轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、. ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 大 作 業(yè) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真院（部）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 10級電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師姓名： 雷 慧 杰 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2013年 12月.V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要?jiǎng)恿Φ膱龊?，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動(dòng)的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。本文所論述的是“V-M雙閉環(huán)不可逆直流

2、調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真”。主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管-電動(dòng)機(jī)（VM）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器L和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源。關(guān)鍵詞：V-M系統(tǒng)；直流調(diào)速；雙閉環(huán)引言當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長，也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護(hù)有著重大影響。全球變暖、酸

3、雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。 能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國家高12% 55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)運(yùn)和終端利用過程中損失和浪費(fèi)。如果進(jìn)行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍

4、、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤kW/h，是國際先進(jìn)水平的1.27倍。 由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機(jī)中，80%以上為0.55 220kW以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。我國在用電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家50年代水平。因此，在國家十五計(jì)劃中，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá)500億元左右。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。目前，國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面

5、還不是很理想，市場的很大一部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個(gè)全面的了解。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動(dòng)控制中。它在以計(jì)算機(jī)做為工具的仿真系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)1，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在各種高精工業(yè)

6、生產(chǎn)中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數(shù)自整定、故障報(bào)警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護(hù)提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今的熱門。而計(jì)算機(jī)和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)合體，剛好具有以上特點(diǎn)。應(yīng)而，將來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，它將具有不可替代的優(yōu)勢。.目錄摘要I引言II1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介11.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介11.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介21.2.1 系統(tǒng)的組成21.2.2 系統(tǒng)的工作原理21.2.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)31.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介41.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成41.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性61.3.3 雙閉

7、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析92 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定132.1 總體方案132.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)方案142.2.1 電流調(diào)節(jié)器的工作原理142.2.2 電流調(diào)節(jié)器的作用142.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案152.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理152.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用153 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)163.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)163.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)184基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真20設(shè)計(jì)總結(jié)24參考文獻(xiàn)25附圖26.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。目前，需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)

8、速系統(tǒng)簡介20世紀(jì)50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖1.1是V-M系統(tǒng)的簡單原理圖1,3,5。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成

9、熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。 -圖1.1 晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）但是，晶閘管還存在以下問題：（1）由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難； （2） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件；（3） 當(dāng)系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；（4） 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動(dòng)機(jī)每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的

10、電流脈動(dòng)很嚴(yán)重。1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介1.2.1 系統(tǒng)的組成由前面的分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速要求。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(shí)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(dòng)機(jī)上安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)TG，檢測出輸出量或被調(diào)量n的大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓Un，經(jīng)放大產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動(dòng)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)，其原理圖如圖1.2。根據(jù)自動(dòng)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

11、調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)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。圖1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.2.2 系統(tǒng)的工作原理改變轉(zhuǎn)速給定電壓Un的大小，就可以改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖1.3所示，設(shè)電動(dòng)機(jī)在Ud1決定的特性上的點(diǎn)1處以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)負(fù)載電流Id=Id1，控制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當(dāng)電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL加大時(shí)有如下自動(dòng)調(diào)節(jié)過程,整流電壓平均值的增量Ud=Ud2-Ud1,用與補(bǔ)償電阻牙降增量IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在Ud2決定的特性上的點(diǎn)2處，顯然n2

12、略小于n1。 圖1.3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系上述自動(dòng)調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負(fù)載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機(jī)械特性。按上述工作原理在每條開環(huán)機(jī)械特性上取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，再將這些點(diǎn)集合起來 ，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實(shí)際上是由許多機(jī)械特性上的不同運(yùn)行點(diǎn)集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。由此可知，閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)降速的實(shí)際在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電路。1.2.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基

13、本規(guī)律：（1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的；（2） 單閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕對服從；（3） 單閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾性能。1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介1.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，且采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題：（1） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的

14、動(dòng)態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。（2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個(gè)信號綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.3.1.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖1.4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流

15、控制之間的關(guān)系，就是將兩者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級調(diào)節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器4，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖1.4。1.3.1.2 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定信號，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的

16、限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中很重要的一環(huán)。1.3.1.3 調(diào)節(jié)器鎖零為使調(diào)速系統(tǒng)消除靜差，并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會(huì)因輸入干擾信號的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號，而使電動(dòng)機(jī)爬行，這在控制上是不允許的，因此對調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的調(diào)節(jié)器，在沒有給出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡稱為調(diào)節(jié)器鎖零5,6,7。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是

17、由零速鎖零電路來實(shí)現(xiàn)的。并且系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。（1） 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器必須鎖零；（2） 系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令或正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個(gè)信號來控制調(diào)節(jié)器“鎖零”與“開放”兩個(gè)狀態(tài)。停車時(shí)：Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零,無輸出信號。啟動(dòng)時(shí)：Un0，Ufn=0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)：Un=Ufn0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。制動(dòng)停車時(shí)：Un=0, Ufn0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。必須注意，對于可逆調(diào)速系統(tǒng)，Un=0, Ufn0時(shí)，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對其進(jìn)行制動(dòng)停車控制

18、。為使鎖零電路對不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性，Un=0, Ufn0時(shí)，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。調(diào)節(jié)器鎖零可以采用場效應(yīng)管來實(shí)現(xiàn)，如圖1.5所示。圖1.5 調(diào)節(jié)器鎖零當(dāng)Un=Ufn=0時(shí)，鎖零調(diào)節(jié)電路使場效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。1.3.1.4 系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋閉環(huán)，就必須使ASR、ACR的輸入信號Un與Ufn,Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號的極性呢？在實(shí)際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要正確的確定上述信號的極性，必須首先考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定ACR輸出電壓Uc的極性，然后根據(jù)ACR和ASR輸入端的具體接

19、法（是同相輸入還是反相輸入）確定Ui和Un的極性，最后按照負(fù)反饋要求確定Ufi和Ufn的極性。確定各輸入、輸出信號極性的一般方法如下： 根據(jù)晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求確定其移相控制電壓Uc的極性； 根據(jù)各調(diào)節(jié)器輸入端的具體接法（習(xí)慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調(diào)節(jié)器給定輸入信號的極性； 根據(jù)負(fù)反饋的要求確定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號的極性。1.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性1.3.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫出圖1.6所示雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖8。其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器ASR、ACR這兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸入與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無法用

20、放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的輸出特性表示。圖1.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；為電流反饋系數(shù)1.3.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性仍然表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n與電流Id或轉(zhuǎn)矩Te的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)n=f(Id)或n=f(Te)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般有兩種狀態(tài)：飽和輸出達(dá)限幅值；不飽和輸出未達(dá)限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，其比例積分控制作用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓U為零。實(shí)際上，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好

21、的飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。（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)，它們的輸入偏差都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓Un=0得 （1.1） （1.2）由ACR的輸入偏差電壓Ui=0得 （1.3）從而可畫出圖1.7所示靜特性的n0A段。由于ASR不飽和，因此Ui<Uim,由式（1.3）知Id<Idm，這表明n0A段靜特性從Id=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到Id= Idm，而在一般情況下Idm>Id，這正是靜特性的運(yùn)行段。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)，ASR輸出達(dá)限幅值Uim，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速

22、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(gè)電流無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （1.4）式中，最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決與電動(dòng)機(jī)所允許的最大過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式（1.4）所描述的靜特性如圖1.7中的AB段。這樣的下垂特性只適合于nn0的情況。若n>n0，Ufn>Un,ASR將退出飽和狀態(tài)。由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差；當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后表現(xiàn)為電流無靜差，使系統(tǒng)獲得過電流自動(dòng)保護(hù)。這就是采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性好。

23、但是，實(shí)際上，由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器（即在PI調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個(gè)阻值為若干M的電阻）時(shí)，靜特性的兩段都略有很小的靜差，如圖1.7中虛線所示。1.3.2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算由于轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)無靜差，因此，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)，且兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，由圖1.7可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下圖1.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖 （1.5）（1.6） （1.7）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由負(fù)載電流IL決定，而控制電壓Uc的

24、大小同時(shí)由n和Id決定，也就是由Un和IL決定。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的不同之處在于：P調(diào)節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。鑒于此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，雖然ASR、ACR的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都有恒定的輸出電壓。這時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為 （1.8）電流反饋系數(shù) （1.9）其中兩個(gè)給定電壓的最大值Unm和Uim由運(yùn)算放大器允許的最大輸入電壓決定。1.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析1.3.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型912根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖

25、1.4，可畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.8所示。圖1.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)1.3.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一般來說調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要指系統(tǒng)對給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統(tǒng)對擾動(dòng)輸入（階躍擾動(dòng)）的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能或稱動(dòng)態(tài)品質(zhì)。（1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過程設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的是要獲得接近于理想啟動(dòng)過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過程。當(dāng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形如圖1.

26、9所示。由于在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以、。 第階段（0-t1）：強(qiáng)迫電流上升階段突加給定電壓Un后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當(dāng)IdIL后,轉(zhuǎn)速n從零開始增長，但由于電動(dòng)機(jī)機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速n及其反饋信號Ufn增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因輸入偏差電壓Un=Un-Ufn數(shù)值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強(qiáng)迫Id電流迅速上升。當(dāng)Id=Idm時(shí)，UfiUim,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再增長，第階段結(jié)束1,9。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般不飽和，

27、以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和給予保證的。 第階段（t1-t2）:恒流升速階段，即電動(dòng)機(jī)保持最大電流作等加速啟動(dòng)的階段。該階段從電流上升到Idm開始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值n1為止，是啟動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直處于飽和狀態(tài)（因Un未改變極性）,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，其作用是輸出最大電流給定值Uim，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決與ACR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速及反電勢線性上升。在電流環(huán)實(shí)現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)的過程中，反電勢E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服這個(gè)擾動(dòng)量，Uc 和

28、Ud也必須基本上線性增長，才能保持Id恒定。電流環(huán)對擾動(dòng)E的恒流調(diào)節(jié)過程如下nEIdUfi|Ui|UcUdId轉(zhuǎn)速n不斷上升，ACR便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過程，以維持電流Id恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長，就必須使其輸入量偏差電壓Ui保持為某一恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程，反電勢擾動(dòng)對電流的影響為ACR的積分作用所補(bǔ)償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動(dòng)過程中，ACR不能飽和。這就要求ACR的積分時(shí)間常數(shù)和被控對象的時(shí)間常數(shù)T1要相互配合。同時(shí)，晶閘管整流裝置的最大電壓Udm必須

29、留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)予以考慮和解決的問題。 第階段（t2-t4）：轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)入穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在該階段開始時(shí)，即t2時(shí)刻，轉(zhuǎn)速已達(dá)給定值n1，ASR的給定電壓Un與反饋電壓Ufn相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim上，因此電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的輸入偏差Un由正變負(fù)，ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來，Id隨之迅速減小。但是，在Id>IL的一段時(shí)間內(nèi)（即t2-t3）時(shí)間內(nèi)，dn/dt<0,電動(dòng)機(jī)在負(fù)載阻力下減速

30、，直至系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)。該階段的特點(diǎn)是ASR、ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。但是ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；而ACR的作用是使Id盡快的跟隨ASR的輸出Ui變化，也就是說，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由轉(zhuǎn)速外環(huán)支配的，是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。（2） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動(dòng)，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時(shí)間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾能力。 抗負(fù)載擾動(dòng) 由圖1.8所示的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（

31、升）。為了減小動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對ACR的設(shè)計(jì)來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 從靜特性上看，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)（如圖1.9）它的影響還未波及到轉(zhuǎn)速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降（升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。圖1.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負(fù)載的工藝要求來選擇和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速和電流反饋系統(tǒng)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到。最后剩下的是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

32、如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動(dòng)態(tài)校正法，由于該法必須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設(shè)計(jì)采用另一種方法，工程設(shè)計(jì)法。直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)13，包括對某些簡單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，找出適合與給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過程簡便、明確且具有一定的準(zhǔn)確性。工程上通常選用以下兩種預(yù)期典型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)分別為：二階典型系統(tǒng)（典系統(tǒng)）11 三階典型系統(tǒng)（典系統(tǒng)） 在具體選擇時(shí)，若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可選典系統(tǒng)；若以具

33、有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選典系統(tǒng)。2.1 總體方案直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。通常，隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主，而調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。2.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)方案

34、2.2.1 電流調(diào)節(jié)器的工作原理電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入信號。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號Un，一個(gè)是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號Uif，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動(dòng)過渡時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(如降低)時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經(jīng)過電動(dòng)機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化(增大)，則也變化（變小)，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)(增加)致電原來的數(shù)值，這就抑制了上回路電流的變

35、化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和直流電動(dòng)機(jī)不致因電流過大而損壞。2.2.2 電流調(diào)節(jié)器的作用 對電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用； 啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)過程； 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化； 依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性； 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保

36、護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。 電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典系統(tǒng)或典系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典系統(tǒng)。其具體設(shè)計(jì)步驟為：（1） 對電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化；（2） 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計(jì)算；（3） 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)方案2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理在主電機(jī)上安裝一直流測速發(fā)電機(jī)，發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較，其偏差Un送到速度調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)

37、整，可以改變給定電壓，例如提高Un*，則有較大Un加到ASR輸入端，ASR自動(dòng)調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(減小)，整流電壓Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，Um也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移(變小)，Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來數(shù)值時(shí)，Unf又等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來自負(fù)載而是來自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上述過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，

38、使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動(dòng)機(jī)近似轉(zhuǎn)速不變。2.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un變化； 對負(fù)載變化起抗擾作用； 能對電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為合適的典型系統(tǒng)，再由調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和采用的參數(shù)選擇準(zhǔn)則對其主要參數(shù)選擇。并以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)超調(diào)量進(jìn)行計(jì)算，看是否符合設(shè)計(jì)需要。3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

39、晶閘管整流裝置供電的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控電路，基本數(shù)據(jù)如下：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 750V,760A,375r/min,500kW;時(shí)間常數(shù) TL=0.031s,Tm=0.112s,Toi=0.002s,Ton=0.02s;電樞回路總電阻 R=0.14;觸發(fā)整流環(huán)放大倍數(shù)KS=75;調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓UNM*=UIM*=UNM=10V;電動(dòng)勢系數(shù)Ce=1.82Vmin/r;電流過載倍數(shù)=1.5；設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo) 電流超調(diào)量 i%5%；空載啟動(dòng)到375 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%。 3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)1. 確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts

40、。由附表6.1知，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。三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 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(shí)間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：,參照附表6.2的典型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，因此基本確

41、定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3. 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)：。電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此 （2-1）于是，ACR的比例系數(shù)為 （2-2）式中 電流反饋系數(shù)；晶閘管專制放大系數(shù)。4. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：（1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 （2-3）滿足近似條件。（2） 忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 （2-4）滿足近似條件。（3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 （2-5）滿足近似條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖6.1，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為 , 取 （2-6） ，取 （2-7） ，取 （2-8）按照上述參數(shù)，電流環(huán)可

42、以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。圖2.1 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述已知，則 （2-9）（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 （2-10）2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 （2-11）3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 （2-12）則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 K （2-13）可得ASR的比例系數(shù)為 （2-14）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為

43、 （2-15）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 （2-16）滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 （2-17）滿足近似條件。5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖6.2 所示，取，則 ，取 （2-18） , 取 （2-19） , 取 （2-20） 圖2.2 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查附表6.3典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于附表6.3是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知， ， ，。當(dāng)時(shí)，由附表6.4查得，而調(diào)

44、速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 （2-21） 根據(jù)式（6-24）計(jì)算得 （2-22）能滿足設(shè)計(jì)要求。4基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真通過對整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)，得到的結(jié)論還只是理論上的，通過MATLAB/SIMULINK對整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)形式，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4.1所示：圖3.1 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)框圖圖4.1框圖中的各個(gè)參數(shù)已經(jīng)在第六章設(shè)計(jì)好了。則把這些參數(shù)的值代入框圖中的公式就可得到以下框圖4.2。圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

45、特性，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)置一個(gè)限幅值，限幅值的大小可以根據(jù)所選的運(yùn)算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設(shè)計(jì)選取的限幅值為±10V。根據(jù)動(dòng)態(tài)模型圖以及計(jì)算參數(shù)，用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真，主要是仿真電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。但是通過仿真得到的轉(zhuǎn)速超調(diào)量很大，不滿足設(shè)計(jì)的估計(jì)值，原因可能是還有一些因素沒有考慮到，比如電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是理想化的，應(yīng)該有其他的因素影響，這是設(shè)計(jì)中沒有考慮到的，而且計(jì)算得到的是近似值，通過的是工程設(shè)計(jì)方法，與實(shí)際還是有誤差的。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)整流電路的輸出電壓超過了最大計(jì)算值，所以在輸出端也加個(gè)限幅值。通過仿真發(fā)現(xiàn)仿真的轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于設(shè)定值

46、，所以在仿真中通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)來抑制超調(diào)。并在5秒時(shí)加入擾動(dòng)。最終得到的轉(zhuǎn)速仿真圖形如圖4.3所示圖3.3 雙閉環(huán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出仿真圖形 從圖4.3可以很明顯的看出轉(zhuǎn)速的起動(dòng)和擾動(dòng)的現(xiàn)象。從仿真得到的轉(zhuǎn)速曲線圖中可以得出轉(zhuǎn)速超調(diào)量為，基本滿足設(shè)計(jì)的要求，但是與設(shè)定值相比還是有誤差。在0.9秒的時(shí)候，轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，系統(tǒng)無靜差運(yùn)行，其中在5秒的時(shí)候輸入一個(gè)負(fù)載擾動(dòng)量，在5.1秒的時(shí)候擾動(dòng)消失，速降達(dá)到了，過了0.4秒之后轉(zhuǎn)速又達(dá)到穩(wěn)定值。從圖中可以看出，擾動(dòng)很快得到了調(diào)節(jié)，這是兩個(gè)PI型調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用。另外從圖中也可以看到，系統(tǒng)是無靜差運(yùn)行的，符合設(shè)計(jì)的要求。從仿真的結(jié)果來

47、看，得到這樣結(jié)論： (1) 工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過程中為了簡化計(jì)算做了許多近似的處理, 而這些簡化處理必須在一定的條件下才能成立。例如: 將可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)近似地看作一階慣性環(huán)節(jié), 設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)不考慮反電勢變化的影響; 將小時(shí)間常數(shù)當(dāng)作小參數(shù)近似地合并處理; 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)將電流閉環(huán)從二階振蕩環(huán)節(jié)近似地等效為一階慣性環(huán)節(jié)等。(2) 仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果完全相同, 因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)在辨識(shí)過程中難免會(huì)產(chǎn)生模型參數(shù)的測量誤差, 而且在建立模型過程中為了簡化計(jì)算, 忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因素和次要因素。如: 可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)K S 和失控時(shí)間 , 這些都是非線性參數(shù), 但在仿真中被近