轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法-文庫(kù)吧

【正文】 III三個(gè)階段。 第 I階段電流上升的階段（ 0 ~ t1） ? 突加給定電壓 U*n 后， Id 上升，當(dāng) Id 小于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 ? 當(dāng) Id ≥ IdL 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im， 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR進(jìn)入飽和狀態(tài)， 強(qiáng)迫電流 Id 迅速上升。 IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t 第 I階段（續(xù)） t0 第 I 階段（續(xù)） ? 直到， Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中， ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般 不飽和。 第 II 階段恒流升速階段（ t1 ~ t2） ? 在這個(gè)階段中， ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)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 恒定且 ，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。 dmd II ?n IdL Id n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t 第 II 階段（續(xù)） t0 第 II 階段（續(xù)） ? 與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定。 ? 當(dāng) ACR采用 PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， 圖中的 Id 應(yīng)略低于 Idm ，即 ACR不應(yīng)飽和 。 第 II 階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)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(jì)時(shí)必須注意的！ 第 Ⅲ 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） ? 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，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(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào) （由于積分的作用） 。 ? 轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)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。 IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t 第 Ⅲ 階段（續(xù)） t0 第 Ⅲ 階段（續(xù)） ? 直到 Id = IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（ t = t3時(shí)）。 IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t t0 第 Ⅲ 階段（續(xù)） ? 此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)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(huì)有一些振蕩過(guò)程。 IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 t t t0 第 Ⅲ 階段（續(xù)） 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則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 2. 分析結(jié)果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （ 1） 飽和非線性控制； （ 2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)； （ 3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 。 （ 1） 飽和非線性控制 根據(jù) 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(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)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(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng) 。 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于 ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 △ Un 為負(fù)值，才能使 ASR退出飽和。 因此， 采用 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)！ （ 3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第 II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快！ 這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車(chē)。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能。 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。 主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 ? 1/Ce U*n n Ud0 Un + ASR 1/R Tl s+1 R Tms Ks Tss+1 ACR ? U*i Ui E Id 1. 抗負(fù)載擾動(dòng) 177。 ?IdL 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用 抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)） 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。因此， 在設(shè)計(jì) ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo) 。 圖 28 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用 a)單閉環(huán)系統(tǒng) 2. 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 177。 ?Ud U*n IdL Un + ASR ? 1/Ce n Ud0 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 E 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)） IdL 177。 ?Ud b)雙閉環(huán)系統(tǒng) △ Ud—電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 ? 1/Ce U*n n Ud0 Un + ASR 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 ACR ? U*i Ui E 3. 對(duì)比分析 ? 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。 ? 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。 4. 分析結(jié)果 因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 1. 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變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 （ 2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （ 3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 （ 1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 （ 2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 （ 3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。 （ 4）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大 值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。 返回目錄 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 問(wèn)題的提出 ? 必要性： 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(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)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。 問(wèn)題的提出（續(xù)） ? 可能性： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 ? 設(shè)計(jì)方法的原則 ： （ 1）概念清楚、易懂； （ 2）計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； （ 3）不僅給出參數(shù)計(jì)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(jiǎn)單的計(jì)算公式； （ 5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)工具 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是 伯德圖 （ Bode Diagram），即開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱耍聢D是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方法。 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型伯德圖。 ? 典型伯德圖 從圖中三個(gè)頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個(gè)方面： 0 L/dB ?c ?/s 1 20dB/dec 低頻段 中頻段 高頻段 圖 137 典型的控制系統(tǒng)伯德圖 ? 伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系 ? 中頻段以 20dB/dec的斜率穿越 0dB， 而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度 ， 則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好； ? 截止頻率 ?c （ 或稱(chēng)剪切頻率 ） 越高 ， 則系統(tǒng)的快速性越好； ? 低頻段的斜率陡 、 增益高 ， 說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高； ? 高頻段衰減越快 ， 即高頻特性負(fù)分貝值越低 ，說(shuō)明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng) 。 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。 設(shè)計(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿(mǎn)意的結(jié)果。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 在實(shí)際系統(tǒng)中 ， 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證 ， 而且還要有一定的裕度 ， 以防參數(shù)變化和一些未計(jì)入因素的影響 。 在伯德圖上 ， 用來(lái)衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是：相角裕度 ? 和以分貝表示的增益裕度 GM。 一般要求： ? ? = 30176。 － 60176。 ； ? GM 6dB 。 保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩弱、超調(diào)小。 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 ,使系統(tǒng)典型化并滿(mǎn)足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度 。 ，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求 。 典型系統(tǒng) 一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可表示 為 (28) ???????n1iirm1jj)1()1()(sTssKsW?)(sWR(s) C(s) 上式中，分母中的 sr 項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有 r 重極點(diǎn)，或者說(shuō)，系統(tǒng)含有 r 個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù) r=0， 1， 2， …… 等不同數(shù)值，分別稱(chēng)作 0型、I型、 Ⅱ 型、 ……