直流調(diào)速器轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

1、1 概述1.1 研究背景和意義直流調(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)。 隨著交流調(diào)速的迅速 發(fā)展， 交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟， 以及交流電動機的經(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)。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 現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。 但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高， 如要求快速起制動、 突加負(fù)載動 態(tài)速降時， 單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足。 這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要 來控制動態(tài)過程中的電流或轉(zhuǎn)矩。 在

2、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 用來控制電流的， 但它只是在超過臨界電流值以后， 靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的 沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。 實際工作中， 在電機最大電流受限的條 件下，充分利用電機的允許過載能力， 最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許 最大值， 使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動， 到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后， 又讓電流立 即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行 1。實際上， 由于主電路電感的作用， 電流不能突跳， 為了實現(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， 按照反饋控制規(guī)律， 電流負(fù) 反饋就能得到近似的恒

3、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，不要電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用， 因此需采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 這樣就能做到 既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用又能使它們作用在不同的階段?，F(xiàn)代社會中， 電力電子技術(shù)及計算機控制技術(shù)得到迅速發(fā)展， 促進(jìn)了電氣傳動的 技術(shù)革命。 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合計算機數(shù)字控制取代模擬控制己成為發(fā)展趨勢。 目前對 全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)已有廣泛探討， 選用合理的參數(shù)調(diào)節(jié)， 研制全數(shù)字轉(zhuǎn)速電流雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)成為科技工作者的研究熱點。研究可靠的全數(shù)字轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，

4、可實現(xiàn)直流電機得到比開 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)更加快速的啟動過程和更加穩(wěn)定的電動機轉(zhuǎn)速， 使得直 流電機得到更加廣泛的應(yīng)用。1.2 發(fā)展趨勢和應(yīng)用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，且設(shè)計較為方便，是應(yīng)用非常廣泛的一種調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源， 常用的可控直流電源主要有以下幾 種：(1) 旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，來獲得可調(diào)的直流 電壓。(2) 靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。(3) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電， 利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。隨

5、著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、 靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等方面，提出了更高的要求，這就要大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直 流電動機的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從 20世紀(jì) 30年代起就開始使用，其中最典型 的是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)是自動控制領(lǐng)域一種重要的控制系統(tǒng)， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 直流 調(diào)速系統(tǒng)在數(shù)控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設(shè)備、包裝機械、電工機械、 食品加工機械、橡膠機械、生物設(shè)備、印制電路板設(shè)備、實驗設(shè)備、焊接切割、輕工 機械、物流輸送設(shè)備、機車車輛、醫(yī)設(shè)備、通訊設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng) 等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 直流調(diào)速以

6、其自身優(yōu)良的特性， 可以預(yù)見在將來會有更加廣泛 的應(yīng)用。1.3 課題任務(wù)和研究內(nèi)容1.3.1 課題任務(wù)已知直流電動機額定參數(shù)為： Unom=220V，Inom=136A ，nnom=1500r/min，4極，Ra=0.21 Q GD2=22.5N m2勵磁電壓Uf=220V，勵磁電流lf=1.5A，采用晶 閘管整流電路，整流器內(nèi)阻 Rrec=1.3Q,平波電抗器Lp=20mH。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略，設(shè)計一個直流調(diào)速器作為該電機的驅(qū)動控制器。要求如下：電流超調(diào)量(i%5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 cn%10%。 過載倍數(shù)入=14,取電流反饋濾波時間常數(shù)為 Tj=0.002S,轉(zhuǎn)速

7、反饋濾波時間常數(shù) 為Tn=0.01S,取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器的飽和值為 12V，輸出限幅為10V，額 定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定為 U*n =10V。然后，在 Simulink 中建立仿真模型，運行得出仿真模型波形圖，通過對波形圖 的分析來說明轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能、 動態(tài)性能和抗干擾性能1.3.2 研究內(nèi)容本設(shè)計研究的是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 這種直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能較 好，適應(yīng)數(shù)字技術(shù)發(fā)展的趨勢。由于計算機控制、電力電子器件等的迅速發(fā)展，可預(yù) 見直流調(diào)速系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于各種運動控制設(shè)備 2 。主電路：采用三相可控晶閘管整流電路整流，用 PI 調(diào)節(jié)器控制，通過改變電

8、動 機電樞電壓從而進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。控制電路：為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用， 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。 二者之間實行嵌套連接 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) 3 。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)器一般采用 PI 調(diào)節(jié)器，兩 個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，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， 并考慮到運算放大器的倒相作用。 通常，轉(zhuǎn)

9、速和電流兩個調(diào)節(jié)器 的輸出都是有限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓值為 Ui*m 決定了電流給定電壓的最 大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓是Ucm，它限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。第 1 章，主要介紹直流調(diào)速系統(tǒng)的背景、意義、發(fā)展趨勢和應(yīng)用。并提出本設(shè) 計的任務(wù)及主要研究的內(nèi)容。第 2 章，分析直流調(diào)速的基本概念及方法。介紹三種直流調(diào)速的方法：調(diào)節(jié)電 樞電壓U；改變電機主磁通；改變電樞電路電阻 R。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成中，分析了主電路，控制電路的組成，以及基本的控制原理，利用電流內(nèi)環(huán)， 轉(zhuǎn)速外環(huán)形成雙閉環(huán)控制。在靜態(tài)特性中介紹了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 動態(tài)特性主要分析

10、了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程： 電流上升階段， 恒流 升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段三個階段。 最后介紹工程設(shè)計方法的基本思路、 典型 I 型系 統(tǒng)、典型 II 型系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計。第 3 章，簡述 Simulink 的使用方法，并用 Simulink 軟件建立仿真模型得出結(jié) 果。首先介紹使用方法以及同步 6 脈沖發(fā)生器的基本原理。同步 6 脈沖發(fā)生器的輸 入端用于給定移相控制角的大小，控制角的單位是“度” ?？刂齐娐吠ㄟ^改變移相控 制角的大小來改變同步 6 脈沖發(fā)生器的輸出，從而進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。本章主要內(nèi)容是 兩個仿真模型的建立及仿真。 直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)做了空載啟動

11、仿真。 轉(zhuǎn)速電流 雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)也做了空載啟動，在 1s 時突加負(fù)載的仿真。最后系統(tǒng)模 型運行仿真得出波形圖， 并對仿真得出的波形圖進(jìn)行分析， 說明建立的仿真模型是正 確的，并且達(dá)到了設(shè)計要求。2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念及方法直流調(diào)速系統(tǒng)就是調(diào)節(jié)直流電動機速度的系統(tǒng)，由于直流電動機具有低轉(zhuǎn)速大 力矩的特點，是交流電動機無法取代的，因此調(diào)節(jié)直流電動機速度的直流調(diào)速系統(tǒng)具 有廣闊的應(yīng)用天地。直流電動機具有良好的起制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速， 在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速器的應(yīng)用特點：(1) 較寬的調(diào)速范圍。(2)

12、 較快的動態(tài)響應(yīng)過程。(3) 力、減速時自動平滑的過渡過程。(4) 低速運轉(zhuǎn)時力矩大。(5) 較好的挖土機特性，能將過載電流自動限止在設(shè)定電流上。根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程(2.1)U IR nKe式中n轉(zhuǎn)速(r/mi n)U電樞電壓(V)I 電樞電流(A)R電樞回路總電阻()勵磁磁通(Wb)Ke 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù) 由式(2.1)可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種：(1) 調(diào)節(jié)電樞電壓 U。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài) 響應(yīng)快，適用于要求大范圍的無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)。(2) 改變電機主磁通。只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功 率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能

13、無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小。(3) 改變電樞電路電阻 R。在電動機電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速， 平滑性差，機械特性軟，效率低。改變電樞電路電阻的方法缺點很多，目前很少采用 弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。 改變電樞電壓主要有三種方式： 旋轉(zhuǎn)變流 機組，靜止變流裝置，PWM （脈寬調(diào)制變換器）或稱直流斬波器5 o旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流電動機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱 G-M系統(tǒng)，因此國際上統(tǒng)稱 Ward-Leonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速度系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜，體積大，效率低，運行有噪音，維護(hù) 不方便

14、。20世紀(jì)50年代，開始用汞弧整流器和晶閘管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變 流機組，但是到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管。采用晶閘管變流 裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱 V-M系統(tǒng)，又稱靜止的 Ward-Leonard系統(tǒng)，通過控 制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角，進(jìn)而改變整流電壓U的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。V-M在調(diào)速性能，可靠性，經(jīng)濟(jì)性上都有優(yōu)越性，成為直流 調(diào)速系統(tǒng)的主要方式。PWM變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷 時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DC-DC變換器。2.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成在單閉環(huán)直流

15、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Ider以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，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)起動過程如圖2.1所示，啟動電流達(dá)到最大值Idm后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過 程延長。圖2.1帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機等，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)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許 的最大值，使電力拖

16、動系統(tǒng)以最大的加速度啟動， 達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下 來，是轉(zhuǎn)矩馬上和負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這是在最大電流受限制是調(diào)速系 統(tǒng)所能獲得的最快的啟動過程 0理想啟動過程波形如圖2.2所示，這時，啟動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。 這是在最大電流轉(zhuǎn)矩受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的啟動過程。圖2.2理想的快速啟動過程為了實現(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。二者之間實行嵌套 （或稱串 級）聯(lián)接如圖2.3所示。ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR-電流調(diào)節(jié)器；TG-測速發(fā)電機；TA-電流互感器；UPE-電力電子變換器圖

17、2.3中，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)0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2.4中標(biāo)出了兩個調(diào) 節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，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，并考慮到運算放大器的倒相作用圖2.4中還表示兩個調(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Um決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)

18、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 U dm。圖2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖+ 限幅電路如圖2.5和圖2.6所示。U ex圖2.5二極管鉗位的外限幅電路U ex圖2.6穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路電流檢測電路如圖2.7所示。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)控制直流 調(diào)速系統(tǒng)的特點是電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器控制， 且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升， 并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流增加，從而使電動機

19、獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)速上升。 當(dāng)實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流 環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流下降，電動機將因為電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速。 在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 輸出達(dá)到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流限制 Idm實現(xiàn)電動機的加速，使電動機的啟 動時間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)電動機快速制動。 在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶 閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機快速制動9。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：(1) 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u 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，則可實現(xiàn)無靜差。(2) 對負(fù)載變化起抗

20、擾作用。(3) 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用：(1) 作為內(nèi)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u*變化。(2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。(3) 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。(4) 當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，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。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是非常 重要的。2.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.8所示。 它可以根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的

21、輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。IdUnACR UcUPE UKsUn圖2.8雙閉環(huán)直流調(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)分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性，一般存在兩種狀況：(1) 飽和一輸出達(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)。(2) 不飽和一輸出未達(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。實際上，在正常運行時，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

22、。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖 2.9所示。CABnOdnomdm圖2.9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和un Un n n(2.2)U* Ui Id(2.3)式中，為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。*由上式可得n 5n0(2.4)從而得到上圖靜特性的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，U* U*m，由上式可知：Id Idm。這就是說, CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的Id = 0 一直延續(xù)到Id = Idm，而Idm 一般都是大于額 定電流IdN的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性 10 o(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達(dá)到限幅值um，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不

23、再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時*Id 如 Idm(2.5)其中，最大電流Idm是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng) 允許的最大加速度。式(2.5)所描述的靜特性是上圖中的 AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n。，則Un U*n，ASR將 退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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)11 o這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這

24、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。 然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系 數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如圖 2.9中虛線所示。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān) 系UnUnnn。(2.6)*UiUiIdI dL(2.7)Uc UCn IdRCeU：/IdLR(2.8)KSKSKS上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓U*n決定的；ASR的輸出量U*i是由負(fù)載電流IdL決定的；而控制電壓 Uc的大小則同時取決于n和Id,或 者說，同時取決于U*n和IdLo這些關(guān)系

25、反映了 PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比 于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，達(dá) 到穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，其輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止12 o鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同， 而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋 系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)U nmmax(2.9)電流反饋系數(shù)Uim(2.10)dm兩個給定電壓的最大值 U*nm和U*im由設(shè)計者選定，受運算放大器允許輸入電壓 和

26、穩(wěn)壓電源的限制。2.4轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.10所示。UnWasr(S)+Ks1/ RllR1/ Ce*Wacr (S)TsS1Ud0T|S 1+TmSEiUc+ -圖2.10雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中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)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有WASR(S)KnnS 1nS(2.11)WACR(S)KiiS 1iS(2.12)在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的啟動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加

27、給定電壓 U*n由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過 程如圖2.11所示13。由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成I、II、山三個階段三個階段如圖2.11中標(biāo)明的所示圖2.11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動時轉(zhuǎn)速和電流波形圖第I階段是電流上升的階段（0 t1）。突加給定電壓U*n后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的 跟隨作用，Uc、UdO、Id上升，但是在Id小于負(fù)載電流IdL之前，電機還不能轉(zhuǎn)動。 當(dāng)Id IdL后，電機開始啟動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值U im，強迫電流Id迅速上升

28、。直到，Id I dm ， Ui U im電流調(diào)節(jié)器很快就壓了 I d的增長，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14。第II階段是恒流升速階段（ht2）。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速 環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 U*im給定下的電流調(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。與此同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，Udo和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持 Id恒定。當(dāng)ACR采用PI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏

29、差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。恒流升速階段是啟動過程中的主要階段。為了保證電流環(huán)的 主要調(diào)節(jié)作用，在啟動過程中 ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE的最大輸 出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。第 皿 階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 U*im，所以電機仍 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)，U*i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 = IdL時，轉(zhuǎn)矩Te= Tl，貝U dn

30、/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值(t = t3時)。此后，電動 機開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時間內(nèi) (t3 t4)，Id IdL ，直到 穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好， 也會有一些振蕩過程。 在這最后的轉(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 貝力圖使 Id盡快地跟隨其給定值U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程有以下三個特點：(1) 飽和非線性控制隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個系統(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

31、分析， 不能簡單的用線性 控制理論來分析整個啟動過程， 也不能簡單的用線性控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控 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，轉(zhuǎn)速必然會超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是 容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。(3) 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制” ，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流啟動， 就是時間最優(yōu)控制。 但由于在啟動過 程I、皿兩個階段中電流不能突變，實際啟動過程與理想啟動過程相比還有一些差 距，不過這兩段時間只占全部啟動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時間最 優(yōu)

32、控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控 制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍的得到應(yīng)用 15。最后， 應(yīng)該指出， 對于不可逆的電力電子變換器， 雙閉環(huán)只能保證良好的啟動性 能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加 快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。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)性能是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能 16。(1) 抗負(fù)載擾動如圖 2.10 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 A

33、SR 時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。(2) 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用圖2.12中Ud和IdL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，由于擾動作用點不同， 存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動能夠比較快的反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)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17 0Ks1/ RdIFETsS1JL_Ts 1 09*TmSIIUdIdLU do.1/Ce圖2.12單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用UdoUdIdLUnUn* ASRACR fJ I

34、 -UTs 11/RTs 1IdFRTms1/Ce圖2.13雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用在圖2.13所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流 反饋得到比較及時的調(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。2.5調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計需從動態(tài)校 正的需要來解決。在設(shè)計每一個調(diào)節(jié)器時，都必需先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù) 頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)試湊，才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并

35、計算參數(shù)。反復(fù)試湊過程也就是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快和 抗干擾諸方面矛盾的正確解決過程，需要有熟練的設(shè)計技巧才行，于是便產(chǎn)生建立更 簡便實用的工程設(shè)計方法的必要性18 0現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)， 除電機外， 都是由慣性很小的電力電子器件、 集 成電路等組成的。 經(jīng)過合理的簡化處理， 整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)， 而用 運算放大器或數(shù)字式微處理器可以精確地實現(xiàn)比例、 積分、微分等控制規(guī)律， 于是就 有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)。 如果事先對這些典 型系統(tǒng)作比較深入的研究， 把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性， 弄清楚它們 的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系，寫成簡單的公

36、式或制成簡明的圖表。這樣在設(shè)計時， 只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)， 就可以利用公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計算， 設(shè) 計過程就要簡單的多。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性 19 。有了必要的可能性， 各種工程設(shè)計方法便相繼提出。 其中有德國西門子公司提出 的“調(diào)節(jié)器最佳整定”法，包括“模最佳”和“對稱最佳”兩種參數(shù)設(shè)計方法，傳入 我國后，習(xí)慣上分別稱作“二階最佳”和“三階最佳”設(shè)計。這種方法已在國際上普 遍應(yīng)用，其公式簡明好記，但也存在一些問題，例如：只有所謂的“最佳”參數(shù)計算 公式，調(diào)速系統(tǒng)時，如果系統(tǒng)性能不夠滿意，不能明確調(diào)整參數(shù)的方向；特別是沒有 考慮到調(diào)節(jié)器飽和這一關(guān)鍵問題， 使計算

37、結(jié)果存在不小的誤差。 經(jīng)過對該方法的深入 分析研究，并吸取隨動系統(tǒng)設(shè)計用的“振蕩指標(biāo)法”和學(xué)者提出的“模型系統(tǒng)法”的 長處，歸納出調(diào)節(jié)器的過程設(shè)計方法， 經(jīng)過一段時間的應(yīng)用與實踐， 已經(jīng)證明是有效 的方法20。設(shè)計原則：(1) 概念清楚、易懂；(2) 計算公式簡明、好記；(3) 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；(4) 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；(5) 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果要求更精確的動態(tài)性能，可參考“模型系統(tǒng)法” 。對于復(fù)雜的不可能簡化成 典型系統(tǒng)的情況，可采用高階系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)的計算機輔助分析和設(shè)計 21。工程設(shè)計方法的

38、基本思路：第一步：選擇調(diào)節(jié)器結(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：設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。 這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第 一步先解決主要矛盾， 即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度， 然后在第二步中再進(jìn)一步滿足其他 動態(tài)性能指標(biāo)。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)時只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量22 0一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為W(s)J 1)(2.13)sr(TiS 1)i 1上

39、式中，分母中的sr項表示該系統(tǒng)在原點處有r重極點，或者說，系統(tǒng)含r個 積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0，1, 2，等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、H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 皿型和皿型以上的系統(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，多選用I型和II型系統(tǒng)23 0I型和II型系統(tǒng)還有多種多樣的結(jié)構(gòu)，下面各選一種作為典型。(1)典型I型系統(tǒng)作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為W(s)s(Ts 1)(2.14)式中T為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù);K為系統(tǒng)的開環(huán)增益。R(s)它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.14所示C(s)s(Ts 1)圖2.14閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖典型的I型系統(tǒng)結(jié)

40、構(gòu)簡單，其對數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/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，即選擇參數(shù)滿足arctg cT 45于是，相角穩(wěn)定裕度18090 arctg cT 90 arctg cT45開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖2.15所示圖2.15開環(huán)對數(shù)頻率特性(2)典型II型系統(tǒng)(2.15)在各種II型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡單而且能夠保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型的 II 型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為：W(s)s 仃s 1)它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.16所示R(s)K( s 1)C(s)2s (Ts 1)圖2.16閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖典型的II型

41、系統(tǒng)也是以 EOdB/dec的斜率穿越OdB線。由于分母中s2項對 應(yīng)的相頻特性是 80,后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，在分子添一個上比例微分環(huán)節(jié)(s+1)，是為了把相頻特性抬到-80線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足1 丄cT或T于是，相角穩(wěn)定裕度180 180 arctg c arctg cT arctg c arctg cT且 比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖2.17所示。典型的I型系統(tǒng)與典型II型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和西門子方法中的“二階最佳系統(tǒng)”與“三階最佳系統(tǒng)”是一樣的，只是名稱不同圖2.17開環(huán)對數(shù)頻率特性然而，階數(shù)上是三階或二階只是表面現(xiàn)象，因為經(jīng)過降階處理后，高

42、階系統(tǒng)可以近似的降為低階，而I型和II型以及由此表明的穩(wěn)態(tài)精度上的差異才是這兩類系統(tǒng) 本質(zhì)上的區(qū)別，所以采用現(xiàn)在的命名更為妥當(dāng)24。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2.18所示，它與前面圖2.10的不同之 處在于增加了濾波環(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)Toi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

43、給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二 者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便 25。圖2.18雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi為電流反饋濾波時間常數(shù)；Ton為轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)由測速發(fā)電機得到的轉(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Ton表示。一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù) Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計。第一步：電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化。在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E 0 這時，電流環(huán)如圖2.19所示。U*(s)ACRKsUdo(s)1/ RId(s)Tss 1Ts 1Uc(s)Ui

44、(s)As 1圖2.19忽略反電動勢的動態(tài)影響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)內(nèi)，同時把給定信號改成 U*i(s) / ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2.20所示。U：(s)圖2.20等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)最后，由于Ts和Toi 一般都比Ti小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為T iTsToi簡化的近似條件為131*電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成如圖 2.21所示。U*(s)+電ACRUc(s)心/Rld(S)1，(T is 1)(Tis 1)圖2.21小慣性環(huán)節(jié)近似處理第二步：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，

45、希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2.21可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào),保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及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，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)26。圖2.21表明，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WACR(S)K( iS 1)iS式中Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇i Ti則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為如圖2.22所示的典型

46、形式，其中Ki礎(chǔ)iR(2.16)(2.17)(2.18)+ ”KiId(s)nSGTS 1)Ui圖2.22校正成典型I型系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2.23校正成典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性第三步：電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算。式(2.16)給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki和i，其中i已選定，見式(2.17)中 剩下的只有比例系數(shù)Ki，可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指標(biāo)選取。在一般情況下，希望電流超調(diào)量i -+.+R C.IIUc圖2.24含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器圖中U*i為電流給定電壓；-Id為電流負(fù)反饋電壓；Uc為電力電子變換器的控 制電壓。根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易的導(dǎo)出R0(2.21)R

47、G(2.22)1 R0Coi(2.23)Kii轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計。第一步：電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2.22可知Kild(S)叫Ui(s)/S仃 iS 1)S仃 iS 1)11-S S 1 KiKi(2.24)忽略高次項，上式可降階近似為由近似條件可求出1(2.25)(2.26)式中cn轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。電流環(huán)等效傳遞函數(shù)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)為應(yīng)等效為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中l(wèi)d(s) Wc(S)Ui*(S)1Kls(2.27)這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象， 經(jīng)閉環(huán)控制后，可

48、以近似地等效成 只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加 快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)(內(nèi)環(huán))控制的一個重要功能27。第二步：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2.18中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu) 圖便如圖2.25所示。圖2.25轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(S)/，再把時間常數(shù)為1/K|和Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一 個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中1Tn Ton(2.28)K |轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化un(s)+ ASRU；(s)/TnS 1IdL(S

49、)Id(s)仃-An(s)圖2.26等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中(見圖2.26),現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)， 因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型H型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求28 o由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(S)Kn( nS 1)ns(2.29)式中Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wn(s)Kn( nS 1) -T-；-nSCeT

50、mS(T nS 1)Kn R( nS 1)1)n CeTmS2(TnS(2.30)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為KnKn Rn CeT m(2.31)Wn(S)Kn( nS 1)S2仃 nS 1)(2.32)校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.27所示。U；(s)Kn( nS_1)S2(TnS 1)n(s)-i圖2.27校正后成為典型 II型系統(tǒng)第三步：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn和n。按照典型H型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，可得n hT n(2.33)因此Knh 12h2T2(2.34)Kn(h 1) CeTm2h RT(2.35)參數(shù)選擇至于中頻寬h應(yīng)選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定。無特殊要求時，一般可

51、選擇h=5 第四步：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)，如圖 2.28所示RnCRo2Ro2A.+Ui圖2.28含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖中U*n為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，U*i為調(diào)節(jié)器的輸出是電流 調(diào)節(jié)器的給定電壓。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KnRnR。(2.36)RnCn(2.37)(2.38)外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣 做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的， 對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非 常有利29。3 系統(tǒng)仿真3.1 系統(tǒng)仿真的發(fā)展系統(tǒng)仿真是一門系統(tǒng)科學(xué)， 它是以計算機科學(xué)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)

52、， 結(jié)合 各應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)科學(xué)而形成的邊緣科學(xué)， 同時它又是一門綜合性的試驗學(xué)科。 隨著 各門學(xué)科的發(fā)展， 系統(tǒng)仿真也日新月異的發(fā)展著， 已成為近十多年來十分活躍的新興 學(xué)科。系統(tǒng)仿真與各門技術(shù)科學(xué)， 如管理學(xué)科、 經(jīng)濟(jì)學(xué)科以至于社會學(xué)科都有緊密的 聯(lián)系，這正是系統(tǒng)仿真得到廣泛應(yīng)用的原因 30。系統(tǒng)仿真不僅是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科， 同時也是一門實驗性學(xué)科。 對于一些正 在規(guī)劃中的系統(tǒng)或正在設(shè)計中的項目， 都可以建立相應(yīng)的仿真模型， 通過計算機仿真 對系統(tǒng)進(jìn)行方案和參數(shù)的實驗， 預(yù)測未來系統(tǒng)或項目的運行參數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益等。 對于 現(xiàn)有系統(tǒng)作改進(jìn)時，也可以根據(jù)系統(tǒng)仿真模型經(jīng)過改進(jìn)以后的系統(tǒng)運行情況以

53、尋求滿 意的改進(jìn)方案， 特別是一些危險性極大或特別貴重的系統(tǒng)， 通過構(gòu)建模型和仿真實驗 可以得到最安全的運行參數(shù)或節(jié)省巨額開支， 系統(tǒng)仿真的這種實驗性， 為它的應(yīng)用和 推廣開辟了廣闊的前景。 系統(tǒng)仿真的發(fā)展與仿真軟件和仿真語言的研究開發(fā)相互緊密 聯(lián)系。仿真軟件和仿真語言的發(fā)展大體可分為以下四個階段：(1) 通過程序設(shè)計語言階段， 如 60 年代初的仿真語言多用 FORTRAN 直接編 寫程序。(2) 初級仿真語言階段，如 6070 年代中開發(fā)的面向方程和框圖的仿真語言CSSL 和 MIDAS。(3) 高級仿真語言階段， 從 70 年代中期到 80 年代初，許多高級仿真語言問世， 其功能比較完善

54、， 對促進(jìn)系統(tǒng)仿真的應(yīng)用起到?jīng)Q定性的作用， 此階段的代表性的仿真 語言有 MSCRIPT、DYNAMO 等。 1984年以來，美國的 PRITSKER 公司研發(fā) 的 TESS 仿真環(huán)境，將數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)仿真結(jié)合起來并具有數(shù)據(jù)分析。報告與圖形產(chǎn) 生、動畫顯示運動控制等功能，形成一體化仿真軟件系統(tǒng)。(4) 專家仿真系統(tǒng)階段，它的特點是將專家系統(tǒng)與系統(tǒng)仿真結(jié)合起來，使系統(tǒng) 仿真具有智能功能， 以致可以通過面向過程的自然語言交互， 由系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)模、 進(jìn)行 試驗設(shè)計、仿真運行、仿真結(jié)果分析和修改模型等，從而可以取代仿真專家的工作。 在此基礎(chǔ)上，還將進(jìn)一步發(fā)展為智能化的仿真環(huán)境。如現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的 MATLAB 仿真語言等。3