4計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 17HYPERLINK2.4.5檢驗(yàn)近似條件 18HYPERLINK2.4.6計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 19HYPERLINK第三章Simulink仿真 20HYPERLINK3.1電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì) 20HYPERLINK3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì) 21HYPERLINK3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 22HYPERLINK第四章設(shè)計(jì)心得 24HYPERLINK參考文獻(xiàn) 25前言許多生產(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)，而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)能夠再保證系統(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)是專門用來(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。第一章雙閉環(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)能夠在保證系統(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)是專門用來(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)。IdLntIdIdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)圖1調(diào)速系統(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)反饋就能夠保持該量基本不變，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)；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)器作為校正裝置既能夠保證系統(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)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性KKs1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-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)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。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)模型的主要形式依然是以傳遞函數(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)。UU*nUct-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+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)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2—8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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達(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，因此轉(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，因此電動(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)，可是，由于仍大于負(fù)載電流，在開始一段時(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)采用其它控制方法來(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Ⅰ、Ⅱ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)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)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)控制中得到普遍應(yīng)用。第二章調(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：概念清楚、易懂；計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；不但給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；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；適用于各種能夠簡(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)算一下就能夠了，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。2.2Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較許多控制系統(tǒng)的開環(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)稱為0型、Ⅰ型、Ⅱ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)是有差的，而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，一般為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)，典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為（2-1）（2-2）一般說(shuō)來(lái)典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上能夠做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型Ⅱ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。基于此，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，因此一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ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，因此轉(zhuǎn)速環(huán)一般設(shè)計(jì)為Ⅱ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T∑i=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Ⅰ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Ⅱ型系統(tǒng)，因此轉(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)，能夠暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即DE≈0。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(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8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，能夠當(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T∑i=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖8圖8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1、直流電機(jī)參數(shù)2、整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s。3、電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s。4、電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑=Ts+Toi=0。0017s+0。002s=0.0037s5、電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)6、電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)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)能夠?qū)懗桑?-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Ⅰ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，能夠看出各項(xiàng)指標(biāo)都是能夠接受的。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=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求δi＜5%時(shí)，應(yīng)取KIT∑i=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9PI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nn(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)T0ns+11T0ns+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KIT∑i=0.5，則2、轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01s3、轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T∑n。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2.4.3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例