雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1、摘 要本文以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，采用工程設(shè)計(jì)方法對(duì)最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用 MATLAB/Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。首先對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器都采用了PID控制器，并分別對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析。其次，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器起主要作用，所以對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊控制，并設(shè)計(jì)了模糊控制器，對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并與常規(guī)PID控制進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明，模糊控制有良好的動(dòng)態(tài)特性，很強(qiáng)的抗干擾能力。關(guān)鍵詞： 直流調(diào)速 PID控制 模糊控制 系統(tǒng)仿真目 錄摘 要I1 緒 論11.1課題研

2、究背景11.2直流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究概況11.4研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義22 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)32.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速32.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)82.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成122.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型132.5可控硅整流裝置的數(shù)學(xué)模型152.6本章小結(jié)163 常規(guī)PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)173.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法173.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)203.3設(shè)計(jì)實(shí)例243.4Matlab仿真303.5仿真結(jié)果分析333.6本章小結(jié)334結(jié) 論341 緒 論1.1課題研究背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言

3、，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、性能相對(duì)穩(wěn)定的常規(guī)PID控制技術(shù)，在實(shí)際的拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于電機(jī)本身及拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)(如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)并不像模型那樣保持不變，而是在某些具體場(chǎng)合會(huì)隨工況發(fā)生改變；與此同時(shí)，電機(jī)作為被控對(duì)象是非線性的，很多拖動(dòng)負(fù)載含有間隙或彈性等非線性的因素。因此被控制對(duì)象的參數(shù)發(fā)生改變或非線性特性，使得線性的常參數(shù)的PID控制器往往顧此失彼，不能使得系統(tǒng)在各種工況下都保持與設(shè)計(jì)時(shí)一致的性能指標(biāo)，常常使控制系統(tǒng)的魯棒性較差，尤其對(duì)模型參

4、數(shù)變化范圍大且具的非線性環(huán)節(jié)較強(qiáng)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器就很難滿足精度高、響應(yīng)快的控制指標(biāo)，往往不能有效克服模型參數(shù)變化范圍大及非線性因素的影響1。模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它不依賴于被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，而是將專家的經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言控制規(guī)則，用這些控制規(guī)則去控制被控系統(tǒng)，能克服各種非線性因素的影響，對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)這種參數(shù)可能發(fā)生較大變化的被控對(duì)象，采用模糊控制具有重大的研究意義2。1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究概況隨著各種處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷的進(jìn)步和完善，80年代該方

5、面的研究達(dá)到最盛的時(shí)期。大型的直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般均采用晶閘管觸發(fā)脈沖，研究人員對(duì)控制算法作了大量的研究：提出模糊PID算法、自適應(yīng)PID算法、內(nèi)模控制的算法和I-P控制器取代PI調(diào)節(jié)器的算法等。目前，國(guó)外一些電氣公司，如瑞典的ABB，德國(guó)的西門子、AEG，日本的三菱、東芝，美國(guó)的GE、西屋等，均已開(kāi)發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有較成熟的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。從20世紀(jì)60年代初隨著我國(guó)第一只硅晶閘管試制成功以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。目前，我國(guó)主要采用綜合性最優(yōu)控制、補(bǔ)償PID控制、PID算法優(yōu)化等方法研究數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)。伴隨各式新型控制器件的迅速發(fā)

6、展，直流電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)正向大功率發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)控制單元小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、積木式組合化。對(duì)某些中小功率裝置，正在做到使電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備組合一體化。特別是近年來(lái)，全數(shù)字化直流調(diào)速裝置在國(guó)外各廠家竟相推出，使得直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐方面都邁上了一個(gè)新臺(tái)階3。1.3研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。此系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)5。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同

7、時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場(chǎng)合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。1.4論文的主要研究?jī)?nèi)容本課題以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，用傳統(tǒng)PID控制和模糊控制對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和性能對(duì)比，驗(yàn)證控制方案的合理性。主要完成如下工作：（1）數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)直流電動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。（2）系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)利用直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。用MATLAB/Simulink軟件

8、，進(jìn)行模型搭建和仿真。（3）選擇合適的模糊控制器模糊控制器的選擇至關(guān)重要，直接影響其性能。（4）將模糊控制應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將模糊控制方式在直流電動(dòng)機(jī)的模型中實(shí)現(xiàn)，加以仿真，分析輸出波形，對(duì)控制系統(tǒng)的性能效果進(jìn)行對(duì)比、論證。2 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.1直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速（1）直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)接通電源以后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過(guò)程稱為起動(dòng)過(guò)程。直流電機(jī)的起動(dòng)條件應(yīng)滿足以下原則：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)電流限制在安全范圍以內(nèi)；起動(dòng)設(shè)備投資要經(jīng)濟(jì)適用，設(shè)備運(yùn)行要安全可靠，起動(dòng)時(shí)間要短。電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速，電樞繞組輸出的感應(yīng)電勢(shì)，電機(jī)自身的電樞回路總電阻又小，這時(shí)電樞電

9、流稱電機(jī)起動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的10-20倍，這樣大的起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備都有害，必須要限制在允許范圍之內(nèi)。但是，當(dāng)起動(dòng)電流減小時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，所以二者不能兼顧。一般原則是保證有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能減小起動(dòng)電流。常用的直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有三種：直接起動(dòng)；接入變阻器起動(dòng)；降壓起動(dòng)。（2）直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)是用以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。直流電動(dòng)機(jī)在這些方面有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)方程可表示為 （2-1）式中n轉(zhuǎn)速(r/min)； U電樞兩端的電壓(V)；I電樞回路電流(A

10、)；R直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻()； 電機(jī)的電勢(shì)常數(shù)；勵(lì)磁磁通(Wb)。在上式中，是常數(shù)，電流I取決與電機(jī)所帶負(fù)載，因此預(yù)想調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下三種方法： 改變電樞供電電壓U直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞回路如圖2-1(a)所示，為可控電源內(nèi)阻，為電源空載電壓。轉(zhuǎn)速方程為 （2-2）式中 電動(dòng)機(jī)額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比，； 理想空載轉(zhuǎn)速，； 轉(zhuǎn)速降，為電樞回路總電阻。改變電樞供電電壓可以得到一組相互平行的機(jī)械特性曲線，如圖2-1(b)所示。由于電樞回路電阻的存在，實(shí)際的轉(zhuǎn)速要比理想空載轉(zhuǎn)速低。負(fù)載不變時(shí)，電樞電流也不變，轉(zhuǎn)速降也不變。當(dāng)電壓低到一定時(shí)（大于零），因轉(zhuǎn)速降的存在，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為零。內(nèi)阻越大

11、，特性就越軟，實(shí)際的調(diào)速范圍就越窄。調(diào)壓調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸輸出功率為 （2-3）當(dāng)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)， （2-4）式中 K常數(shù)，； T電磁轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。式（2-4）表明，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電動(dòng)機(jī)軸上輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)額定功率。(a)(b)圖2-1變電樞電壓調(diào)速特性(a)電樞電路 (b)機(jī)械特性 減弱勵(lì)磁磁通由式（2-2）可知，當(dāng)負(fù)載電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）不變時(shí)，改變勵(lì)磁磁通，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降都發(fā)生變化，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化。電動(dòng)機(jī)磁通是按額定磁通設(shè)計(jì)的，如果增大勵(lì)磁電流，則磁通磁路飽和，所以調(diào)磁通調(diào)速是在額定磁通以下調(diào)節(jié)（弱磁）。隨著

12、磁通量的減少，空載轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)速降也在提高，機(jī)械特性變軟，如圖2-2所示：(a) (b)圖2-2弱磁調(diào)速特性(a)勵(lì)磁回路 (b)機(jī)械特性弱磁調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上輸出功率如式（2-5）所示，它基本不變，因此弱磁調(diào)速適合恒功率性質(zhì)負(fù)載。 （2-5） 改變電樞回路電阻R在電樞回路中串接附加電阻，來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系式（2-2）中的轉(zhuǎn)速降，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。這種調(diào)速方式的控制回路和機(jī)械特性如圖2-3所示，其特點(diǎn)如下：a理想空載轉(zhuǎn)速不變。b特性變軟。c因電阻很難做到連續(xù)可調(diào)，所以是有級(jí)調(diào)速。d耗能。目前，這種調(diào)速方式很少采用。(a) (b)圖2-3變電樞電阻調(diào)速特性(a)電樞電路 (b)機(jī)械特性從以上

13、三種方法的介紹中可知，對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。變電阻只可以實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；弱磁調(diào)速雖然可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但它可調(diào)節(jié)的范圍不太大，經(jīng)常要和調(diào)壓方式配合，在額定轉(zhuǎn)速以上可作較小范圍的弱磁升速。因此，調(diào)壓調(diào)速為自動(dòng)控制系統(tǒng)主要調(diào)速方式，本論文正是采用此方法來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)115。調(diào)節(jié)電樞供電電壓常用三種方法：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止式可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組是被采用的最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，它由直流發(fā)電機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)組成機(jī)組，以得到可調(diào)的直流電壓，簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。雖然G-M系統(tǒng)調(diào)速性能比較好好，但設(shè)備多

14、、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)時(shí)不方便、運(yùn)行時(shí)也有噪音。20世紀(jì)60年代，開(kāi)始采用閘流管或汞孤整流器組成的靜止式變流裝置來(lái)代替G-M，但又很快被經(jīng)濟(jì)更為可靠的晶閘管整流裝置所取代。采用晶閘管整流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又叫靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來(lái)改變來(lái)改變觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。V-M在調(diào)速性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性上都有所提高，它成為直流電動(dòng)機(jī)主要調(diào)速系統(tǒng)。直流斬波器利用功率開(kāi)關(guān)器件的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)改變通斷時(shí)間的比例，把固定的直流電源電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電源電壓，稱為DC-DC變換器。因受大功率

15、晶閘管的額定電流及最大電壓的限制，直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的最大功率僅有幾十千瓦，而V-M系統(tǒng)的最大功率能達(dá)到幾千千瓦，所以，它還只能在小、中容量的調(diào)速系統(tǒng)中取代V-M系統(tǒng)5。本論文要求調(diào)速性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性方面都比較優(yōu)越，而且要求功率范圍寬，故采用晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，即V-M系統(tǒng)。2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力?？箶_動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，

16、應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響。2.2.1靜態(tài)性能指標(biāo)（1）調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，提供的最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度與最低運(yùn)轉(zhuǎn)速度之比，稱為調(diào)速范圍，用符號(hào)D表示，即 （2-6）（2）靜差率當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)從理想空載轉(zhuǎn)速至額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降落了與理想空載轉(zhuǎn)速之比，叫做靜差率s，即 （2-7）用百分?jǐn)?shù)可表示為 （2-8）由以上可知，靜差率能反映拖動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)調(diào)速的穩(wěn)定性。它與機(jī)械特性的硬度有關(guān)，機(jī)械特性越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度就越高。但是靜差率與特性硬度又是不同的。變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速的情況下機(jī)械特性是相互平行的，對(duì)于相同硬度的機(jī)械特性，理

17、想空載時(shí)轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大，轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定度也越差。由此可見(jiàn)，調(diào)速范圍與靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系不是相互獨(dú)立的，它們必須一起被提出時(shí)才有意義。若調(diào)速的額定速降一樣，則運(yùn)轉(zhuǎn)的越慢，靜差率就越大。在低速的情況下，如果靜差率能符合設(shè)計(jì)要求，那么靜差率在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就更能滿足要求了。所以，在調(diào)速系統(tǒng)中，靜差率指標(biāo)的基準(zhǔn)就是最低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能達(dá)到的參數(shù)。（3）調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般規(guī)定最高轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)的額定轉(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，最低速時(shí)的靜差率就是該系統(tǒng)的靜差率，即 于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為將上面的式代入，得 （2-9）式

18、（2-9）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于具體一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)而言，值一定，如果靜差率被要求的越嚴(yán)，即s值越小時(shí)，系統(tǒng)被允許的調(diào)速寬度范圍D也就越小5。2.2.2拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的性能指標(biāo)拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的性能指標(biāo)是生產(chǎn)工藝流程要求對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求經(jīng)折算與量化后得到的。在自動(dòng)化系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指跟蹤給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和抗擾動(dòng)信號(hào)的魯棒性能指標(biāo)。（1）系統(tǒng)跟隨性指標(biāo)在參考輸入信號(hào)R(t)的作用下，跟隨性能指標(biāo)可用來(lái)描述系統(tǒng)輸出量C(t)的變化。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，在階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程中給定信號(hào)作為典

19、型的跟隨過(guò)程，這時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達(dá)到的時(shí)間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間：上升時(shí)間在典型的階躍響應(yīng)跟隨過(guò)程中，輸出量從零開(kāi)始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱為階躍響應(yīng)的上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見(jiàn)圖2-4。圖2-4 典型的階躍響應(yīng)過(guò)程和跟隨性能指標(biāo)超調(diào)量在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，超調(diào)量輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示： （2-10）調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢的衡量可以用調(diào)節(jié)時(shí)間來(lái)衡量。在原則上，應(yīng)該是從階躍變化開(kāi)始到輸出量完全穩(wěn)定下來(lái)為止所需的時(shí)間。在線

20、性控制系統(tǒng)中，理論上才是真正的穩(wěn)定，然而在實(shí)際系統(tǒng)中，因?yàn)楦鞣N非線性因素的存在，過(guò)渡過(guò)程到一定時(shí)間就終止了。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取(或取)的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，可見(jiàn)圖2-4。（2）抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo)控制系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，并定義抗擾動(dòng)能力動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如圖2-5所示。常用的抗擾動(dòng)能力性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間：動(dòng)態(tài)降落系統(tǒng)在穩(wěn)定條件下運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速降落的最大值叫做動(dòng)態(tài)降落，常用與輸出量的原穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示（或用某基準(zhǔn)值

21、的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示）。在動(dòng)態(tài)降落后輸出量逐漸恢復(fù)，達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值，是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。一般情況下，動(dòng)態(tài)降落大于穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)速系統(tǒng)在突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落叫做動(dòng)態(tài)降落?；謴?fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)作用開(kāi)始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量的(或取)范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，其中稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主56。 圖2-5 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

22、和電流，并引入轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋。在二兩者中采用嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖2-6所示。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器UPE。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，電流環(huán)在里邊，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這樣就構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)5。圖2-6 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖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 轉(zhuǎn)速給定電壓轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁條件下電樞回路的等效電路繪于圖2-7，圖中的電樞回路的電阻R和電感L包含電機(jī)電

23、樞電阻、可控硅變換器的內(nèi)阻和電感以及在主電路中可能接入的其它電阻及電感，電樞電流的方向如圖2-7所示57：圖2-7直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞回路等效電路假設(shè)電機(jī)系統(tǒng)主電路的電流為連續(xù)，則電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)情況下的電壓方程為 （2-11）不考慮彈性轉(zhuǎn)矩及粘性摩擦，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)方程為 （2-12）額定勵(lì)磁下磁通為常數(shù)，直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 （2-13）和 （2-14）式中 直流電動(dòng)機(jī)的宏觀負(fù)載轉(zhuǎn)矩；直流電動(dòng)機(jī)軸上總的等效飛輪慣量；額定勵(lì)磁下直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，。定義下列時(shí)間常數(shù)：直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)為；直流電機(jī)電樞回路動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間常數(shù)為 。代入式（2-11）和（2-1

24、2），并考慮式（2-13）和（2-14），整理后得 （2-15） （2-16）式中 負(fù)載電流（A），。在零初始狀態(tài)條件下，對(duì)等式（2-15）和（2-16）兩側(cè)進(jìn)行拉普拉氏變換，并整理得到電樞電流與電樞電壓間的輸出傳遞函數(shù) （2-17）電樞電勢(shì)與電樞電流的輸出函數(shù)為 （2-18）電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電流的輸出函數(shù)關(guān)系為 （2-19）根據(jù)以上各個(gè)傳遞函數(shù)得到直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電流連續(xù)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-8所示：圖2-8直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在電流連續(xù)時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.5可控硅整流裝置的數(shù)學(xué)模型晶閘管三相全控橋式整流電路是本系統(tǒng)應(yīng)用的整流裝置，其基本電路如圖2-9所示389：圖2-9晶閘管三相全控橋式整流

25、電路圖假設(shè)整流系統(tǒng)的觸發(fā)滯后應(yīng)用單位階躍函數(shù)表示，則晶閘管觸發(fā)輸入與整流裝置的負(fù)載輸出關(guān)系為 （2-20）式中 可控硅管全控整流裝置的放大系數(shù)； 可控硅管失控時(shí)間 晶閘管的輸入電壓利用拉氏變換的位移定理，則晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 （2-21）由上述分析可得直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-10所示：圖2-10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。IGBT的傳遞函數(shù)；電機(jī)電樞傳遞函數(shù)；傳動(dòng)裝置傳遞函數(shù)。2.6本章小結(jié)本章首先介紹直流電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)方法，通過(guò)對(duì)各種方法有缺點(diǎn)的分析，引入本論文研究的系統(tǒng)晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，即V-M系統(tǒng)。其次，介紹調(diào)速性能

26、指標(biāo)，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成，通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)及整流裝置模型的分析，得到二者的傳遞函數(shù)，從而建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，為下文雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好鋪墊。3 常規(guī)PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1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)方法遵循的基本步驟該方法，在使問(wèn)題簡(jiǎn)化的前提下，要突出主要矛盾。其簡(jiǎn)化的基本思路是分兩步設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器：第一步，先進(jìn)行調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求；第二步，再計(jì)算調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。只將較少的典型系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇，這些系統(tǒng)的性能指標(biāo)及參數(shù)的相互關(guān)系已經(jīng)得出，參數(shù)的選擇按已有的公式及表格中的相

27、關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算就可以了。這樣可使設(shè)計(jì)方法更加標(biāo)準(zhǔn)化，很大程度上降低了工作量5。（2）典型系統(tǒng)一般情況下，控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可用下式表示 （3-1）表示系統(tǒng)在s=0處存在r重極點(diǎn)，或說(shuō)，系統(tǒng)包含r個(gè)積分的環(huán)節(jié)，叫做r型系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制理論，0型系統(tǒng)（r=0）具有較低的穩(wěn)態(tài)精度，而型及其以上系統(tǒng)不容易穩(wěn)定。所以，為了具有較高的穩(wěn)態(tài)精度及好的穩(wěn)定性，多采用型和型系統(tǒng)。 典型型系統(tǒng)典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 （3-2）式中 K系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益； T系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)。型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，選參數(shù)時(shí)只需保證中頻帶的寬度足夠大，系統(tǒng)就會(huì)是穩(wěn)定的，而且還能夠保證達(dá)到所需的穩(wěn)定裕度。這時(shí)，應(yīng)保證，即，

28、 ，。典型型系統(tǒng)典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 （3-3）系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)保證或。而相角穩(wěn)定裕度為。典型閉環(huán)型系統(tǒng)和型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)特性分別如圖3-1、3-2所示： a) a) b) b)圖3-1典型型系統(tǒng) 圖3-2典型型系統(tǒng) a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率典型型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能和跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系分別如表3-1、3-2所示：表3-1 典型型系統(tǒng)動(dòng)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由上表可知，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，

29、動(dòng)態(tài)降落減小，回復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)。表3-2典型型系統(tǒng)動(dòng)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(shí)間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間8.3T6.3T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T由上表可知，選擇參數(shù)時(shí)，要根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和超調(diào)量綜合選擇和K。典型型系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)抗擾性能與參數(shù)的關(guān)系分別如表3-3、3-4所示：表3-3典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34567891052.6%43.

30、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由上表可知：調(diào)節(jié)時(shí)間隨h的變化不是單調(diào)的，h減小時(shí)，上升時(shí)間快，h增大時(shí)，超調(diào)量小。綜合各指標(biāo)，h=5動(dòng)態(tài)性能比較適中。表3-4典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.

31、8022.8025.85由上表可得：h越小，抗擾性能越好，但超調(diào)量增大，一般取h=5。 綜合以上四個(gè)表格可看出，在動(dòng)態(tài)性能中典型型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量較小，但抗干擾性能較差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)，每一環(huán)都有調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。工程設(shè)計(jì)方法遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。步驟為：先設(shè)計(jì)電流環(huán)（內(nèi)環(huán)），對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后依照電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一種典型系統(tǒng)，再根據(jù)控制對(duì)象確定其調(diào)節(jié)器的類型，最后根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求來(lái)確定其調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成以后，把電流環(huán)

32、看成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。在電流檢測(cè)信號(hào)中常有交流分量，為了不讓它影響調(diào)節(jié)器的輸入，加入了低通濾波器，然而濾波環(huán)節(jié)可以使反饋信號(hào)延遲，為了消除此延遲在給定位置加一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。同理，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓常含有換向紋波，因此也在給定和反饋環(huán)節(jié)加入濾波環(huán)節(jié)。由此，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示5：圖3-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.1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(jiǎn)圖3-3點(diǎn)畫(huà)線框內(nèi)的為電流環(huán)，反電動(dòng)勢(shì)對(duì)于電流環(huán)是一個(gè)改變緩慢的干擾，當(dāng)電流的突然變化時(shí)，可以認(rèn)為。這樣，依據(jù)動(dòng)態(tài)性能來(lái)設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫時(shí)忽

33、略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響。不考慮電機(jī)電樞反感電動(dòng)勢(shì)，對(duì)電流環(huán)干擾的條件是 （3-4）式中 電流環(huán)開(kāi)環(huán)截止頻率。將給定信號(hào)及反饋濾波同時(shí)移至環(huán)內(nèi)前向通道上，再將給定信號(hào)變成，則電流環(huán)將等效為單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。最后，由于一般情況下和都比小得多，從而可當(dāng)作小慣性群近似地看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 （3-5）則電流環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的近似條件為 （3-6）（2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從靜態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差。從動(dòng)態(tài)要求上看，電樞電流不允許有太大的超調(diào)。因此，電流環(huán)主要以跟隨性能為主，應(yīng)采用典型型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，校正成型系統(tǒng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器要選用PI型的，其傳遞函數(shù)用如下式子表

34、示 （3-7）式中 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)和調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消，選擇 = （3-8）于是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖變成圖3-4所示的典型形式，其中 （3-9） 圖3-4校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上述結(jié)果是在一系列假設(shè)條件下得到的，這些條件是： 電力電子變換器純滯后的近似處理 （3-10） 不考慮反電動(dòng)勢(shì)的變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響 （3-11）電流環(huán)小慣性群的近似處理 （3-12）（3）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由（3-6）得，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為和，而已經(jīng)選定，需要求的只，可依照所要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來(lái)選取。一般情況下，希望電流超調(diào)量為，由表3

35、-2，可選，則 （3-13）再結(jié)合式（3-6）和式（3-7）可得 （3-14）3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可看作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，需要先求其閉環(huán)的傳遞函數(shù)： （3-15）不考慮高次項(xiàng)，可以降低階次近似表示成 （3-16）近似條件式為 （3-17）式中，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一環(huán)節(jié)其輸入量為，于是電流環(huán)可在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)等效成 （3-18）（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和電流環(huán)一樣，將轉(zhuǎn)速給定濾波及反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)移入環(huán)內(nèi)，并將給定信號(hào)變?yōu)?，再將兩個(gè)時(shí)間常數(shù)為和的小慣性環(huán)節(jié)合并在一起，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （3-

36、19）為了既要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，又想滿足好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)要有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)，也使用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)可表示為： （3-20）式中 轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)；轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。這樣，直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 （3-21）令轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益為 （3-22）則 （3-23）上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下： （3-24） （3-25）（3）轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器包含和兩個(gè)參數(shù)。依據(jù)典型型系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)關(guān)系，并由式得 （3-26）再據(jù)式，得 （3-27）于是 （3-28）中頻寬h大小的

37、選擇，需由動(dòng)態(tài)性能的要求來(lái)決定，因?yàn)閔=5時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短，跟隨性能及抗擾性能適中，所以，一般情況下選擇h=5為好。3.3設(shè)計(jì)實(shí)例某一個(gè)采用三相橋式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，有關(guān)數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)：，電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，允許過(guò)載的倍數(shù)；電樞回路的總電阻：；晶閘管裝置的放大系數(shù)：；時(shí)間常數(shù)：電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)；電流的反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)：。要求：（1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差； （2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流的超調(diào)量；空載起動(dòng)到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定時(shí)的轉(zhuǎn)速的超調(diào)量。3.3.1設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器1時(shí)間常數(shù)的確定表一 各種整流電路是失控時(shí)間（f=50HZ）整流電路

38、形式最大失控時(shí)間Tsmax/ms平均失控時(shí)間Ts/ms單相半波20 10單相橋式（全波） 10 5三相半波 6.67 3.33三相橋式 3.33 1.67（1）整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)。設(shè)計(jì)成三相橋式全控整流電路，其平均失控時(shí)間；電樞回路電感；電樞電阻；（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式全控整流電路的每個(gè)波頭時(shí)間為3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms，于是取=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=+=0.0037s。2選擇電流環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是兩個(gè)慣性環(huán)

39、節(jié)，因此可用比例積分（PI）型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流環(huán)，其傳遞函數(shù)為。校驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)中電源電壓變化的抗擾性能：，參看表3-1的典型型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性能指標(biāo)，表中給出的各項(xiàng)性能指標(biāo)都是設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以滿足的，因此電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)。3電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算電流環(huán)調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。系統(tǒng)電流環(huán)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)：要求時(shí)，按表3-2，應(yīng)取，因此；于是，電流環(huán)ACR的比例放大系數(shù)為：。4電流環(huán)近似條件的校驗(yàn)電流環(huán)頻率特性中的截止頻率：。(1)校驗(yàn)晶閘管三相全控橋式整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足要求；(2)校驗(yàn)不考慮反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能影響的條件 滿足要求；(3)校驗(yàn)電流環(huán)內(nèi)的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)的近似條件

40、滿足要求。根據(jù)上述參數(shù)，電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為（見(jiàn)表3-2），滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)1時(shí)間常數(shù)的確定 （1）電流環(huán)的等效電路動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間常數(shù)。已取，則。 （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)取。 （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。依據(jù)小時(shí)間常數(shù)的近似處理，取。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇由于設(shè)計(jì)時(shí)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器要含有積分環(huán)節(jié)；又按照動(dòng)態(tài)性能要求，應(yīng)按型系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速環(huán)。也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示成3轉(zhuǎn)速環(huán)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算根據(jù)跟隨性能和抗擾動(dòng)動(dòng)態(tài)性能同時(shí)滿足的原則，取h=5，于是轉(zhuǎn)速環(huán)的超前時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益于是，可得轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器（ASR）的比例系數(shù)為4近似條件的校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)

41、的頻率特性中的截止時(shí)的頻率為(1)電流環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化條件為 滿足條件；(2)轉(zhuǎn)速環(huán)較小的時(shí)間常數(shù)的近似條件為 滿足條件。5轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校核當(dāng)h=5時(shí)，查表3-3得，不能滿足設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算。由，求出。取h=5，查表3-4得，而因此，即h=5，能滿足設(shè)計(jì)的要求。3.4Matlab仿真根據(jù)理論設(shè)計(jì)結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型710，如圖3-5所示：圖3-5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型為了使系統(tǒng)模型更簡(jiǎn)潔，利用了Simulink的打包功能將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個(gè)分支模塊10，如圖3-6(a)、(b)所示： （a） （b）圖3-6 （a）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR （b）電流調(diào)節(jié)器ACR運(yùn)行已構(gòu)建好的Simulink直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模塊10，在空載、滿載和擾動(dòng)下，