運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：周穎工作單位：自動(dòng)化學(xué)院題目：直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始條件：采用晶閘管三相橋式整流，電機(jī)參數(shù):“nom = 1460r / min, U 嘶=220V, I “m 二 136A, Ra = 02丄=15mH， C 0.132V min/r,r = 0.5，Ks =40，無靜差。電流過載倍數(shù)為=1.5，G = 0.002s,Tn = 0.01s、Tm = 0.18s。電流超調(diào)量 i 5% 空載起 動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量-n -10%要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫 等具體要

2、求）1. 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)；2. 轉(zhuǎn)速和電流用兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié);3. 過程分析，軟件設(shè)計(jì)；4. 電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖繪制；5. 仿真曲線繪制時(shí)間安排:查閱資料饌寫程設(shè)計(jì)報(bào)告提交報(bào)告，答辯12月21日-22日12月23日-25日12月28日-29 日12月30日指導(dǎo)教師簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄摘要 n1設(shè)計(jì)任務(wù) 11.1初始條件 11.2設(shè)計(jì)任務(wù) 12直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 22.1系統(tǒng)的組成 22.2系統(tǒng)的電路原理圖一 33直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 43.1獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象 43.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 53.2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 53.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 73

3、.2.3電流調(diào)節(jié)器的常數(shù)計(jì)算73.2.4電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)一 103.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 103.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 103.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇一 113.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 133.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)一 154 系統(tǒng)起動(dòng)過程分析 165系統(tǒng)仿真 186心得體會(huì) 19參考文獻(xiàn). .20摘要本設(shè)計(jì)通過分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。同時(shí)，采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè) 計(jì)，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后將整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時(shí)間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校

4、驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)。之后，再對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)過程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。最后用Matlab軟件中的Simulink模塊對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，得出仿真波形。關(guān)鍵詞：原理圖調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法參數(shù)整定起動(dòng)過程仿真16直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)1.1初始條件采用晶閘管三相橋式整流，電機(jī)參數(shù)：nnom =1460r/min,Unm 二 220/,1仙=136A,Ra 二 0.2 L = 15mH ，Ce = 0.132V min/r,r = 0.5 ,Ks = 40，系統(tǒng)無靜差。電流過載倍數(shù) =1.5， 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi = 0.002s，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間

5、常數(shù)T“ = 0.01s，人=0.18s， 電流超調(diào)量匚i乞5%，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 S空10% O1.2設(shè)計(jì)任務(wù)1. 設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖；2. 設(shè)計(jì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)；3. 繪制電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖；4. 分析系統(tǒng)的啟動(dòng)過程；5. 仿真曲線的繪制（選作）2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣、性能很好的直流調(diào)速系 統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(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(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。圖1理想快速啟動(dòng)過程電流和轉(zhuǎn)速波形如題1所示，為

6、了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流 保持為最大值gm的恒流過程。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。 所以，我們希望達(dá)到的控制：?jiǎn)?dòng)過程只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩 個(gè)調(diào)節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(jí)）連接，如圖2所示。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

7、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，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉(zhuǎn)速、電 流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.2系統(tǒng)的電路原理圖眉)IA圖3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電路兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都米用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。圖中ASF為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，TG表示測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA表示電流互感器，GT是觸發(fā) 電路，UPE是電力電子變換器。圖中標(biāo)出了兩個(gè)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 Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn) 算放大

8、器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)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U*m決定了電流給的電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 Udm。3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)將運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則， 從內(nèi)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)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.1獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象根據(jù)圖3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以方便的繪出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 框圖，如圖4所示。其中。為轉(zhuǎn)

9、速反饋系數(shù)，B為電流反饋系數(shù)。圖4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)(見圖4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖)的基礎(chǔ)上，即可繪出直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。圖中Wasr(s)和Wacr(s)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I d顯示出來。圖5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于電流檢測(cè)信號(hào)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)可以用一階慣性環(huán)節(jié) 來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在 抑制交

10、流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作 用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)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(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延時(shí)， 使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)?配合，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測(cè)速發(fā)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(shí)間常數(shù)用Ton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(shí)間常 數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。所以直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖應(yīng)該與圖 5有所不同，應(yīng)當(dāng)增 加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。如圖6所示。電流內(nèi)環(huán)X r1R9 14111J?1 J1R1*幾

11、禍?zhǔn)?I T TASRfI*i珀p十1J LACRTts+111E5圖6直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)321電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)在圖6點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流內(nèi)環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán) 的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) T遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因此， 轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多， 對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化慢的擾 動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E 0。這樣，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， 也就算說，可 以暫且把

12、反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示?？梢?證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：式中 ci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。圖7忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響時(shí)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U(s)，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖8所示。圖8等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3 TsTOi圖9小慣性環(huán)節(jié)近似處理的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖最后，由于Ts和h 般都比Ti小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似的看作是 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)框圖最終可以簡(jiǎn)化成如圖9所示。簡(jiǎn)化的近似條件是 ci

13、 豈322電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮把電流環(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，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖9可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動(dòng) 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(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，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)。圖9的表明，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)可以寫成:式中KiWACR（S）=電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ki(iS 1 iSi電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控

14、制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成圖10所示的典型形式，其中:KKs：i R鞏如+1）圖10校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1. 確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。通過表1可得出，三相橋式電路的平均失控 時(shí)間 Ts =0.0017s。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。根據(jù)初始條件有Ti= 0.002s。3 ）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti = Ts Toi = 0.0037s整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax(mS)平均失控時(shí)間Ts (ms)單相半波2010單相橋式(全波)105三相半波6.673.33三相橋式

15、、六相半波3.331.67表1各種整流電路的失控時(shí)間(f = 50HZ)4)電磁時(shí)間常數(shù)T。已知電樞回路電感L=15mH，貝15mH0.5.1二 0.03s2. 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求65%，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù):檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：T訂冷二0.03s 0.0037s =8.11，參照表2的典型WACR（S） 1）I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的表2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r tHl =t215110120130AC昨、100%G55.5%33.2%18.5%

16、12.9%T2.83 43 84014721 728 73043. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流反饋系數(shù) 1 ： 10V .1.5|n =0.05V/A。電流開環(huán)增益：要求乞5%時(shí)，按表3,取KTi =0.5,因此500.0037s= 135.1s電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：.j= 0.03s于是，ACR勺比例系數(shù)為:參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比匕1.00.80.7070.60.5超調(diào)里口0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間trQO6.6 T4.7 T3.3 T2.4 T峰值時(shí)間tpO08.3 T6.2 T4.7 T3.6 T相角穩(wěn)定裕度y76.3 69.9 65.

17、5 59.2 51.8 截止頻率GO c0.243 /T0.367 /T0.455 /T0.569 /T0.786 /TK K iR 135.1 0.03 0.5K40 0.05= 1.013表3典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：d-135.1sJ滿足近似條件13TS1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1196.1s :匸 ci3 0.0017s2）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=310.18s 0.03s1=40.82s3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似180.8s4ci1廠I 丄TsToi 3 Yo.0017sx 0.002s 滿足近似

18、條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖11,按所用運(yùn)算放大器取R0=40KT，各電阻和電容值為:= KiR0 =1.013 40K= 40.52 ，取 40K_0.03R 40 103F =0.75 10F= 0.75F，取 0.75lFCoi 二4：F2 b_0.F，取 0RF武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為；二=4.3% ： 5%，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.4電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖11所示。圖中U為電流給的電壓，一 - Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換 器的控制電壓U c 0根

19、據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以導(dǎo)出：心二 R R。_ 1Toi - 一 R0Coi4& Ci 1=11圖11含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器A1183.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，由圖 10可知，電流環(huán)的閉環(huán)傳 遞函數(shù)Wcli(s)為W (s)= J(s)= K|/s(TZs + 1)“s2 丄s 1Ki Kicli( ) Ui (s)/ ：1 K| s(TiS 1)武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書忽略高次項(xiàng)，Wcii(s)可降階近似為1Wcli ( s)1丄s+1Ki近似條件1 fK7“3小式中cn轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率特性的截止

20、頻率。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U(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效成1Id(s)WcH(s)Ui(s)11 sKi這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象， 經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成 只有較小時(shí)間常數(shù)1 Ki的一階慣性環(huán)節(jié)。332轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇用電流環(huán)的等效代替圖6中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 如圖12所示圖12用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的代替結(jié)構(gòu)框圖把轉(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)改為Un(S)；，再把時(shí)間常數(shù)為1Ki和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中1T%TonK I則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)

21、化成如圖13所示。圖13等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，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?，F(xiàn)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)， 所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型U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。 在理論計(jì)算中，線性系統(tǒng)的階躍超調(diào)量較大，但在實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。故而，ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中KnWASR（S）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；KnCnS 1)nS轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

22、Wn(S)=Kn( nS 1): R 1TnS。忘(吟 + 1)Kn： R(nS 1)nGTmSWnS 1)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益Kn為則KnKn： RKn1)2S (TnS 1)Wn(S)二不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖14所示。上述結(jié)果所服從的近似條件歸納為:cn/(爲(wèi)盧+1)圖14校正后成典型n型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖333轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1)2)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/Ki。根據(jù)上文中KiT過=0.5，貝U120 =2 0.0037s = 0.0074sKi 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)TOn。根據(jù)初始條件Tn = 0.01S。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T。按小時(shí)間常數(shù)近

23、似處理，取T點(diǎn)2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)3)心=0.0074s 0.01s =0.0174s按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr93. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):10V/ nN =0.007V min/ r。按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n =hT =5 0.0174s =0.087s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益h 15 1/Kn2222 S 396.4s2h Tn 2 50.0174則ASR的比例系數(shù)為(h +1)PceTm6 漢 0.05漢 0.132 漢 0.18Kn11.72h： RT、n2 5 0.007 0.5 0.01744. 檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速

24、環(huán)截止頻率為cnKn 11 二= 396.4 0.087s=34.5s1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為343、T：春爲(wèi)宀63.7s=，滿足簡(jiǎn)化條件2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為3鑑1宀38.7scn，滿足近似條件5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖15,取R401，貝U尺二 Knf =11.7 40KL； - 468心，取 470K;n 0.087 3 F =0.185 10“F =0.185F，取 0.2F ; Rn 470 103on4TonRd4 0.0140 103F =1 10”F= rlF，取 1jf6. 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表4可得，二n=37.6%10%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

25、實(shí)際上，由于表4是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR退飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。表4典型n型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h345678910O52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111由表 5 查得QmaxfCb =81.2%，則二 n =2(-CmaxC）（一）斗屮Tm=2 81.2% 1.5136 0.5 0.132 0.01741600.18=

26、 8.31%： 10%滿足設(shè)計(jì)要求表5典型n型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cmax /Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tmA2.452.702.853.003.153.253.303.40tv A13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.853.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖15所示，圖中Un為 轉(zhuǎn)速給定電壓，-為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 Ui。與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為圖15含給定濾波與反饋濾

27、波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器U；p4系統(tǒng)起動(dòng)過程分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 Un時(shí)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程圖如圖16所示。由于在起動(dòng)過程中轉(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)過程就分成了圖中標(biāo)明的I、U、川三個(gè)階段。圖16直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段（0右）是電流上升階段。突加給定電壓Un后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器 的跟隨作用，U c、U d0、ld都跟著上升，但是在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流I dL以前， 電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id -IdL后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn) 速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓 UUn

28、 -Un的數(shù)值仍 較大，其輸出電壓保持限幅值 Uim，強(qiáng)迫電樞電流I d迅速上升。直到ld Tdm， Ui Uim，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一 階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 一般不飽和。第U階段（t!t2）是恒流升速階段。在這個(gè)階段中， ASR始終是飽和的， 轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為恒值電流給的 Um下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持 電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反 電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為 了克服這個(gè)擾動(dòng)，Udo和Uc也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持

29、Id恒定。ACR 采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，為了使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓 Ui二5-5必 須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略小于Idm。此外，為了保證電流環(huán)的這種 調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中ACR不應(yīng)飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也 需留有余地。第川階段（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 n二n時(shí)，轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Uim，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。但是，只要Id仍大于負(fù)載電流IdL， 轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id =ldL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te

30、-Tl，則dn dt =0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值 （t=t3時(shí)）。此后電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在t3t4時(shí)間內(nèi)，Id IdL，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id盡快的跟隨給定值U，即電流內(nèi)環(huán) 是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程的特點(diǎn)是：1）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。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)。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)