基于Matlab的转速﹑电流双闭环直流调速系统设计报告（毕业设计） .doc

引 言目前，转速电流双闭环控制直流调速系统是性能很好应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。故需要引入转速电流双闭环控制直流调速系统，本文着重阐明其控制规律性能特点和设计方法，是各种交直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先介绍转速电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。 长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。第一章 概 述1.1 直流电动机的原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统位置系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为 (1-1) 式中 转速（r/min）。 电枢电压（V）。 电枢电流（A）。 R电枢回路总电阻（W）。 励磁磁通（）。 由电机结构决定的电动势常数。由式(1-1)可以看出，调节电动机的转速有三种方法：1）调节电枢供电电压 U。2）减弱励磁磁通 F。3）改变电枢回路电阻 R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。接下来介绍几种主要的可控直流电源：1）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2）静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。3）直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。1.1.1 转速控制的要求和调速指标任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。1调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 表示，即 (1-2)其中和一般都指电机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。2静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率,即 (1-3)或用百分数表示 (1-4)显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。在了解了这些后，再来介绍一下转速负反馈闭环直流调速系统。1.2 闭环调速系统的组成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。图1-1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压，用以控制电动机转速。图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。1.2.1 反馈控制规律介绍了以上这些之后，再来看下他的反馈控制规律：转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。1被调量有静差从原理图1-1中分析可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，即=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为 (1-5)只有 ，才能使 ，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。2抵抗扰动, 服从给定反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。 调速系统的扰动源有：1）负载变化的扰动（使变化）。2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）。3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）。4）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）。5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）。6）检测误差的扰动（使a变化）。 3系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。1.2.2 限流保护电流截止负反馈起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的（1+K）倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。 以上就是关于转速负反馈闭环直流调速系统的一些内容，为了实现更好的控制效果，我们需要让电流负反馈和转速负反馈分别起作用，这就是我要设计的转速电流双闭环直流调速系统。下面一章就是关于此系统的介绍。第二章 转速电流双闭环直流调速系统介绍2.1 转速电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性对于一个完整的系统而言，系统所要达到的性能指标、整个系统的综合性价比以及系统的运行稳定性、工作的可靠性等都是相当重要的，这就要求我们考虑问题要非常周全，能够考虑到各方面因素对整个系统运行所产生的影响。直流调速系统，传统上采用速度和电流的双闭环调速。这是从单闭环自动调速系统发展起来的。采用PI控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。这样，电动机的转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。另一方面，在一个调节器的情况下，输入端综合几个信号，各参数互相影响，调整也比较困难。为获得近似理想的起动过程，并克服几个信号在一处的综合的缺点，经研究与实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图2-1a）所示,起动电流突破以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b）。这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，图2-1b）所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。这就要求系统在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用，怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器显然是不可能的，可以考虑采用转速和电流两个调节器，问题是在系统中应该如何联接。 a）带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程b）理想的快速起动过程图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形2.1.1 转速电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接,如图2-2所示。图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2-2 转速电流双闭环直流调速系统ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器转速给定电压 转速反馈电压电流给定电压 电流反馈电压为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图2-3所示。 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图2.1.2 转速电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2-4所示。它可以很方便地根据原理图（见图2-3）画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图a转速反馈系数; b 电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此由第一个关系式可得 (2-1)从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知。这就是说，CA段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 (2-2)其中，最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(2-2)所描述的静特性对应于图2-5中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。 图2-5 双闭环直流调速系统的静特性第三章 双闭环直流调速系统的基本原理3.1 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.1.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型由双闭环控制的结构（见图2-4），即可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图3-1所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。图3-1 双闭环直流调速系统的动态结构框图3.1.2 双闭环调速系统的起动过程分析我们知道设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图2-1b) 所示的理想起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图3-2 所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、三个阶段。第I阶段是电流上升的阶段（0） 突加给定电压 后，经过两个调节器的跟随作用,都跟着上升，当时，电机还不能转动。当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第阶段是恒流升速阶段（） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长见图3-2，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE 的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的。第阶段是转速调节阶段（以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t =时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。图3-2 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形3.1.3 双闭环直流调速系统起动过程的特点由上一节所述，我们得到起动过程的特点有以下三点：1）饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。3）准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制” ，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程I、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制” 。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍也得到应用。最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。必须回馈制动时，可采用可逆的电力电子变换器。3.1.4 动态抗扰性能分析1抗负载扰动一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。图3-3 直流调速系统的动态抗负载扰动作用由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 2抗电网电压扰动由图3-4a）和3-4b）对比分析可知1）单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。a）单闭环系统b）双闭环系统图3-4 直流调速系统的动态抗扰作用2）双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。3.1.5 转速和电流两个调节器的作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可分别归纳如下。1电流调节器作用1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2转速调节器作用1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。2）对负载变化起抗扰作用。3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。3.2 调节器的工程设计方法1工程设计方法的必要性转速、电流双闭环直流调速系统的转速调节器和电流调节器的参数设计及结构选择可采用伯德图的方法来设计，但设计每一个调节器时，都须先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数。反复试凑过程也就是系统的稳、准、快和抗干扰诸方面矛盾的正确解决过程，需要有熟练的设计技巧才行。于是便产生建立更简便实用的工程设计方法的必要性。2工程设计方法的可能性现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统 而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。3.2.1 工程设计方法的原则1）概念清楚、易懂。2）计算公式简明、好记。3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向。4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式。5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。3.2.2 工程设计方法的基本思路作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的思路是，把调节器的设计过程分作两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳、准、快和抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。3.3 典型系统一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可以用下式表示 (3-1)其中分子和分母上还有可能含有复数零点和负数极点。分母中的项表示该系统在原点有重极点，或者说，系统含有个积分环节。根据的不同数值，分别称作0型、I 型、II型、系统。自动控制理论已证明，0型系统稳态精度低，而III型和III型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多用I型和II型系统。I型和II型系统还有多种多样的结构，下面各选一种作为典型。1典型I型系统作为典型I型系统，其开环的传递函数为 (3-2)式中 系统的惯性时间常数；系统的开环增益。选择它作为典型的I型系统是因为其结构简单，而且对数幅频特性的中频段以的斜率穿越线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。显然，要做到这一点，应在选择参数时保证或 于是，相角稳定裕度它的闭环系统系统结构框图如图3-5a）所示。而图3-5b）表示它的开环对数频率特性。 a）闭环系统结构框图 b）开环对数频率特性图3-5 典型型系统2典型II型系统在各种II型系统中，选择一种结构简单而且能保证稳定的结构作为典型II型系统，其开环传递函数为 (3-3)它的闭环系统结构框图和开环对数频率特性如图3-6所示。 a）闭环系统结构框图 b）开环对数频率特性图3-6 典型型系统在典型II型系统中，其中频段也是以-20dB/dec的斜率穿越0dB线。由于分母中的相频特性是-180°,后面还有一个惯性环节，如果不在分子添上一个比例微分环节，就无法把相频特性抬到-180°线以上，也就无法保证系统稳定，要实现图3-6 b）中的特性，显然应保证或 而相角裕度为比T大得多，则系统的稳定裕度越大。 典型I型系统与典型II型系统的结构形式和西门子方法中的“二阶最佳系统”与“三阶最佳系统”是一样的，只是名称不同。然而，阶数上是三阶或二阶只是表面现象，因为经过降阶处理后，高阶系统可以近似地降为低阶，而I型和II型以及由此表明的在稳态精度上的差异才是这两类系统本质上的区别，所以采用现在的命名更妥当。通过以上的叙述我们知道典型I型系统和典型II型系统除了在稳态误差上的区别外，一般来说，在动态性能中典型I型系统可以在跟随性能中做到超调量小，但抗扰性能稍差；而典型II型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。3.4 控制系统的动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。1跟随性能指标在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零时给定信号阶跃变化下的过渡过程为典型的跟随过程，这时的输出量动态响应称作阶跃响应。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。1）上升时间图3-7绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的是输出量C的稳态值。在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到所经过的时间称作上升时间，它表示动态响应的快速性。图3-7 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标2）超调量与峰值时间在阶跃响应过程中，超过以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间是达到最大值，然后回落。超过稳态值的百分数叫做超调量，即 (3-4)超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好。3）调节时间调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。理论上，线性系统的输出过度过程要到才稳定，但实际上由于存在各种非线性因素，过度过程到一定时间就终止了。为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认定稳态值上下的范围为允许误差带，将输出量达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。2抗扰性能指标控制系统稳态运行中，突加一个使输出量降低的扰动量后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，如图3-8所示。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。图3-8 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标1）动态降落 系统运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落值称作动态降落。一般用占输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，（）是系统在该扰动作用下的稳态误差，即静差。动态降落一般都大于稳态误差。调速系统突加额定负载扰动时转速的动态降落称作动态速降；2）恢复时间从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准值的的（或取）范围之内所需的时间，定义为恢复时间，见图3-8。其中称作抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况而定。如果允许的动态降落较大，就可以新稳态值作为基准值。如果允许的动态降落较小，例如小于5%（这是常有的情况），则按进入范围来定义的恢复时间只能为零，就没有意义了，所以必须选择一个比稳态值更小的作为基准。实际控制系统对于各种动态指标的要求各有不同。例如，可逆轧钢机需要连续正反向轧制许多道次，因而对转速的动态跟随性能和抗扰性能都有较高的要求，而一般生产中用的不可逆调速系统则主要要求一定的转速抗扰性能，其跟随性能如何没有多大关系。工业机器人和数控机床用的位置随动系统需要很强的跟随性能，而大型天线的随动系统除需要良好的跟随性能外，对抗扰性能也有一定的要求。总之，一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而跟随系统的动态指标则以跟随性能为主。第四章 双闭环直流调速系统的整体设计4.1 双闭环直流调速系统的动态结构框图首先我们看一下转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图4-1所示。这就是我们最终要设计成的图形。此图有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中电流反馈滤波时间常数；转速反馈滤波时间常数。图4-1 双闭环调速系统的动态结构框图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，以滤平电流检测信号。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个迟延作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含换向纹波，因此也需要滤波，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入滤波环节。以下就是我们设计的过程。4.1.1电流调节器的设计1电流环结构框图的化简在双闭环调速系统中，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中,可认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成/，则电流环便等效成单位负反馈系统。最后，由于和一般比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节。则电流环结构框图最终简化为图4-2。图4-2 电流环最终简化动态结构框图2电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，再从动态要求看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。其传递函数可以写成