1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性圖1-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)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，這是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，或稱申級聯(lián)IUi*nR0RPiASRR0R0UnA-+LMR0'WOTAUcRiCir-CZHH'ACR圖1-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(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)。1.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-2UiU*nASRU*iAC

2、RUcUP"UnIdn圖1-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖CL轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；P一電流反饋系數(shù)這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達(dá)到限幅值就是飽和，輸出如果沒有達(dá)到限幅值就是不飽和。當(dāng)輸出為包值，輸入量的變化不會(huì)再影響輸出時(shí)，調(diào)節(jié)器處丁飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓AU在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是等丁零時(shí)，調(diào)節(jié)器處丁不飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小丁Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處丁飽和輸出時(shí)，負(fù)載電流達(dá)到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差7。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、

3、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這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)靜特性要好得多。1.2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示:圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由丁其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的申聯(lián)校正方案就可以完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快

4、速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后一超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜8。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。1.3參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中主要采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。1.3.1調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的基本思路先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開

5、始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)中先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后將電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。1.3.2調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1、設(shè)計(jì)指標(biāo)：1）靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量巧5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量研G0%。2、電機(jī)基本數(shù)據(jù)如下：1）電樞電阻Ra=1.5Q;2）電機(jī)額定電流=3.24A；3）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1450r/min;4）電樞回路總電阻R=4Q;5）回路總電感=2mH03、其它參數(shù)計(jì)算1）Ce=UN一1N尺=0.0338V-min/r2）Cm=30Ce/R=0.3236N-min/r2gd2r）Tm=

6、0.02903s375CeCm3 ）Tl=L/R=0.0005s5）控制電壓Uc的調(diào)節(jié)范圍是010V，由丁是雙極性控制，所以Uc=5V;整流電壓Ud的變化范圍是054V。Ks=54/5=10.86）電流反饋系數(shù)E設(shè)最大允許電流Idm=1.5IN，限幅值Ui,定為10V，電壓給定U；m也為10V。則Idm=153.24=4.86A*Uim-二=10/4.86=4.44V/Adm7)速度反饋系數(shù)雙*Unm=10/1450=0.0069V-min/rnmax1.4電流環(huán)的設(shè)計(jì)將電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)ACR（7>+1）（有+1）1、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是

7、雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為Wacr（S）Kis1iS式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；們一一電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)2、選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)AC盈前時(shí)間常數(shù)i=Tl=0.0005s;電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益：要求舟<5%,故應(yīng)取KiT#=0.5,因此0.50.5mmcr-IKI6666.67sT,0.0001167iRKs丁是，ACR勺比例系數(shù)為：0.000546666.67=0.62.05810.83、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：_1ci-KI=6666.67s(1) pwiMI置傳遞函數(shù)近似條件:1''ci-3Ts13Ts130.00005=666

8、6.67SJ_ci滿足近似條件；(2) 忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)影響的條件:ci-33I1=3TT0.029030.0005=.249s,-ci滿足近似條件；(3)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:.1,'ci、_3TsToi滿足近似條件。(4)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻為R°=40kQ,各電阻和電容值計(jì)算如下R=KiR=0.6x40kQ=24kQ,取24kQG=%=0.0005乂106呼=0.0208RF，取0.02叩R24x103c4Toi40.00006676Coi=3*10PF=0.00667xF取0.R0401031.5轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1、確定時(shí)間常數(shù)1）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)To

9、n=0.001s00670F2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理T=2T可+Lm=0.00115s2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要皿由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型n型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(S)=匕nS1nS3、選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取h=5,則ASR®前時(shí)間常數(shù)為n=hTn=50.00115s=0.00575s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:h1622Knf=2s=90737.24s2h2T"2250.00

10、1152ASR勺比例系數(shù):Kn(h1)-CeTm2hRTn=42.484、近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:K，cn=Knn=521.73s'1(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:'cn現(xiàn)在1Ki3屯一2519.4sJ.wcn滿足簡化條件(2)轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:現(xiàn)在-'cn滿足近似條件(3) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40kQ,則Rn=KnR=42.48X40kQ=1699.2g，取1700kQ-n0.005756Cn=x10HF=0.00338HF，取0.00340FRn1700103Con106呻=0.1HF，取0.1叩4Ton_40.001R0一40103(4) 檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由丁這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR!飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)