運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成1.1.1由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在直流調(diào)速系統(tǒng)中主要采用變電壓調(diào)速,最早的直流調(diào)速系統(tǒng)是曾在50年代獲得廣泛使用的由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)。

圖1－1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G－M系統(tǒng)）

采用變流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性如下圖：

圖1－2G－M系統(tǒng)的機(jī)械特性 由圖1-2可見G-M系統(tǒng)可以在允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行，無論是正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時(shí)都能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，可滿足調(diào)速性能方面的要求。但是，這種系統(tǒng)至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而有旋轉(zhuǎn)部分多，設(shè)備占地面積大，安裝必須打地基，運(yùn)行噪音大、費(fèi)用昂貴、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。1.1.2晶閘管－電動(dòng)機(jī)直流調(diào)

速系統(tǒng)

50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的相繼出現(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)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。V-M系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖如下:圖１-３晶閘管－電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｖ-Ｍ系統(tǒng)）

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)，因此已在世界各主要工業(yè)國(guó)得到普遍應(yīng)用。1.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分

析與設(shè)計(jì)1.2.1V-M系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性對(duì)于圖1-3所示的V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí),其主回路的電壓平衡方程式為:

(1-1)式中——電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；

——主電路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電動(dòng)機(jī)電樞電阻和平波電抗器電阻；

——理想空載整流電壓的平均值，對(duì)一般全控式整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，

(1-2)式中

——從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；

——α=0時(shí)的整流電壓波形峰值；

——交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。將和式(1-2)代入式(1-1)經(jīng)整理可得V-M系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性方程式為

(1-3)式中——理想空載轉(zhuǎn)速，為額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速比，改變控制角α，可得不同的；

——對(duì)應(yīng)負(fù)載電流時(shí)的轉(zhuǎn)速降落。改變控制角，可得一族平行直線，如圖1-4中實(shí)直線所示和G-M系統(tǒng)的特性很相似。上述結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多，這里不再討論。

圖1-4V-M系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性（箭頭表示α增大的效果）1.2.1.1調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫調(diào)速范圍，用字母D表示，即靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率即或用百分?jǐn)?shù)表示,顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它與機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，穩(wěn)速精度越高。然而，靜差率與機(jī)械特性的硬度又是有區(qū)別的。同樣硬度的機(jī)械特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率S越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性越差。1.2.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速

系統(tǒng)的組成及其靜特性1.2.2.1系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖示于圖1－5。

圖１－5轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.2.2.2系統(tǒng)的工作原理及其靜特性概念

改變轉(zhuǎn)速給定電壓的大小，就可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖1－6所示，設(shè)電動(dòng)機(jī)在決定的特性上的點(diǎn)1處以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)負(fù)載電流控制電壓整流平均電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大時(shí)有如下自動(dòng)調(diào)節(jié)過程：圖1－6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。閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)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)地改變整流電壓。1.2.2.3系統(tǒng)的靜特性方程為便于分析,先作如下假定：（1）忽略各種非線性因素，認(rèn)為各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系是線性的。（2）假定只工作在V－M系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段。（3）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻，且認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)不變。

根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入、輸出關(guān)系，畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1－7（a）所示。

1-7（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算方法將給定作用和擾動(dòng)作用看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)（圖1-12b和c）求出各自的輸出與輸入關(guān)系，再進(jìn)行線性疊加。靜特性方程如下：

（1-4）1-7(b)只考慮給定作用Ｕn時(shí)的系統(tǒng)1-7（c）只考慮擾動(dòng)作用－ＩdR時(shí)的系統(tǒng)1.2.3開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉

環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較

比較一下V－M閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性與開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性，就能看出閉環(huán)控制的突出優(yōu)點(diǎn)。若斷開反饋回路，則系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為(1-5)

式中和分別表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速和靜態(tài)速降，比較式（1－4）和式（1－5）可得以下結(jié)論:

（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。（2）若理想空載轉(zhuǎn)速相同，即，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率小得多。(3)若要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍將大大提高。(4)要使系統(tǒng)具有上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。1.2.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)

轉(zhuǎn)速閉環(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本規(guī)律。(1)應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的(2)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于給定輸入絕對(duì)服從(3)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾性能 抗擾性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征。然而，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)給定電源和反饋檢測(cè)裝置的擾動(dòng)量無能為力。因此,提高給定電源和反饋檢測(cè)裝置的精度對(duì)提高閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速精度起著決定性的作用。

圖1-8自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用1.2.5轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，它決定控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，然后通過動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)臻于完善。它包括以下各參數(shù)的計(jì)算:(1)額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降;(2)根據(jù)求出系統(tǒng)應(yīng)具有的開環(huán)放大系數(shù)K;(3)閘管裝置的放大系數(shù);(4)計(jì)算測(cè)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和電位器

(5)計(jì)算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)和參數(shù)。1.2.6閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)及其特性

1.2.6.1調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)問題

有兩類生產(chǎn)機(jī)械要求限制電動(dòng)機(jī)電流。(1)一類是快速起動(dòng)和制動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械。為了實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng),采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定信號(hào)多半采用突加方式，這時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的慣性大,轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來,反饋電壓仍為零,差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的(1+K)倍,而放大器和晶閘管整流裝置的慣性都很小，整流電壓一下子就達(dá)到它的最高值,對(duì)電動(dòng)機(jī)來說相當(dāng)于全壓起動(dòng),其起動(dòng)電流高達(dá)額定電流的幾十倍。(2)另一類是經(jīng)常在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的生產(chǎn)機(jī)械，例如挖土機(jī),軋鋼機(jī)的推床、壓下裝置等。在上述兩種情況下，若不采取限流保護(hù)措施，則電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和堵轉(zhuǎn)電流會(huì)大大超過電動(dòng)機(jī)的最大允許電流值。這樣大的沖擊電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的換向十分不利，尤其對(duì)于過載能力低的晶閘管來說，更是不能允許的。1.2.6.2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

為了解決單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反饋，即當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋。其典型電路如圖1-9所示。(a)用直流電源作為比較電壓(b)用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓圖1－9電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)1.2.6.3帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖1-10所示。

圖１－10電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性

將電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)其它部分聯(lián)在一起，即可得帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-11所示。

圖１－11帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖1-11可推導(dǎo)出該系統(tǒng)的靜特性方程。當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，

(1-6)

其相應(yīng)的靜特性相當(dāng)于圖1-11中的-A段，它是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜特性,比較硬。

當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋起作用。

(1-7)其靜特性對(duì)應(yīng)圖1-20中的A-B段。圖1－1２帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性上面只是從靜特性上分析了電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的起動(dòng)限流作用，實(shí)際起動(dòng)時(shí)電流的變化過程還取決于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)與慣性參數(shù)，以及轉(zhuǎn)速給定信號(hào)的加入情況。進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)分析和較理想的動(dòng)態(tài)控制將在以后的章節(jié)中逐步深入討論。1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分

析與設(shè)計(jì)

上一節(jié)討論了單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。顯然，從穩(wěn)態(tài)精度看，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K越大越好。然而，由自動(dòng)控制理論可知，為了保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，K值不能隨意增大，即在閉環(huán)系統(tǒng)中穩(wěn)與準(zhǔn)是互相矛盾的。為此，必須進(jìn)一步分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。1.3.1系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1.3.1.1取數(shù)學(xué)模型的步驟建立線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的步驟如下：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列寫出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程；(2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；(3)組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1.3.1.2建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)(1)直流電動(dòng)機(jī)①電動(dòng)機(jī)的電壓平衡關(guān)系在額定勵(lì)磁，電樞電流連續(xù)這兩個(gè)條件下，電樞回路的電壓平衡方程式為:

（1-8）式中R是電樞回路總電阻;L是電樞回路總電感；而電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)。在零初始條件下，對(duì)上式兩端取拉氏變換得電樞電流與電壓之間的傳遞函數(shù)為:

（1-9）

②電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

忽略粘性摩擦，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的力矩平衡方程式為:

（1-10）式中額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩；

——包括空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

——電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)

軸上的飛輪力矩;

——電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比?？紤]到為負(fù)載電流，則上式可化簡(jiǎn)為：

(1-11)在零初始條件下，對(duì)上式取拉氏變換得反電勢(shì)與電流之間的傳遞函數(shù)為：(1-12)轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為：(1-13)式中——

電機(jī)的積分時(shí)間常數(shù)。聯(lián)合式（1-9）和式（1-12）并考慮到，可得直流電動(dòng)機(jī)在電流連續(xù)時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-21

圖1－13額定勵(lì)磁下，直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置可將晶閘管變流裝置當(dāng)作一階慣性環(huán)節(jié)來處理，其傳遞函數(shù)為:(1-14)(3)比例放大器

(1-15)(4)轉(zhuǎn)速檢測(cè)及反饋環(huán)節(jié)

(1-16)1.3.1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)根據(jù)前面得出的各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以及它們?cè)谙到y(tǒng)中的相互關(guān)系，可畫出單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-14所示。

圖1－14單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖可見，將晶閘管變流裝置按一階慣性環(huán)節(jié)近似處理后，對(duì)比調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以看成是一個(gè)三階系統(tǒng)，可推得其開環(huán)傳遞函數(shù)為:

(1-17)式中。當(dāng)=0時(shí)，可推得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(1-18)1.3.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定

條件由式（1-18）可知，系統(tǒng)的特征方程為

(1-19)

它的一般表達(dá)式為

根據(jù)勞斯——古爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是＞0，＞0，＞0，＞0及-＞0式（1-19）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都大于零，因此穩(wěn)定條件就只有即,(1-20)式(1-20)表明，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù),,已定的情況下,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，其開環(huán)放大系數(shù)K不能太大,必須滿足式(1-20)的穩(wěn)定條件。因此，由滿足穩(wěn)態(tài)性能要求所計(jì)算的值還必須按系統(tǒng)穩(wěn)定性條件進(jìn)行校核。1.3.3動(dòng)態(tài)校正—PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí),一般分以下三步進(jìn)行:(1)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，基本部件選擇和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算，以形成一個(gè)基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或者原始系統(tǒng)；(2)建立原始系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型；(3)檢查原始系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它動(dòng)態(tài)性能，若它不穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)性能不好，就為它設(shè)計(jì)配置合適的校正裝置，使校正的系統(tǒng)能夠全面滿足要求。1.3.3.1控制系統(tǒng)對(duì)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的要求 在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的校正裝置時(shí),所采用的主要研究工具是伯德圖,利用它不僅可獲知穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度的信息,而且還能大致地衡量閉環(huán)系統(tǒng)的各種穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在定性地分析控制系統(tǒng)的性能時(shí),通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段,如圖1-15:圖1－15典型的控制系統(tǒng)伯德圖1.3.3.2調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正設(shè)計(jì)(1)PI調(diào)節(jié)器

采用運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)器線路如圖1-16所示

圖1-16PI調(diào)節(jié)器電路由圖可知,由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分組成。在零初始條件下,對(duì)上式兩邊取拉氏變換并整理得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),(1-21)在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)的輸出特性如圖1-17所示。圖1-17比例積分（ＰＩ）調(diào)節(jié)器輸出特性

(2)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)根據(jù)原始的帶比例放大器閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖和期望的經(jīng)過校正的系統(tǒng)伯德圖可設(shè)計(jì)出PI調(diào)節(jié)器。其具體設(shè)計(jì)步驟如下：(1)判斷原始系統(tǒng)是否穩(wěn)定；(2)根據(jù)工藝要求的動(dòng)態(tài)性能或系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度確定校正后系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；(3)確定原始系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；(4)確定校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)頻率特性;(5)計(jì)算PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。1.4無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.4.1系統(tǒng)無靜差的實(shí)現(xiàn) 前面討論的帶比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)有靜差系統(tǒng)。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速只能接近給定值，而不可能完全等于給定值。為了完全消除靜差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，根據(jù)自動(dòng)控制理論，可以在系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，即采用比例積分控制規(guī)律，也就是用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。1.4.2采用積分（I）調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的積分調(diào)節(jié)器的原理圖及輸出特性，如圖1-18所示（a）原理圖（b）階躍輸入時(shí)的輸出特性

圖1－18積分調(diào)節(jié)器由圖可得,進(jìn)一步可得積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,積分調(diào)節(jié)器有:（1）延緩作用（2）積累作用（3）記憶作用在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中若用I調(diào)節(jié)器代替P調(diào)節(jié)器，則控制電壓為:只要出現(xiàn)過,其積分就有一定數(shù)值。但是，由于積分過程需要一定時(shí)間，控制電壓的值只能逐漸化增長(zhǎng)，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，尤其當(dāng)較大時(shí)，控制電壓增長(zhǎng)更慢，會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變得很慢。所以積分控制不宜單獨(dú)在快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用。1.4.3采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.4.3.1系統(tǒng)的工作原理PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成。采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)如圖1-19所示。圖１-19采用ＰＩ調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)

其輸入輸出動(dòng)態(tài)特性如圖1-20所示:

圖１－20ＰＩ調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性

由圖可見,在系統(tǒng)起動(dòng)過程中，PI調(diào)節(jié)器輸出的比例控制作用由強(qiáng)變?nèi)?對(duì)系統(tǒng)起動(dòng)過程有強(qiáng)烈作用,促使系統(tǒng)響應(yīng)加速,其積分控制作用則由弱到強(qiáng),最終消除靜差,而是與之和,它既具有快速性能,又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。

1.4.3.2系統(tǒng)的抗擾調(diào)節(jié)過程無靜差調(diào)速系統(tǒng)只是在靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速無靜差,動(dòng)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速還是有靜差的。現(xiàn)以階躍負(fù)載擾動(dòng)為例,說明PI的調(diào)節(jié)器在抗擾調(diào)節(jié)過程中的作用。設(shè)系統(tǒng)原來在負(fù)載下以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓=0，觸發(fā)電路控制電壓=，整流電壓=。在t1時(shí)刻負(fù)載由突增至，這時(shí)轉(zhuǎn)速和整流電壓的變化過程示于下圖1-21中。由于正比于，因此的波形與相似，當(dāng)最大時(shí)，作用最強(qiáng)，最后當(dāng)=0時(shí)，=0，比例控制作用結(jié)束，也就是說與共存亡。圖1-21系統(tǒng)的抗擾調(diào)節(jié)過程

1.4.3.3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、靜特性及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 采用PI調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差。為了限制動(dòng)態(tài)過程中的沖擊電流還須加入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。圖1-22所示為帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的單閉無靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖１－22帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-23(a)所示，其中PI調(diào)節(jié)器方框中無法用放大系數(shù)表示,一般用它的輸出特性表示。系統(tǒng)的理想靜特性如圖1-35(b)所示。（a）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（b）靜特性圖１－23無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及靜特性1.4.4穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析1.4.4.1比例控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-24所示。(a)一般情況(b)=0時(shí)圖1-24采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)=0時(shí)，只有擾動(dòng)輸入，這時(shí)輸出量為負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差，即動(dòng)態(tài)速降，利用反饋連接等效轉(zhuǎn)變換法則，可求得(s)為:(1-22) 利用拉氏變換后整理可求出負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)定誤差為:(1-23)1.4.4.2積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 將比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器，則圖1-24(a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖1-25所示。同樣利用反饋連接等效變換法則可求得,圖1-25采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（=０時(shí)）(1-24)突加負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差為:(1-25)可見，積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的。1.4.4.3比例積分控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用比例積分調(diào)節(jié)器控制的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)Un=0時(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-26所示。依照前面的推導(dǎo)方法，可得突加負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差,相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)速差為,

1.5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的

調(diào)速系統(tǒng)

現(xiàn)實(shí)生活中,若生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速精度要求不是太高，則可以用電動(dòng)機(jī)端電壓負(fù)反饋取代轉(zhuǎn)速反饋，構(gòu)成電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。按反饋控制原理該系統(tǒng)只能維持電動(dòng)機(jī)端電壓恒定，不能對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞電阻壓降引起的穩(wěn)態(tài)速降加以限制，因而系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能較差。為彌補(bǔ)這一不足，在系統(tǒng)中引入電流正反饋，用以補(bǔ)償電樞壓降引起的轉(zhuǎn)速降，構(gòu)成電壓負(fù)反饋電流補(bǔ)償控制的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.5.1電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜

差調(diào)速系統(tǒng)若忽略電樞壓降，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速近似地與電樞端電壓成正比，因此電壓負(fù)反饋基本上能取代轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。圖1-26所示，為電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖１-26電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)

圖1-27所示為電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

圖１－27電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算規(guī)則，可得電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式為,

(1-26)電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)有如下特征:(1)電壓負(fù)反饋把反饋環(huán)包圍的整流裝置的內(nèi)阻等引起的穩(wěn)態(tài)速降減小到1/（1+K）,而由電樞電阻壓降引起的速降仍和開環(huán)時(shí)一樣。

(2)電壓負(fù)反饋信號(hào)不僅應(yīng)取自平波電抗器后面盡量靠近電樞兩端，而且還必須經(jīng)過濾波后才能引入放大器輸入端。(3)為安全起見,對(duì)電壓較高，電機(jī)容量較大的系統(tǒng)，通常在反饋回路中加入電壓隔離器，以保證主回路和控制電路之間沒有電的直接聯(lián)系。1.5.2電流正反饋—擾動(dòng)量的

補(bǔ)償控制

為了補(bǔ)償引起的穩(wěn)態(tài)速降，提高電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，使其接近轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的性能，引入電流正反饋。附加電流正反饋的電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如下頁(yè)圖1-28所示。在主電路中串入取樣電阻,由取電流正反饋信號(hào)。當(dāng)負(fù)載增大使穩(wěn)態(tài)速降增加時(shí)，電流正反饋信號(hào)也增加，通過調(diào)節(jié)器使控制電壓增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速降落。因此，電流正反饋的作用又稱為電流補(bǔ)償控制。

圖１-28帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)

電流正反饋的電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-29所示。圖１-29帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算規(guī)則，可直接寫出系統(tǒng)的靜特性方程式：

=(1-27)由上式可知，是電流正反饋產(chǎn)生的，它可補(bǔ)償另兩項(xiàng)穩(wěn)態(tài)速降和,從而減小系統(tǒng)靜差。選擇（即增加或減小值）的大小能得到不同的補(bǔ)償程度：（1）若補(bǔ)償控制的參數(shù)配合適當(dāng)，可使靜差為零，稱之為全補(bǔ)償。（2）若參數(shù)配合適當(dāng)，使電流正反饋?zhàn)饔们『玫窒綦姌须娮鑹航诞a(chǎn)生的一部分穩(wěn)態(tài)速降，則可獲得等同于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的靜特性。1.5.3電流補(bǔ)償控制調(diào)速系統(tǒng)

的穩(wěn)定性 當(dāng)取消電壓負(fù)反饋，只采用電流正反饋?zhàn)鳛檠a(bǔ)償控制時(shí)，系統(tǒng)的靜特性方程為,

(1-28)由=0得全補(bǔ)償條件為 從靜態(tài)的角度看，無論是否有其它負(fù)反饋,只用電流正反饋就足以把靜差補(bǔ)償?shù)?。但?從動(dòng)態(tài)的角度看，電流正反饋的作用如何呢？圖1-30畫出了只有電流正反饋的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為簡(jiǎn)便起見，忽略了晶閘管變流裝置的失控時(shí)間并認(rèn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0。

圖1-30只有電流補(bǔ)償控制調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖1-30可求出整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(1-29)顯然,1-=0,即,

=R是該系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定條件，而這正是其靜特性的全補(bǔ)償條件。綜上所述可知，電流正反饋可用來補(bǔ)償一部分靜差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但是，在實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)中，一般不單獨(dú)采用電流正反饋補(bǔ)償控制，而總是將電壓負(fù)反饋和電流正反饋配合使用。

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）是由單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。從第一章可知，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)可以限制起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在以下問題（1-2）：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(hào)，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)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在以下問題（2-2）：系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制起動(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)，即最佳過渡過程。

在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)限制了最大電流，但它并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，電流達(dá)最大值后隨著轉(zhuǎn)速的上升，反電勢(shì)的增加而迅速下降。這樣，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也迅速下降，從而使起動(dòng)加速過程變慢，其起動(dòng)電流及轉(zhuǎn)速波形圖見圖2-1a。

我們希望能充分利用電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力，在起動(dòng)過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值不變，以使系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，轉(zhuǎn)速直線上升，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，盡快使電流下降為穩(wěn)態(tài)值，并轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過程波形示于圖2-1b中，這就是調(diào)速系統(tǒng)在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的條件下的最佳起動(dòng)過程。b)理想的快速起動(dòng)過程IdLntIdOIdma)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖2-1直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形IdLntIdOIdmIdcr實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-1b所示理想波形不能實(shí)現(xiàn)，只能盡量逼近。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個(gè)信號(hào)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)量電流分開加以控制，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)。2.1內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定

調(diào)節(jié)器鎖零

系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定2.1.1轉(zhuǎn)速、電流

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉(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渡過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制與電流控制之間的關(guān)系，就是將二者分開，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(jí)聯(lián)接，即以ASR的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用ACR的輸出電壓作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，轉(zhuǎn)速環(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PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速與電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。系統(tǒng)原理圖示于圖2-2中。圖2-2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)電路原理圖TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+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—電力電子變換器內(nèi)環(huán)外環(huán)回本節(jié)首頁(yè)圖2-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.2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(hào)，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的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(duì)最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對(duì)最小角cx的限制，也表示對(duì)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)。在具體分析一個(gè)系統(tǒng)時(shí)必須注意調(diào)節(jié)器輸出限幅值所代表的具體物理意義及其計(jì)算和整定方法?；乇竟?jié)首頁(yè)2.1.3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)器作為較正環(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(hào)的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號(hào)，而使電動(dòng)機(jī)爬行，這在控制上是不允許的，因此對(duì)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)起動(dòng)指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡(jiǎn)稱為調(diào)節(jié)器鎖零。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來實(shí)現(xiàn)的。并且系統(tǒng)對(duì)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)接到起動(dòng)指令或正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除（即開放）并正常工作。根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個(gè)信號(hào)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(hào)。起動(dòng)時(shí)：Un≠0，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

=Ufn≠0，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，Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。必須注意，對(duì)于可逆調(diào)速系統(tǒng)，Un=0，Ufn≠0時(shí)，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)停車控制。為使鎖零電路對(duì)不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性，Un=0，Ufn≠0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(chǎng)效管來實(shí)現(xiàn)，如圖2-3所示。當(dāng)Un=Ufn=0時(shí)，鎖零電路使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。圖２－３調(diào)節(jié)器鎖零回本節(jié)首頁(yè)2.1.4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(hào)Un與Ufn，Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號(hào)的極性呢？在實(shí)際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要正確地確定上述信號(hào)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。例如，當(dāng)系統(tǒng)采用圖2-4所示的鋸齒波移相特性時(shí)，若要使晶閘管變流裝置工作在整流狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，則要求觸發(fā)脈沖移相范圍在90°～30°之間連續(xù)變化，這時(shí)要求ACR的輸出電壓Uc的極性為正，且應(yīng)具有一定幅值。只有ACR輸出電壓幅值達(dá)到+Ucm，才能保證足夠的移相范圍，使電動(dòng)機(jī)獲得滿壓。同時(shí)，由于系統(tǒng)中使用的調(diào)節(jié)器習(xí)慣上采用反相輸入方式，因此調(diào)節(jié)器的輸入與輸出信號(hào)的極性應(yīng)相反。圖2—4鋸齒波移相特性由此可接下述關(guān)系直接推出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入、輸出信號(hào)的極性：Uc(+)Ui(-)Un(+)Ufi(+)Ufn(+)ACR反號(hào)要求ASR反號(hào)要求負(fù)反饋極性要求負(fù)反饋極性要求其極性標(biāo)在圖2-2所示的系統(tǒng)中。若系統(tǒng)為雙環(huán)以上的多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則完全可以按同樣的方法直接推出各個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入輸出信號(hào)的極性。但實(shí)際分析系統(tǒng)時(shí)，必須注意調(diào)節(jié)器的具體線路及其輸入端的具體接法，以免搞錯(cuò)反饋極性使系統(tǒng)無法正常工作。由上分析可得，確定各輸入、輸出信號(hào)極性的一般方法如下：

第一步根據(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；第二步根據(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，其輸入與輸出極性相反)確定調(diào)節(jié)器給定輸入信號(hào)的極性；第三步根據(jù)負(fù)反饋的要求確定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號(hào)的極性。回課程首頁(yè)回本節(jié)首頁(yè)2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性

內(nèi)容提要：

2.2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2.2.3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

=

2.2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先畫出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)圖2-2所示的原理圖可以很方便地畫出圖2-5所示雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。值得注意的是其中的轉(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2-5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)β為電流反饋系數(shù)回本節(jié)首頁(yè)2.2.2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)

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，且不再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)好的飽和狀態(tài)，因此，對(duì)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。說明：2.2.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和

這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓△Un=0得由ACR的輸入偏差電壓△Un=0得從而可畫出圖2-6所示靜特性的n0-A段。由于ASR不飽和，因此Ui<Uim，由式（2-3）知Id<Idm，這表明n0-A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>IN，這正是靜特性的運(yùn)行段。2.2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和當(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)速的變化對(duì)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)式中，最大電流Idm代碼是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(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（2-4）所描述的靜特性如圖2-6中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n≤n0的情況。若n＞n0，Ufn＞Un，ASR將退出飽和狀態(tài)。

圖2-6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdnomOnABC由上分析可知，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。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)飄移而采用準(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MΩ的電阻）時(shí)，靜特性的兩段都略有很小的靜差，如圖2-6中虛線所示?；乇竟?jié)首頁(yè)2.2.3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2-6可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：(2-5)(2-6)(2-7)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)器的輸出量正比于輸入量，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)為電流反饋系數(shù)其中兩個(gè)給定電壓的最大值和由運(yùn)算放大器允許的最大輸入電壓決定。(2-8)(2-9)回課程首頁(yè)回本節(jié)首頁(yè)2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)內(nèi)容提要：2.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型2.3.2具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.3.4兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用2.3.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)2.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2-2，即可畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-7所示。圖２－７雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

回本節(jié)首頁(yè)2.3.2具有限幅輸出的

PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由于雙閉環(huán)系統(tǒng)是按照串級(jí)調(diào)節(jié)的原則組成的，同時(shí)ASR、ACR均是具有輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。因此，討論具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基本規(guī)律，對(duì)今后分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能很有必要。

設(shè)采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。

圖2-8采用PI調(diào)節(jié)器的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)

圖中Wa(s)是被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，Usr和Usc分別是系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)，且對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，Usr為恒值，PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差△U=Usc-Usr，輸出Ua由比例部分Uap和積分部分Ual組成，即下面分三種情況分析PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(1)偏差信號(hào)是階躍信號(hào)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

當(dāng)為階躍信號(hào)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的輸出波形如圖2-9a所示。這時(shí)，經(jīng)過tm

后，調(diào)節(jié)器飽和，Ua達(dá)限幅值Uam。由得：(2-10)(2)偏差信號(hào)最初為突加，然后隨著Usc輸出的增長(zhǎng)而緩慢降低時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

當(dāng)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的輸出Usc緩慢上升，相應(yīng)地△U緩慢下降。雖然Ua的比例部分Uap隨著△U的下降而下降，但Ua的積分部分Ua1會(huì)因△U衰減慢，積累時(shí)間長(zhǎng)而不斷增大，致使Ua在△U衰減到零以前達(dá)限幅值，如圖2-9b所示。(3)偏差信號(hào)△U最初為突加，然后隨著輸出Usc的迅速增長(zhǎng)而急劇下降時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

當(dāng)被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，△U會(huì)因Usc的迅速增長(zhǎng)而急劇下降，調(diào)節(jié)器輸出Ua的比例部分衰減很快。雖然Ua的積分部分Ua1仍使增長(zhǎng)，但因?yàn)椤鱑衰減過快，Ua還未達(dá)限幅值Uam，△U就已下降至零。此時(shí)調(diào)節(jié)器不飽和，Ua被PI調(diào)節(jié)器的積分記憶作用保持在低于限幅值的某一值Ua1上，如圖2-9c所示。（a）為階躍信號(hào)時(shí)(b)為緩慢衰減信號(hào)（c）衰減很快時(shí)圖2-9具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

結(jié)論：

①在恒值控制的調(diào)速系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓是否達(dá)限幅，對(duì)系統(tǒng)的輸出影響很大。調(diào)節(jié)器一旦飽和，只有當(dāng)△U極性變反這里即△U

=Usr-Usc由正變負(fù)時(shí)，才有可能使調(diào)節(jié)器退出飽和而進(jìn)入線性工作狀態(tài)。因此，只要調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)的輸出Usc就必然超調(diào)。②若被控對(duì)象Wa(s)中含有積分環(huán)節(jié)，則不論調(diào)節(jié)器是否飽和，系統(tǒng)輸出Usc也一定會(huì)超調(diào)。由于Wa(s)中含有積分環(huán)節(jié)，若Ua不等于零，則Usc將一直積累下去，只有當(dāng)Ua=0時(shí)，Usc才可能達(dá)穩(wěn)態(tài)值，而這又需要△U改變極性，才能把調(diào)節(jié)器輸出Ua拉回到零，因此，即使調(diào)節(jié)器不飽和，系統(tǒng)輸出Usc也會(huì)超調(diào)。回本節(jié)首頁(yè)2.3.3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(duì)給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統(tǒng)對(duì)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地表征一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能或稱動(dòng)態(tài)品質(zhì)。內(nèi)容提要2.3.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

突加給定時(shí)的起動(dòng)過程2.3.3.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的制動(dòng)停車過程2.3.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能2.3.3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

突加給定時(shí)的起動(dòng)過程

前面已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想起動(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)的起動(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)開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形如圖2-10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、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)起動(dòng)過程分為的三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。n

OOttIdm

IL

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IIIIIIt4

t3

t2

t1

圖2－１０雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形（1）第Ⅰ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、Id都迅速上升，當(dāng)Id≥IL后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_速上升，當(dāng)Id≥IL后，轉(zhuǎn)速n從零開始增長(zhǎng)，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(hào)Ufn增長(zhǎng)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)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id=Idm時(shí)，Ufn≈Uim，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再增長(zhǎng)，第Ⅰ階段結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)飽和，而ACR一般不飽和，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。（2）第Ⅱ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起動(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（即靜特性上的n0為止），是起動(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)，取決于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(shì)E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(shì)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Ud也必須基本上線性增長(zhǎng)，才能保持Id恒定。電流環(huán)對(duì)擾動(dòng)E的恒流調(diào)節(jié)過程如下：n↑→E↑→Id↓→Ufi↓

→|△Ui|↑→Uc↑→Ud↑→Id↑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(zhǎng)，就必須使其輸入量偏差電壓△Ui保持為某一恒值，也就是說，應(yīng)Id略低于Idm。上述情況表明：恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對(duì)反電勢(shì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程，反電勢(shì)擾動(dòng)等電流的影響為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，在起動(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(duì)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。(3)第Ⅲ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，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直至t3時(shí)刻，Id=IL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL，dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到最大值，△Un達(dá)負(fù)的最大值，Ui繼續(xù)下降，Id也繼續(xù)下降，致使Id＜IL，Te<TL，dn/dt＜0，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載阻力下減速，直至系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)。第Ⅲ階段的特點(diǎn)：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盡快地跟隨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)。綜上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程具有以下三個(gè)特點(diǎn)（1-3）: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)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)，可以用分段線性化方法來處理。同時(shí)，分析過渡過程時(shí)，還應(yīng)注意初始狀態(tài)，前一個(gè)階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。若初始狀態(tài)不同，則即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變，過渡過程也不一樣。綜上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程具有以下三個(gè)特點(diǎn)（2-3）:②轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)由于采用飽和非線性控制，因此要使起動(dòng)過程結(jié)束，就必須在進(jìn)入第Ⅲ階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，使ASR退出飽和狀態(tài)。以發(fā)揮其線性調(diào)節(jié)作用，而按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必有超調(diào)。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。若工藝上不允許轉(zhuǎn)速超調(diào)，則應(yīng)在ASR中引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，這樣，不僅可以抑制或消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，而且可以大大降低動(dòng)態(tài)速降。綜上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程具有以下三個(gè)特點(diǎn)（3-3）:③準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制起動(dòng)過程的主要階段是恒流升速階段。即第Ⅱ階段。其特征是在ASR的飽和非線性控制作用下使電流保持恒定。一般選擇該電流恒定值為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。該階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱：時(shí)間最優(yōu)控制。但是，由于起動(dòng)過程的第Ⅰ、Ⅱ階段電流不能突變，整個(gè)起動(dòng)過程與圖2-1b的理想快速起動(dòng)過程相比還有一定差距，不過這兩段時(shí)間很短只占全部起動(dòng)時(shí)間的很小部分，因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過程。總之，采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。回本段首頁(yè)2.3.3.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的制動(dòng)停車過程由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，因此不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。若須加快制動(dòng)，則只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘的方式。回本段首頁(yè)2.3.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的抗擾性能（1-2）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)能有效地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。

（1）抗負(fù)載擾動(dòng)

由圖2-7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)速降（升）。為了減少動(dòng)態(tài)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(duì)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。2.3.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的抗擾性能（2-2）

（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)從靜特性上看，單、雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抗擾效果是一樣。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，卻有較大差別。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，作用點(diǎn)離被調(diào)量n較遠(yuǎn)的電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的擾動(dòng)作用，先要經(jīng)過電磁慣性滯后才能影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性滯后才能反映出轉(zhuǎn)速變化，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，時(shí)間已晚，大有遠(yuǎn)水不解近渴之意。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)（見圖2-11），它的影響不必等到波及到轉(zhuǎn)速就能被電流環(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2-11雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用回本節(jié)首頁(yè)回本段首頁(yè)2.3.4兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用（1-2）

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用可歸納如下：⑴轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用①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；②對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；③能對(duì)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。2.3.4兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用（2-2）

⑵電流調(diào)節(jié)器的作用①對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；②起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳起動(dòng)過程；③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；④靜態(tài)時(shí)依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；⑤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，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常?；乇竟?jié)首頁(yè)2.3.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(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)如何確定。其確定的方法有兩種；一種是采用前一章所述的動(dòng)態(tài)校正法，即借助伯德圖按串聯(lián)校正的方法來設(shè)計(jì)每個(gè)控制環(huán)的調(diào)節(jié)器。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，需要設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和熟練的設(shè)計(jì)技巧，初學(xué)者不易掌握。另一種是工程設(shè)計(jì)方法，下面作重點(diǎn)介紹。內(nèi)容提要2.3.5.1工程設(shè)計(jì)的方法與步驟2.3.5.2控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)2.3.5.3典Ⅰ系統(tǒng)（二階典型系統(tǒng)）2.3.5.4典Ⅱ系統(tǒng)（三階典型系統(tǒng)）2.3.5.5自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正2.3.5.6轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的設(shè)計(jì)2.3.5.1工程設(shè)計(jì)的方法與步驟直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)，包括對(duì)某些簡(jiǎn)單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，找出適合于給定性能指標(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(jiǎn)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Ⅰ系統(tǒng)）：三階典型系統(tǒng)（典Ⅱ系統(tǒng)）：

只要掌握這兩種典型系統(tǒng)參數(shù)與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，就可以簡(jiǎn)便地進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)的一般步驟如下：（1）根據(jù)被控對(duì)象和所要求的性能指標(biāo)確定預(yù)期的典型系統(tǒng)（典Ⅰ或典Ⅱ系統(tǒng)）；（2）根據(jù)典型系統(tǒng)，首先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，然后確定調(diào)節(jié)器的工程最佳參數(shù)；（3）計(jì)算系統(tǒng)電路參數(shù)。上述工程設(shè)計(jì)方法，避免了頻率法中的多次試探作圖，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，計(jì)算公式簡(jiǎn)明好記，便于掌握，受到工程界的普遍關(guān)注。回本段首頁(yè)2.3.5.2控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，包括穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，不僅用來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的技術(shù)性能，而且是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要依據(jù)。關(guān)于調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)已在第一章中加以說明，是確定系統(tǒng)方案的重要依據(jù)。而其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，分為給定輸入的跟隨性能指標(biāo)和擾動(dòng)輸入的抗擾性能指標(biāo)兩大類。本節(jié)內(nèi)容提要（1）跟隨性能指標(biāo)（2）抗擾性能指標(biāo)（1）跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)）R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號(hào)不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常跟隨性能指標(biāo)是在零初始條件下，以系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)（即階躍響應(yīng)）特性為依據(jù)提出來的。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C∞的偏差越小越好。達(dá)到C∞的時(shí)間越快越好。典型的階躍響應(yīng)曲線示于圖2-12中。圖2-12典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性解指標(biāo)由圖可得具體的跟隨性能指標(biāo)如下（1-3）①上升時(shí)間tr系統(tǒng)輸出量C(t)從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值C∞所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。由圖可得具體的跟隨性能指標(biāo)如下（2-3）②超調(diào)量輸出量超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫超調(diào)量。即

超調(diào)量反映系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越平穩(wěn)。由圖可得具體的跟隨性能指標(biāo)如下（3-3）③調(diào)整時(shí)間ts或叫調(diào)節(jié)時(shí)間ts原則上調(diào)整時(shí)間應(yīng)該是輸出量從零起到完全穩(wěn)定下來為止所需的時(shí)間。對(duì)于線性控制系統(tǒng)而言，理論上要到t→∞才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因素情況并非如此。因此，調(diào)整時(shí)間ts是指系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)的輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C∞之差達(dá)到且不再超出±5%或±2%的允許誤差范圍內(nèi)所需的最短時(shí)間。調(diào)整時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，用來表示系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)過程快慢。若ts和都小則系統(tǒng)的跟隨性能好，但是快速性與相對(duì)穩(wěn)定性始終是一對(duì)矛盾?；乇緳谑醉?yè)（2）抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，若受到擾動(dòng)，經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程后，總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。除了穩(wěn)態(tài)誤差外，在動(dòng)態(tài)過程中輸出量變化多少？系統(tǒng)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行？這些都標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。在控制系統(tǒng)的輸入不變的條件下，系統(tǒng)受到使輸出量降低的階躍擾動(dòng)N后的典型抗擾過程曲線如圖2-13所示：圖2-13突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性解指標(biāo)圖中的抗擾性能指標(biāo)意義如下（1-2）：①動(dòng)態(tài)降落△Cmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由階躍擾動(dòng)所引起的輸出量最大降落值△Cmax叫動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C∞的百分?jǐn)?shù)來表示。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降落稱為動(dòng)態(tài)速降△nmax%圖中的抗擾性能指標(biāo)意義如下（2-2）：②恢復(fù)時(shí)間tf從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，且與新的穩(wěn)態(tài)值C∞之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量Cb的±5%或±2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tf，其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。一般反饋控制系統(tǒng)的抗擾性能與跟隨性能之間存在一定矛盾，若超調(diào)量小，則調(diào)整時(shí)間大，恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，反之亦然。引入微分負(fù)反饋可進(jìn)一步改善系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾性能。引入負(fù)載觀測(cè)器可提高系統(tǒng)的抗擾性能。實(shí)際的控制系統(tǒng)對(duì)各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求各不相同。通常，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。回本段首頁(yè)回本欄首頁(yè)2.3.5.3典Ⅰ系統(tǒng)（二階典型系