單片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要近年來，由于微電子技術(shù)、電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化方面的研究也取得了很大的成就。特別是由于采用了微處理器及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國內(nèi)外已得到廣泛的應(yīng)用。本文對單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了比較深入的研究。第1章介紹了目前國內(nèi)外直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況及實(shí)現(xiàn)數(shù)字化直流調(diào)速的必要性。第2章介紹了單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理及數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和可逆調(diào)速系統(tǒng)。第3章介紹了典型低階系統(tǒng)及電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)工程設(shè)定方法；第4章介紹了單片機(jī)的發(fā)展和8051單片機(jī)的的特點(diǎn)及其常用的接口電路。最后1章在單片機(jī)控制方面討論了數(shù)字測速，轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理并給出了軟，硬件實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)以8051單片機(jī)為核心，分別采用了8279，8155，8253等芯片與一些外圍電路。采用光電碼盤檢測速度n的M/T法反饋調(diào)節(jié)及高分辨率的數(shù)字觸發(fā)器，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度達(dá)到較高的水平。關(guān)鍵詞直流調(diào)速系統(tǒng)；單片機(jī)；數(shù)字觸發(fā)。ThedesignofDCtimingsystembasedonsinglechipcontrolAbstractOwingtothefastspeedinmicroelectronics，electricpowerelectronsystemandcomputertechnology，wehavemadegreatachievementindigitalDirectCurrentTimingSystemtheseyears.Especiallyduetoemploymicroprocessoransomeelseadvancedtechnology,digitaldirectcurrentsettinghaveveryhighprecision,excellentcontrolperformanceandstronganti-jammingability.italreadywidelyusedathomeandabroad.Inthispaper,deepresearchondigitalcurrenttimingsystembasedonsinglechipControliscarriedout.Infirstchapter,thepaperbrieflyintroducethegeneralsituationindirectcurrenttimingsystemandthenecessitytodevelopdigitaltimingsystem,Theninsecondchapter,IntroducethetheoryofsingleclosedloopDCtimingsystemanditsmathematicsmodel.AndonthisbasisdescribedoubleclosedloopDCtimingsystemandtheReversibletimingsystem.Inthethirdchapter，Introducethelowstepstypicalsystemandthemethodsofhowtoestablishtheparameterofelectriccurrentregulatorandrotationalspeedregulator.Infourthchapter，Introducethedevelopmentofthesinglechipandthecharacteristicsof8051singlechipandtheinterfacecircuitcommonlyused.Fiannallyintheaspectofsinglechipcontrol,ithasdiscussedtheprincipleofnumbervelocity,current/velocityControllerandpresentsthehardware/softwareschemetoachieveit.Thisschemeregards8051singlechipasthecore,hasseparatelyadopted8279,8155,8253chipsandsomeperipheralcircuit.AdoptphotoelectricityyardtraywhichmeasuresspeednofM/Tlawfeedbackedregulatinganddigitaltriggerwhichhavehigh-resolution,makethestablestatecontrolprecisionofthesystematicreachhigherlevel.KeywordsDirectCurrentTimingSystem；singlechip；digitaltrigger目錄摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論11.1課題背景1數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r1調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必要性2第2章直流調(diào)速系統(tǒng)32.1直流調(diào)速的基本原理3調(diào)速的基本概念3調(diào)速的分類3調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)42.2單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)5單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成5靜特性6閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的關(guān)系7單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型72.3單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)102.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)11轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成12穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性13雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型14雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析15轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用162.5可逆調(diào)速系統(tǒng)17可逆調(diào)速系統(tǒng)的形式17邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)182.6本章小結(jié)21第3章調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)223.1典型系統(tǒng)22典型I型系統(tǒng)22典型Ⅱ型系統(tǒng)253.2按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器29電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)29轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)323.3本章小結(jié)35第4章單片機(jī)概述364.1單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用36單片機(jī)的歷史發(fā)展概況36單片機(jī)發(fā)展趨勢36單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域374.28051單片機(jī)簡介384.2.18051單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)384.2.28051單片機(jī)的引腳說明39內(nèi)存空間414.38051單片機(jī)擴(kuò)展及接口電路434.3.18155芯片與8051的接口43利用8279的鍵盤及顯示接口444.3.38051與8253的接口電路454.4本章小結(jié)46第5章單片機(jī)控制的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)475.1數(shù)字控制的主要特點(diǎn)475.2單片機(jī)控制的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件48系統(tǒng)組成原理48系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)49系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算58軟件設(shè)計(jì)605.3本章小結(jié)63結(jié)論64致謝65參考文獻(xiàn)66附錄67千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行緒論課題背景近年來，由于以下三個(gè)方面的原因，推動(dòng)了電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的迅猛發(fā)展。第一是控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制等，相應(yīng)的拖動(dòng)控制系統(tǒng)也在實(shí)踐中逐步形成。其二是電子器件的發(fā)展，帶來了拖動(dòng)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的重大變化。過去采用交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)電力電子模塊的平滑調(diào)速，而直流發(fā)動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁又采用交磁功率放大機(jī)、磁放大器進(jìn)行控制，由于這樣的系統(tǒng)存在一系列的缺點(diǎn)，因此在50年代又出現(xiàn)了水銀整流器靜止裝置，不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上有所提高，而且在技術(shù)上也顯示了很大的優(yōu)越性。另外，集成運(yùn)算放大器和眾多的電子模塊的出現(xiàn)，不斷促進(jìn)了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。其三是80年代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，開創(chuàng)了拖動(dòng)控制系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的新時(shí)代。8位一32位單片機(jī)的相繼出現(xiàn)并應(yīng)用于控制系統(tǒng)，使其結(jié)構(gòu)更加簡單，功能更強(qiáng)、可靠性更高。從傳動(dòng)系統(tǒng)來講，交流調(diào)速取代直流調(diào)速是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，但綜觀全局，由于直流電氣傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用已達(dá)到比較成熟的地步，應(yīng)用相當(dāng)普遍，尤其是全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性，所以，今后一個(gè)階段在調(diào)速要求較高的場合，如軋鋼廠，海上鉆井平臺(tái)等，直流調(diào)速仍將處于重要地位。早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件其固有的缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，隨著單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，由于單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字控制系統(tǒng)，能與管理計(jì)算機(jī)、過程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程電控裝置進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化分級(jí)控制。所以，直流傳動(dòng)控制采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。據(jù)估計(jì)，在交流調(diào)速?zèng)_擊直流調(diào)速的形勢下，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，延遲了直流電氣傳動(dòng)被取代的進(jìn)程大約十到二十年。數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在竟相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，當(dāng)前直流調(diào)速裝置已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是由于采用了16位（或32位）微處理器及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國內(nèi)外已得到廣泛的應(yīng)用。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢，全數(shù)字化直流調(diào)速裝置不斷推出，為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。目前，國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司，德國的西門子公司，AEG公司，日本的三菱公司、東芝公司，美國的GE公司、西屋公司等，均已開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用。全數(shù)字直流調(diào)速裝置的普及發(fā)展，使直流電機(jī)拖動(dòng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，這些裝置給出豐富的控制軟件，供用戶重新組態(tài)和整定參數(shù)。應(yīng)用這類裝置，人們完全可以實(shí)現(xiàn)一些以前未有過的新的控制方法，使系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步的提高。根據(jù)目前的發(fā)展，展望未來，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)必將向高性能指標(biāo)方面發(fā)展，朝調(diào)試手段先進(jìn)，控制，通訊功能智能化的方面邁進(jìn)，尤其是它的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)還可以得到進(jìn)一步的提高與交流傳動(dòng)展開全面競爭。調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必要性綜上所述，微機(jī)控制的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有以下的優(yōu)點(diǎn)：1)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的控制方案是依靠軟件實(shí)現(xiàn)的，控制器由可編程功能模塊組成，其結(jié)構(gòu)配置和參數(shù)調(diào)整簡單、工作穩(wěn)定、不受環(huán)境的影響，且具有很強(qiáng)的自保護(hù)功能，因而使傳動(dòng)裝置不僅具有很大的靈活性而且具有很高的可靠性。2)數(shù)字控制不僅可以實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)字給定和比較，數(shù)字PI運(yùn)算、數(shù)字觸發(fā)和相位控制、電樞電流和勵(lì)磁、速度的控制，邏輯切換和各種保護(hù)功能，而且在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)不變時(shí)，很容易引入各種先進(jìn)的控制規(guī)律。如非線性控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等，自動(dòng)適應(yīng)不同控制對象和控制規(guī)律的要求，實(shí)現(xiàn)最佳控制。因此，設(shè)備的通用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。3)數(shù)字傳動(dòng)裝置控制器內(nèi)有多種形式的存儲(chǔ)器，其容量可以不斷增大，能存儲(chǔ)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)、故障自診斷、報(bào)警顯示、波形分析、故障自動(dòng)復(fù)原等多種功能。4)具有很強(qiáng)的通信功能.不僅可與上一級(jí)計(jì)算機(jī)通信，而且在與直流裝置之間、PLC之間、交流傳動(dòng)裝置之間都可以通過局域網(wǎng)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換，分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全局自動(dòng)化。5)數(shù)字控制不僅簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，使維修方便、提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而且可以方便地對外部或內(nèi)部信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速的基本原理調(diào)速的基本概念調(diào)速即速度控制，是指在直流傳動(dòng)系統(tǒng)中人為的或自動(dòng)的改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械對不同轉(zhuǎn)速的要求。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參數(shù)之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為：＝式中——轉(zhuǎn)速（r／min）——電樞電壓（V）I——電樞電流（A）R——電樞回路總電阻（）——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）Ke——有電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)。從機(jī)械特性來看，就是通過改變電樞電壓U，減弱勵(lì)磁磁通，或改變電樞回路電阻R等方法來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。速度調(diào)節(jié)，可以通過手動(dòng)給定信號(hào)并通過中間放大、保護(hù)等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速人為給定，不能自動(dòng)糾正轉(zhuǎn)速偏差的方式稱為開環(huán)控制。在很多情況下我們希望轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，即轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載及電網(wǎng)電壓等外界擾動(dòng)而改變。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)，即采用閉環(huán)控制。在實(shí)際的應(yīng)用中，我們主要還是采用閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。調(diào)速的分類一、無級(jí)調(diào)速和有級(jí)調(diào)速無級(jí)調(diào)速，又稱連續(xù)調(diào)速，是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以平滑的調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速變化均勻，適應(yīng)性強(qiáng)而且實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)自動(dòng)化，因此，在工業(yè)裝置中被廣泛采用。有級(jí)調(diào)速，又稱間斷調(diào)速或分級(jí)調(diào)速。他的轉(zhuǎn)速只有有限的幾級(jí)，調(diào)速范圍有限而且不容易實(shí)現(xiàn)調(diào)速自動(dòng)化。二、向上調(diào)速和向下調(diào)速電動(dòng)機(jī)未作調(diào)速時(shí)的固有轉(zhuǎn)速，即為電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的額定轉(zhuǎn)速，也稱為基本轉(zhuǎn)速或其速，一般地，在其速方向提高轉(zhuǎn)速的調(diào)速稱為向上調(diào)速。如直流電動(dòng)機(jī)改變磁通進(jìn)行調(diào)速，其調(diào)速極限受電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和換向條件限制。反之，在其速方向降低轉(zhuǎn)速的調(diào)速稱為向下調(diào)速。例如改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速的極限即最低轉(zhuǎn)速，主要受轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的限制。三、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即在調(diào)速過程中不同的穩(wěn)定速度下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是常數(shù)。如果選擇的調(diào)速方法能使電磁轉(zhuǎn)矩TeI＝常數(shù)，則在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，電機(jī)無論在高速或低速下運(yùn)行，其發(fā)熱情況始終是一樣的。這就是電動(dòng)機(jī)容量能得到合理而充分的利用。這種調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。如當(dāng)磁通一定，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓或電樞回路電阻的方法，就屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。恒功率調(diào)速，具有恒功率特性的負(fù)載，是指在調(diào)速過程中負(fù)載功率PL為常數(shù)的負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=(為勵(lì)磁調(diào)節(jié)系數(shù))，這時(shí)，如果采用上述恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，使調(diào)速過程保持Te∝I，則在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流將不同，并在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)將會(huì)過載，因此，要保持調(diào)速過程電流恒定，應(yīng)使功率I，這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。對于直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電樞電壓一定時(shí)，減弱磁通的調(diào)速方法屬于恒功率調(diào)速。用恒功率調(diào)速方法去帶動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載也是不合理的，在高速時(shí)電機(jī)會(huì)過載。調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求，歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制的要求主要有一下三個(gè)方面：1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分有級(jí)和無級(jí)調(diào)速。2）穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。3）加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減盡量快，以提高生產(chǎn)率，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量分析，針對前兩項(xiàng)要求定義了兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)。一.調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比叫做調(diào)速范圍。通常用字母D表示，即D＝其中nmax和nmin一般指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。二．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時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN與理想空載時(shí)轉(zhuǎn)速no之比，稱作靜差率S。S=100%顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性的，他和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高，此外，靜差率也與工作速度有關(guān)，速度越高，靜差率越小，速度越低時(shí)。靜差率越大，由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提出才有意義。對于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系如下：在直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，設(shè)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為nN，設(shè)系統(tǒng)靜差率是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率。即S＝＝于是＝－＝調(diào)速范圍D＝將上面的nmin式代入，得D＝上式即為調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所滿足的關(guān)系，對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，nN值一定時(shí)，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求S值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍越小。于是，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成＋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，如圖2－1所示.＋＋＋I(xiàn)d＋UPEAR1Id＋UPEAR1Uc△UnUdMUc△UnUdMUn*Un*－－－－－－＋－＋－nnUnUn＋＋TGUtgTGUtgR2R2－－圖2－1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖測速電機(jī)TG作為速度反饋元件，其輸出電壓Utg＝NCe，從電位器R2得到電壓Un，便是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Un，它與從電位器R1上取得的給定電壓作比較后，得到偏差電壓△Un＝Un*－Un，經(jīng)過放大器A后，便成為晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓Uc，該系統(tǒng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，故稱為單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。靜特性設(shè)負(fù)載電流IL＝Ia1時(shí)，電位器R1給出一定電壓，在放大器的輸入電壓△Un,晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓Uc，它的控制角為，平均整流電壓為Ud1，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在由Ud1決定的工作點(diǎn)a處，轉(zhuǎn)速為，如圖2－2所示，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大時(shí)，負(fù)載電流就增大，如增大到Ia2，相應(yīng)的電樞回路電阻壓降增大，轉(zhuǎn)速隨之下降。若是開環(huán)系統(tǒng)，則穩(wěn)定運(yùn)行于Ud1決定的特性的工作點(diǎn)b′處。但在閉環(huán)系統(tǒng)中，速度反饋元件TG的輸出電壓隨著轉(zhuǎn)速的下降而減小，即反饋電壓Un減小，使偏差電壓△Un1增加至△Un2，通過放大器放大，控制電壓增加至Uc2，控制角減小到，晶閘管裝置的輸出電壓提高到Ud2，增加的整流電壓用以補(bǔ)償電阻壓降增量的很大部分，而系統(tǒng)工作在Ud2決定的特性的工作點(diǎn)b處。所以穩(wěn)態(tài)速度降落比開環(huán)系統(tǒng)小很多。nn1nn1IaIa4Ia3Ia2Ia1b′dcbaUd4Ud3Ud2Ud1圖2－2閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性以上分析了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和靜特性，下面推導(dǎo)出系統(tǒng)的靜特性方程，先作如下假設(shè)：(1)忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中得各環(huán)節(jié)的輸入—輸出關(guān)系都是的，或者只取其線性工作段。(2)忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。這樣，由圖得出各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)放大器晶閘管觸發(fā)和整流裝置調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測速反饋環(huán)節(jié)以上各關(guān)系中——放大器的電壓放大系數(shù)；——晶閘管的電壓放大系數(shù)；——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；——電力電子變換器理想空載輸出電壓。將上述關(guān)系式整理后，得出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式＝＝－其中K＝稱做閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的關(guān)系如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)就成了開環(huán)系統(tǒng)，其機(jī)械特性為：n＝＝－＝－則閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可寫成n＝－＝－式中，分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載，，表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比較開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，我們可以得出以下結(jié)論：(1)．閉環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速為開環(huán)系統(tǒng)的的1／（1＋k）。(2).若和相等，對于相同的負(fù)載，閉環(huán)系統(tǒng)的速降是開環(huán)系統(tǒng)的1／(1＋K)倍。說明閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性硬。(3).如果要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的(1＋K)倍。綜合上述三點(diǎn)，提高閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K是增大系統(tǒng)的調(diào)速范圍，減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效措施。而K＝KpKs／Ke，K要足夠大，必須設(shè)置放大器，并增大其放大系數(shù)Kp；也可增大速度負(fù)反饋系數(shù)(≤1)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為了對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)分析，須建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：1)根據(jù)系統(tǒng)中個(gè)環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(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)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。下面我們將分別給出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1．直流電機(jī)的傳遞函數(shù)額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電機(jī)的等效電路如圖2－3所示：RIdLRIdLUdon,TeTL－++－EM圖2－3直流電動(dòng)機(jī)等效電路規(guī)定正方向如圖所示。假如主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為：忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為電磁轉(zhuǎn)矩式中——包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m）?！娏ν蟿?dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（N.）?！~定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N.m／A），＝，將上述微分方程式加以整理可得＝其中＝L／R—————電磁時(shí)間常數(shù)；Tm＝———電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)；————過載電流（A）。在零初始條件下，將上面的等式兩邊進(jìn)行拉式變換，得電壓與電流之間的傳遞函數(shù)：＝電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)：＝根據(jù)上面兩式并考慮n＝E／Ce即可得到額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)得動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2－4所示：Ud0（Ud0（s）IdL（s）n(s)E(s)－＋I(xiàn)d（s）圖2－4額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)得動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖2－4可知，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Udo，一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者是輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果要在結(jié)構(gòu)圖中顯示電流Id，可將IdL的綜合點(diǎn)前移，進(jìn)行等效變換，其結(jié)構(gòu)圖如圖2－5a）所示，如果是理想空載，則Tdl＝0，結(jié)構(gòu)框圖即簡化成圖2－5b)所示。R（TlS＋1）n（sR（TlS＋1）n（s）Udo（s）IdL（s）A）a）Udo（s）n（s）b）2．晶閘管變流器的傳遞函數(shù)根據(jù)我們電力電子所學(xué)的知識(shí)，知道其傳遞函數(shù)Ws（s）3．比例放大器和測速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)。比例放大器傳遞函數(shù)：＝測速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)：＝其中——比例放大系數(shù)——速度反饋系數(shù)由此，我們知道各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，則閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2－6所示：-－-－＋圖2－6反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，于是可以寫出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Wcl（s）＝＝式中：K＝則上式還可以寫成：Wcl（s）＝單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)前面的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總由靜差是因?yàn)殡妷悍糯笃鳛楸壤糯笃?，如果選用比例積分調(diào)節(jié)器（即PI調(diào)節(jié)器），PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩個(gè)分量組成，一個(gè)是比例分量，一個(gè)是積分分量，它能隨時(shí)間對輸入信號(hào)的不斷積累，當(dāng)突加Uin時(shí)，相當(dāng)于放大倍數(shù)為Kp的比例調(diào)節(jié)器，當(dāng)Uin不為零時(shí)，積分作用將不斷作用下去，輸出積累上升，直到限幅最大值；一旦Uin＝0，輸出保持在此時(shí)的數(shù)值上，穩(wěn)態(tài)時(shí)PI調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)是它本身的開環(huán)放大倍數(shù)，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無靜差。積分控制可以使系統(tǒng)在偏差電壓為零時(shí)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速，因此，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。帶PI調(diào)節(jié)器的單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2－7所示。＋－－＋－－＋Ud△UnUn*1/CePIKsUnIdRn(s)圖2－7無靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算很簡單，在理想的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)，因而，,可以按下式直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)＝式中——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V.min／r）；——電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速（r／min）；——相應(yīng)的最高給定電壓（V）；電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流Idcr計(jì)算出，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp和可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。如果采用準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器，其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)Kp’=R1’/Ro,由Kp’可以計(jì)算實(shí)際的靜差率。上述帶PI調(diào)節(jié)器的單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，理論上是無差調(diào)速系統(tǒng)，但實(shí)際上由于調(diào)節(jié)器本身不是理想的，放大倍數(shù)不是無限大，且測速電機(jī)本身還存在一定的誤差，所以仍然有靜差，只不過系統(tǒng)的靜差很小。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可以消除靜態(tài)誤差，又能保證動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性，較好的解決了動(dòng)靜態(tài)的矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在起動(dòng)過程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。應(yīng)該在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋，又使他們只能分別在不同的階段里起作用呢？顯然只用一個(gè)調(diào)節(jié)器是不可能的，考慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制靜閘管觸發(fā)裝置，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，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)，如圖2-8所示。+TG+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG內(nèi)環(huán)外環(huán)ni圖2－8轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器TG—測速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*—電流給定電壓Ui—電流反饋電壓穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為使轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性，必須先知道它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2－9所示。KKs1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-Ui圖2－9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)—電流反饋系數(shù)分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2－10所示。CBCBA圖2-10雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性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是零。，得出由圖2－10所示的CA段，由于ASR不飽和，Ui*<Uim*?？芍簿褪钦fCA段靜特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，成電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，為最大電流。靜特性是圖3-4中的AB段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時(shí)，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(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。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)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-11所示。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)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。U*U*nUc-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2－11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析通過啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程分析，可更清楚地了解轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR是如何起調(diào)節(jié)作用的。轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于圖2－12所示。IIIIIInOOtIIIIIInOOttn*n*IdIdIdmIIdt1t2t1t2t4t3圖2－12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，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、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。第I階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，、、都上升，在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，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，強(qiáng)迫電流迅速上升。直到，，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，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不飽和。第II階段（）是恒流升速階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。第Ⅲ階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直=時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時(shí)間內(nèi)，，直到穩(wěn)定。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，Ia＝IL，n＝n1，ASR和ACR的輸入偏差均為零，但是由于積分作用，他們都有恒定的輸出電壓，其值分別為式中Ki——電流反饋系數(shù)終上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：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)：(1)當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)。(2)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)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的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這樣，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)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。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)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。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)無靜差。(2)對負(fù)載變化起抗擾作用。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)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，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。對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(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)作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的?？赡嬲{(diào)速系統(tǒng)可逆調(diào)速系統(tǒng)的形式生產(chǎn)實(shí)踐中許多生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能夠可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，如可逆軋機(jī)的來回軋制，龍門刨工作臺(tái)的往返工作，礦井卷揚(yáng)機(jī)和電梯的提升和下降，電氣機(jī)車的前進(jìn)和后退等等。有些生產(chǎn)機(jī)械雖不要求可逆運(yùn)行，但卻要求能進(jìn)行快速電氣制動(dòng)。因此，這些生產(chǎn)機(jī)械都要求電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠自由改變方向，我們稱此系統(tǒng)為可逆調(diào)速系統(tǒng)。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向可由磁場和電樞電流的方向來決定。磁場方向不變，通過改變電樞電壓極性實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)稱為電樞可逆系統(tǒng)，如圖2－13所示。兩組晶閘管之間，有兩種基本聯(lián)結(jié)方式；第一種是由一個(gè)交流電源同時(shí)向兩組晶閘管供電，稱為反并聯(lián)線路。如圖2－13a)所示。第二種是兩組晶閘管分別由兩個(gè)獨(dú)立的交流電源供電，稱為交叉聯(lián)結(jié)線路。如圖2－13b)所示。Ma)L2L1VRU~U~VFMa)L2L1VRU~U~VFU~IaU~U~IaU~VR－＋L1L2VF－＋MUdozUdofihb)圖2－13電樞可逆系統(tǒng)若電樞電壓極性不變，通過改變勵(lì)磁電流方向而實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)稱為磁場可逆系統(tǒng)，如圖2－14所示。TenTen能量M圖2－14磁場可逆系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)容量很大時(shí)，如果采用磁場可逆系統(tǒng)，在電樞回路中只需要一套大容量的晶閘管裝置；而勵(lì)磁回路需要增設(shè)兩套晶閘管裝置，但其容量，相對來說時(shí)很小的，故可大量節(jié)省系統(tǒng)的投資費(fèi)用，缺點(diǎn)是電機(jī)勵(lì)磁回路的時(shí)間常數(shù)很大，往往達(dá)到幾秒甚至十幾秒，所以系統(tǒng)的快速性差，另外，磁場可逆系統(tǒng)的控制回路也十分復(fù)雜，所以，只有當(dāng)系統(tǒng)的容量很大，而且對快速性要求不高時(shí)，才考慮采用磁場可逆系統(tǒng)。邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)過渡特性的平滑要求不是很高時(shí)，采用無環(huán)流系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，一律采用反并聯(lián)線路。如圖2－15所示是工業(yè)上應(yīng)用最多的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。它消除環(huán)流的方法是：當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，切斷了環(huán)流的通路。Ui*UnUi*UnUn*Uc2LGUiYBUc1FHGTFVFVRGTRU－U－ASRACR－1MI～U－GWLZ圖2－15邏輯無環(huán)流系統(tǒng)邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的主回路采用反并聯(lián)線路；因?yàn)闊o環(huán)流，所以沒有設(shè)置環(huán)流電抗器，另外，增加無環(huán)流邏輯裝置（簡稱WLZ）。此控制系統(tǒng)采用典型的雙環(huán)系統(tǒng)。與自然環(huán)流不同之處在于采用了WLZ對正反兩組觸發(fā)器GTF和GTR進(jìn)行脈沖的釋放和控制。下面主要討論無環(huán)流邏輯裝置的工作原理。WLZ的任務(wù)，是正確的對正反兩組晶閘管裝置進(jìn)行切換，當(dāng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)要求電機(jī)產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，即要求電機(jī)電樞電流為正時(shí)，WLZ將正組觸發(fā)器GTF的脈沖釋放出來，去觸發(fā)正組晶閘管裝置工作，同時(shí)，封鎖反組脈沖，使反組晶閘管的控制極上失去觸發(fā)脈沖，以保證不產(chǎn)生環(huán)流。相反，當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化，要求電機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，即要求電樞電流為負(fù)時(shí)，則WLZ應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行切換，將正組脈沖封鎖，反組脈沖釋放。所以，為了保證WLZ正確工作，必須首先檢測出系統(tǒng)對電樞電流Ia極性的要求。顯然，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出的電流給定信號(hào)Ui*恰好反映了工作狀態(tài)對電樞電流Ia的大小和極性的要求。所以WLZ應(yīng)首先對電流給定信號(hào)Ui*的極性進(jìn)行鑒別，以決定應(yīng)該釋放哪一組脈沖，封鎖哪一組脈沖，即WLZ應(yīng)具有給定電流鑒別器，將鑒別的結(jié)果作為邏輯裝置的第一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電流給定信號(hào)方向變化，是系統(tǒng)邏輯切換的必要條件，但不是充分條件。例如當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，電流給定信號(hào)Ui*極性改變，僅表示制動(dòng)過程的開始，但當(dāng)實(shí)際電樞電流反向之前瞬間，仍然必須保證本組工作，以便本組逆變階段的完成，只有在實(shí)際電流降到零時(shí)，再給WLZ發(fā)出切換的命令。另一方面，如果本組電流沒有斷續(xù)，強(qiáng)行封鎖處在逆變狀態(tài)下的本組觸發(fā)脈沖，是絕對不允許的。所以，WLZ還必須具備有零電流檢測器，對實(shí)際負(fù)載電流進(jìn)行檢測，等到電流真正到零時(shí)，送出零電流信號(hào)，作為WLZ的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。WLZ的第二個(gè)組成部分時(shí)邏輯運(yùn)算電路。因?yàn)榻o定電流極性信號(hào)和零電流信號(hào)都是模擬量，在進(jìn)行邏輯運(yùn)算以前應(yīng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。邏輯運(yùn)算電流包括邏輯判斷環(huán)節(jié)和方向記憶環(huán)節(jié)。前者是根據(jù)給定電流極性信號(hào)的零電流信號(hào)的數(shù)字量進(jìn)行邏輯判斷，然后發(fā)出切換指令，后者用于記憶切換后的狀態(tài)，直到下一次切換條件成熟，才允許進(jìn)行下一次切換。WLZ的第三個(gè)組成部分是延時(shí)電路，由封鎖延時(shí)和釋放延時(shí)環(huán)節(jié)組成。封鎖延時(shí)是指從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原工作組脈沖，二者之間應(yīng)該留出來的等待時(shí)間。這是因?yàn)殡娏魇敲}動(dòng)的，時(shí)高時(shí)低，而零電流檢測器有很小動(dòng)作電流Io的要求。如果脈動(dòng)電流瞬時(shí)低于Io而實(shí)際仍在連續(xù)變化時(shí)，就發(fā)出了零電流信號(hào)而降本組脈沖封鎖，則會(huì)使處于本組逆變階段的過程顛復(fù)。設(shè)置封鎖延時(shí)后可避免此點(diǎn)，因經(jīng)過一段時(shí)間，電流仍不再超過Io，說明電流確實(shí)斷開了。釋放延時(shí)是指從封鎖原工作組脈沖到開放另一組脈沖之間的等待時(shí)間。設(shè)置該環(huán)節(jié)是因?yàn)榫чl管一旦被觸發(fā)，只有待電流過零時(shí)才能真正關(guān)斷，并經(jīng)過一般時(shí)間以后方可恢復(fù)阻斷能力。若在此之前，讓另一組導(dǎo)通，則會(huì)使兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，造成電源短路。WLZ的最后組成部分使邏輯聯(lián)鎖環(huán)節(jié)，主要用于防止邏輯裝置誤動(dòng)作而同時(shí)開放正反兩組脈沖，即UI、UII不可能同時(shí)為“1”態(tài)。WLZ的功能如圖2－16所示。零電流檢測U零電流檢測UIIUi圖2－16WLZ的功能及其輸入輸出信號(hào)UIUi*給定電流極性鑒別邏輯判斷封鎖延時(shí)方向記憶釋放延時(shí)邏輯聯(lián)鎖2.6本章小結(jié)改變電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案。調(diào)速范圍D與靜差率S是直流調(diào)速系統(tǒng)的兩項(xiàng)重要調(diào)速指標(biāo)。系統(tǒng)的靜差率是指最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率。系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指滿足一定靜差率條件下的調(diào)速比。兩項(xiàng)調(diào)速指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)，只有同時(shí)提出才有意義。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，但靜態(tài)速降大，機(jī)械特性不硬，當(dāng)對調(diào)速精度有較高要求時(shí)不能滿足具有一定靜差率的調(diào)速范圍的要求，需引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，這樣將負(fù)載擾動(dòng)引起的靜態(tài)速降減小為原來開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+k),因而在一定靜差率下的調(diào)速范圍擴(kuò)大（1＋K）倍，或者說在一定調(diào)速范圍內(nèi)減小靜差率。作用在閉環(huán)系統(tǒng)反饋環(huán)內(nèi)主通道上的各個(gè)環(huán)節(jié)上的擾動(dòng)都會(huì)受到閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)作用的抑制，這些擾動(dòng)作用最終造成的轉(zhuǎn)速變換量都將減小。有靜差調(diào)速系統(tǒng)其控制量與偏差成正比，只能減小偏差而不能消除它，其根本原因是采用了比例調(diào)節(jié)器，若換為PI調(diào)節(jié)器，則系統(tǒng)的控制量與調(diào)節(jié)過程中偏差對時(shí)間的積累成正比，穩(wěn)態(tài)時(shí)偏差為零，依靠積分調(diào)節(jié)器的記憶作用保持一定的控制量，這樣便成為無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器串級(jí)聯(lián)接，轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán)，電流反饋為內(nèi)環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調(diào)整限幅值大小或調(diào)整電流反饋系數(shù)β值就可改變最大電流Iam。在起，制動(dòng)過程中，速度調(diào)節(jié)器很快進(jìn)入飽和，輸出限幅值為電流環(huán)提供了最大電流給定，電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，在它的調(diào)節(jié)作用下，使電流保持最大值，這時(shí)系統(tǒng)實(shí)際為一個(gè)恒電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)的起，制動(dòng)過渡過程中電流的波形接近于理想的最佳過渡過程波形，當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后，速度調(diào)節(jié)器退出飽和，對轉(zhuǎn)速起主要調(diào)節(jié)作用，電流環(huán)成為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。電流反饋環(huán)使得系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，作用在電流環(huán)前向通道上的一切擾動(dòng)作用，如電網(wǎng)電壓擾動(dòng)等，受到電流環(huán)的及時(shí)調(diào)節(jié)所抑制，使轉(zhuǎn)速不受或少受擾動(dòng)的影響。電流內(nèi)環(huán)還起到改造速度外環(huán)中調(diào)節(jié)對象結(jié)構(gòu)及參數(shù)的作用，加快了轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)響應(yīng)過程，在靜特性上，轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用保證了系統(tǒng)的無靜差，電流環(huán)的作用使系統(tǒng)具有較理想的挖土機(jī)下垂特性。有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，還需要快速的起動(dòng)和制動(dòng)。也就是說需要可逆調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)的過渡特性的平滑要求不高時(shí)，采用邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。該系統(tǒng)要采用無環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)就是任何時(shí)刻都只有一組晶閘管在工作。調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)實(shí)際自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)高階的系統(tǒng)，精確設(shè)計(jì)是相當(dāng)復(fù)雜而困難的，在工程應(yīng)用上很不方便，因此工程上需要建立簡便實(shí)用且具有一定準(zhǔn)確度的工程設(shè)計(jì)方法。典型系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)所含積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)，將系統(tǒng)分為I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)。理論證明：0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是有靜差的，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。實(shí)際上很少應(yīng)用。因此，，多用I型和II型系統(tǒng)。典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性典型I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；—系統(tǒng)的開環(huán)增益。閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖3-1a)所示，圖3-1b表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。a）圖3－1典型I型系統(tǒng)b）圖3－1典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對數(shù)幅頻特性的中頻段以dB/dec的斜率穿越零分貝線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)保證或，。相角穩(wěn)定裕度。開環(huán)放大系數(shù)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能取決于開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T。但時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，因此I型系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)只有開環(huán)放大系數(shù)K。確定K后，系統(tǒng)的性能就確定了。由圖3－1中對數(shù)幅頻特性曲線，可知在Wc處，對數(shù)幅頻特性的分貝值為0，這時(shí)，，所以可得所以K＝Wc這一關(guān)系說明，開環(huán)放大系數(shù)K越大，則截止頻率Wc越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快。當(dāng)Wc增大時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)的相位裕量減小，相對穩(wěn)定性變差，系統(tǒng)的超調(diào)量變大。這說明系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性是互相矛盾的。具體選擇K時(shí)，應(yīng)綜合考慮，以滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。（1）開環(huán)放大系數(shù)K和跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為，—無阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率；—阻尼比，或稱衰減系數(shù)。從典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，我們可以知道其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：參數(shù)、與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)、之間的換算關(guān)系如下，且。在零初始條件及階躍輸入作用下，跟隨性能指標(biāo)和Wn，的關(guān)系為上升時(shí)間：超調(diào)量：，調(diào)節(jié)時(shí)間和的關(guān)系復(fù)雜，很難用公司精確表示，通常采用下式近似確定。當(dāng)允許誤差帶為時(shí)：當(dāng)允許誤差帶為時(shí)：相角裕量：典型I型系統(tǒng)在不同K值下的跟隨性能指標(biāo)如表3－1所列。表3-1典型I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0.250.390.500.691.0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2.4峰值時(shí)間3.6相角穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8截止頻率在表3－1中，當(dāng)K＝，時(shí)的情況稱作“二階最佳系統(tǒng)”。這是一種比較好的參數(shù)選擇，可以作為當(dāng)初選參數(shù)的依據(jù)。但不能理解為唯一的最佳參數(shù)選擇。更重要的是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，來確定什么樣的參數(shù)更好。（2）參數(shù)和抗擾性能指標(biāo)的關(guān)系抗擾性能指標(biāo)表示系統(tǒng)在擾動(dòng)作用的適應(yīng)能力，是評價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。動(dòng)態(tài)抗擾性能?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)作用點(diǎn)以及擾動(dòng)作用函數(shù)的形勢有關(guān)。擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3－2a所示3－2擾動(dòng)作用下典型I型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在擾動(dòng)作用下輸出變化量的象函數(shù)為，在階躍擾動(dòng)下，當(dāng)，則，階躍擾動(dòng)后輸出變化量的動(dòng)態(tài)過程函數(shù)，式中——控制對象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù)的比值。取不同的m值，可計(jì)算出相對應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程曲線，從而求得最大動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間，的基值，的基值為T。計(jì)算結(jié)果列于表3－2所示。表3-2典型I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%4.014.721.728.730.4由表3-2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長。典型Ⅱ型系統(tǒng)典型典型II型系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖3－3所示。是一個(gè)三階系統(tǒng)。它是由兩個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。R（R（s）C（s）圖3－3典型II型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型Ⅱ型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為，開環(huán)對數(shù)頻率特性和相頻特性為＝－180°＋arctan（w）－arctan（WcT）畫出的曲線如圖3-4所示。OhOh1/圖3－4典型Ⅱ型系統(tǒng)開環(huán)頻率特性典型的II型系統(tǒng)也是以–20dB/dec的斜率穿越零分貝線。由于分母中s2項(xiàng)對應(yīng)的相頻特性是–180°，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)（s+1），是為了把相頻特性抬到–180°線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足或相角穩(wěn)定裕度3.1.2典型II型系統(tǒng)中，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能取決于K，T和，和典型I型系統(tǒng)一樣，T是固有參數(shù)，所以待定的參數(shù)有兩個(gè)，和。確定后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就可確定了。在有兩個(gè)參數(shù)有待選擇時(shí)，增加了工作的復(fù)雜性，為簡化分析，令。從圖3－4可見，h是斜率為－20dB/dec的中頻段的寬度，稱為“中頻帶寬”這是一個(gè)重要參數(shù)，它決定了控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的好壞。對數(shù)幅頻特性在截止頻率Wc處，其分貝值為0，所以得所以若改變開環(huán)放大系數(shù)K，則對數(shù)幅頻特性曲線上下平移，從而改變了截止頻率Wc。再由于T一定，改變就等于改變了中頻帶寬h，所以確定h、Wc相當(dāng)于確定參數(shù)K、。二者之間也有一定的關(guān)系。所以應(yīng)按閉環(huán)幅頻特性峰值確定參數(shù)的典型II系統(tǒng)。如果頻率符合“最佳頻比”關(guān)系，則對應(yīng)得Mr為作小值。；，對應(yīng)的最小值表3－3所列為選定不同h值所對應(yīng)的頻比關(guān)系及最小值。表3－3同h值所對應(yīng)的頻比關(guān)系及最小值。h34567891021.631.291.251.22W2/W71.711.751.781.801.82Wc/W12.02.53.03.54.04.55.05.5經(jīng)驗(yàn)證明，h可在3～10之間選擇。確定了h和Wc后，便很容易的計(jì)算出和K。由h的定義得出下面分別討論跟隨和抗擾性能指標(biāo)和h參數(shù)的關(guān)系。（1）h參數(shù)與動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可以得出以T為時(shí)間基準(zhǔn)，當(dāng)h取不同值時(shí)，計(jì)算出%、、和振蕩次數(shù)。采用數(shù)字仿真計(jì)算的結(jié)果列于表3－4中。表3-4典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.35Ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111（2）h參數(shù)與抗擾性能指標(biāo)的關(guān)系、，而且，屬典型Ⅱ型系統(tǒng)。在階躍擾動(dòng)下，，按Mmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系，即計(jì)算出h＝3～10不同情況下的最大動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間的數(shù)據(jù)如表3－5所示表3-5典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.0003.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85一般來說，值越小，也越小，和都短，因而抗擾性能越好，但是，當(dāng)時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，再小，恢復(fù)時(shí)間反而拖長了。由此可見，是較好的選擇。按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-5所示。-I-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+ETois+11ASR1Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)E(s)T0is+1T0ns+1圖3－5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi－電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton－轉(zhuǎn)速反饋時(shí)間常數(shù)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1、電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變，即。得到電流環(huán)得近似結(jié)構(gòu)圖(圖3－6a)所示；把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖3-6b）所示。和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為，則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成（圖3－6c）所示。a)Id(s)ACRUi*(s)a)Id(s)ACRUi*(s)Uc(s)Udo(s)Id(Id(s)-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tls+1)＋ACR＋ACR＋-c)圖3－6電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)首先，應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定把電流環(huán)校正成哪以一類系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)上看，希望電流環(huán)做到無靜差；從動(dòng)態(tài)上看，希望啟動(dòng)過程中電流不要超過允許值，即不要有超調(diào)量，或者是超調(diào)量越小越好。從這兩點(diǎn)出發(fā)，則應(yīng)把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。所以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法如下：電流環(huán)的控制對象都是雙慣性環(huán)節(jié)，要校正成典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成，—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3－7a所示，其中3-7b為其開環(huán)對數(shù)幅頻特性。其中++Id(s)-aa）OOci－20dB/decL/dB－40dB/decb)3-7校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算在一般情況下，希望電流超調(diào)量，可選=0.707，，則，得到。4、電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖示于圖3-8所示。圖中表示電流給定電壓，表示電流負(fù)反饋電壓，表示電力電子變換器的控制電壓。圖3－8含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器可以得出電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算公式、、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)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)忽略高次項(xiàng)，可降階近似為,近似條件。cn—轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為。原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-9a)所示，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中，轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖3－9b)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)。ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令開環(huán)增益，，則校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3－9c所示。上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下：UnUn(s)+-ASRU*n(s)Id(s)1Tons+1U*i(s)+-IdL(s)n(s)a）-Id-Id(s)+-IdL(s)ASRn(s)+b）n(s)c)n(s)圖3－9轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和n，按照典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系，、，因此，，一般以選擇。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3－10所示。圖中Un*轉(zhuǎn)速給定電壓，-n表示轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，Ui*表示調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。圖3－10含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為；；。3.3本章小結(jié)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的設(shè)計(jì)與調(diào)試是按先內(nèi)環(huán)（電流閉環(huán)）后外環(huán)（轉(zhuǎn)速閉環(huán)）的順序進(jìn)行的，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)過程中可以認(rèn)為外環(huán)對內(nèi)環(huán)幾乎沒有影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)一個(gè)組成環(huán)節(jié)。動(dòng)態(tài)校正的目的是為了在跟隨性能與抗擾性能方面內(nèi)環(huán)與外環(huán)這兩個(gè)控制系統(tǒng)都能達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。工程設(shè)計(jì)方法是建立在頻率理論基礎(chǔ)上的，對于現(xiàn)代電力拖動(dòng)系統(tǒng)，只需將典型I型系統(tǒng)與典型II型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性作為調(diào)速系統(tǒng)僅有的兩類預(yù)期特性，并預(yù)先將這兩類典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)與系統(tǒng)可設(shè)計(jì)參數(shù)之間的定量關(guān)系列成表格。用查表與簡單計(jì)算，便可進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正設(shè)計(jì)。本章介紹“最佳參數(shù)設(shè)計(jì)方法”。如果系統(tǒng)要求具有更精確的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，可采用“模型系統(tǒng)法”；對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，還可采用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)?！白罴褏?shù)設(shè)計(jì)方法”的步驟是：首先根據(jù)被控對象和要求，確定預(yù)期的典型系統(tǒng)；其次選擇調(diào)節(jié)器的類型，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；并在此基礎(chǔ)上選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，把系統(tǒng)校正成所確定的典型系統(tǒng)，并使參數(shù)符合最佳條件，以保證滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度；最后計(jì)算系統(tǒng)的電路參數(shù)。由于典型I型系統(tǒng)的跟隨性能優(yōu)于典型II型，而典型II型系統(tǒng)的抗擾性能優(yōu)于典型I型，因此電流閉環(huán)的典型化應(yīng)視具體要求而定，一般來說，從快速起動(dòng)系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，因此轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單片機(jī)概述單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用單片機(jī)的歷史發(fā)展概況單片機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，產(chǎn)品種類已琳瑯滿目。縱橫整個(gè)單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過程，可以分為以下三個(gè)主要過程：一、單芯片微機(jī)形成過程1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)早期產(chǎn)品在芯片內(nèi)集成有：8位CPU、1K字節(jié)程序存儲(chǔ)器（ROM）、64字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。此階段的主要特點(diǎn)是：在單個(gè)芯片內(nèi)完成了CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時(shí)鐘等部件的集成，但存儲(chǔ)器的容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。二、性能完善提高階段1980年，Intel公司推出MCS-51系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)在芯片內(nèi)集成有：8位CPU、4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器（ROM）、128位字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、4個(gè)8位并行接口、1個(gè)全雙工串行接口和2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍為64K，并集成有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器完成處理功能。此階段的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種。三、微控制器化階段1982年，Intel公司推出MCS-96系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)在芯片內(nèi)部集成有：16位CPU、K字節(jié)程序存儲(chǔ)器（ROM）、232字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、5個(gè)8位并行接口、1個(gè)全雙工串行接口和2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍最大為64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM（D/A）輸出及高速I/O部件等。近年來，許多半導(dǎo)體廠商以MCS-51系列單片機(jī)的8051為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中的接口技術(shù)、可靠性技術(shù)及先進(jìn)的存儲(chǔ)器技術(shù)和工藝技術(shù)集成到單片機(jī)中，生產(chǎn)出了多種功能強(qiáng)大、使用靈活的新一代80C51系列單片機(jī)。此階段的主要特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)的外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地應(yīng)用于復(fù)雜的自動(dòng)測控系統(tǒng)及設(shè)備。因此，“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。單片機(jī)發(fā)展趨勢縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有：1.低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出時(shí)的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適