《電力拖動自動掌握系統(tǒng)》-其次章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)整器的工程設(shè)計(jì)方法的工程設(shè)計(jì)方法內(nèi)容提要：其掌握規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，是各種交、重點(diǎn)學(xué)習(xí)：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析調(diào)整器的工程設(shè)計(jì)方法按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)整器弱磁掌握的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性問題的提出：第1章中說明，承受轉(zhuǎn)速負(fù)反響和PI調(diào)整器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加要。主要緣由是由于在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控的，但它只能在超過臨界電流值Idcr以后，抱負(fù)地掌握電流的動態(tài)波形。抱負(fù)的啟動過程帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抱負(fù)的快速起動過程2-1直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形性能比較：帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Idm波形如下圖，這時(shí)，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流〔轉(zhuǎn)矩〕受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。解決思路要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過反響應(yīng)當(dāng)能夠得到近似的恒流過程?，F(xiàn)在的問題是，我們期望能實(shí)現(xiàn)掌握：起動過程，只有電流負(fù)反響，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反響。穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反響，沒有電流負(fù)反饋。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種用呢？為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反響分別起作和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反響和電流負(fù)反響。〔或稱串級聯(lián)接如以下圖所示。系統(tǒng)的組成圖2-2直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)整器 器 TG—測速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器變換器UPE。從閉環(huán)構(gòu)造上看，電流環(huán)在里面，就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)電路構(gòu)造兩個(gè)調(diào)整器一般都承受PI們是依據(jù)電力電子變換器的掌握電壓Uc為正電用的。轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR的輸出限幅電壓U*im打算了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)整器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。限幅電路二極管嵌位的外限幅電路穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路電流檢測電路電流檢測回路TA－電流互感器穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必需先輸出特性表示PI調(diào)整器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是把握這樣的PI調(diào)整器的穩(wěn)態(tài)特征。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖限幅作用存在兩種狀況：飽和——輸出到達(dá)限幅值當(dāng)調(diào)整器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量開環(huán)。不飽和——輸出未到達(dá)限幅值1.6節(jié)中所說明的那樣，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。系統(tǒng)靜特性到達(dá)飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖轉(zhuǎn)速調(diào)整器不飽和U*U nn U*U In n 0 i i d式中α，β——轉(zhuǎn)速和電流反響系數(shù)。n由第一個(gè)關(guān)系式可得 nU nn 0(2-1)從而得到上圖靜特性的CA段。靜特性的水平特性：U與此同時(shí)，由于ASR不飽和，Ui

U，im從上述其次個(gè)關(guān)系式可知:

I I 。d dm這就是說，CA段靜特性從抱負(fù)空載狀態(tài)的Id

0始終連續(xù)到

I Id dm

，而I 一般都是大dm于額定電流I 的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它dN是水平的特性。轉(zhuǎn)速調(diào)整器飽和這時(shí)，ASR輸出到達(dá)限幅值

，轉(zhuǎn)速外UUim環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影環(huán)調(diào)整系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)I

d

U imI

dm

〔2-。式中，最大電流I 是由設(shè)計(jì)者選定的取決于電機(jī)的容許dm過載力量和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。靜特性的垂直特性〔2-2〕AB段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于

nn0

為假設(shè)

nn0

，則Un

n

，ASR將退出飽和狀態(tài)。兩個(gè)調(diào)整器的作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于I 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反響起主dm要調(diào)整作用。當(dāng)負(fù)載電流到達(dá)I 后，轉(zhuǎn)速調(diào)整器飽和，電dm差，得到過電流的自動保護(hù)。這就是承受了兩個(gè)PI調(diào)整器分別形成內(nèi)、是為了避開零點(diǎn)飄移而承受“準(zhǔn)PI調(diào)整器”時(shí)，中虛線所示。各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算器都不飽和時(shí)，各變量之間有以下關(guān)系〔2-3〕UUn

nn0

〔2-4〕UUi

Id

IdLU CnI

R CU/I R

〔2-5〕U d0 e c K Ks s

e nK s上述關(guān)系說明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，n n nIASR的輸出量U 是由負(fù)載電流打算的Ii dL掌握電壓U 的大小則同時(shí)取決于n和I 或者說，c dU同時(shí)取決于和I 。Un dL這些關(guān)系反映了PI調(diào)整器不同于P調(diào)整器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)整器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與面需要PI調(diào)整器供給多么大的輸出值，它就能供給多少，直到飽和為止。反響系數(shù)計(jì)算兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：U*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；U*im ASR的輸出限幅值。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析本節(jié)提要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型起動過程分析動態(tài)抗擾性能分析轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)整器的作用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)所示。2.數(shù)學(xué)模型PI調(diào)整器，則有起動過程分析探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n示于以下圖。起動過程由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR經(jīng)受了不飽和、I、II、III三個(gè)階段。第I階段電流上升的階段〔0~t1〕n d d dL突加給定電壓U* 后，I 上升，當(dāng)I 小于負(fù)載電流In d d dL時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。dL當(dāng)Id≥I 后，電機(jī)開頭起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)dL值仍較大，其輸出電壓保持限幅值U* ，強(qiáng)迫電流I 迅im d速上升。第I階段〔續(xù)〕I階段〔續(xù)〕直到，Id=Idm ，Ui=U*im電流調(diào)整器很快就壓制Id了的增長，標(biāo)志著這一階段的完畢。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。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)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。II階段〔續(xù)〕II階段〔續(xù)〕與此同時(shí)，電機(jī)的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)整系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動量，為了抑制它的擾Ud0和UcId恒定。當(dāng)ACR承受PI調(diào)整器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必需維持肯定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。II階段〔續(xù)〕恒流升速階段是起動過程中的主要階段。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)整作用，在起動過程中ACRUPE的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必需留意的?！瞭2以后〕當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR的輸入偏差削減im到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U* 以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。im轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開頭退出飽和i d 狀態(tài)，U* 和I 很快下降。但是，只要I 仍大于負(fù)載電流IdLi d 〔續(xù)〕〔續(xù)〕e 直到Id=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩T=T ，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速ne 〔tt3時(shí)〕?！怖m(xù)〕3 4 d 此后，電動機(jī)開頭在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)〔t~t〕，I<I3 4 d 〔續(xù)〕在這最終的轉(zhuǎn)速調(diào)整階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)整作用，而ACR則力圖使Id盡快地跟隨其給定值U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動子系統(tǒng)。分析結(jié)果綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：飽和非線性掌握轉(zhuǎn)速超調(diào)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)掌握飽和非線性掌握依據(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)：系統(tǒng)。統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR承受了飽和非線性掌握，起動過程完畢進(jìn)入△轉(zhuǎn)速調(diào)整階段后，必需使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓 U 為負(fù)值，才能使ASR退出飽和?！鱪這樣，承受PI調(diào)整器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必定有超調(diào)。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)掌握起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間掌握。因此，整個(gè)起動過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)掌握。最終，應(yīng)當(dāng)指出，對于不行逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)掌握只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時(shí)，只能承受電阻能耗制動或電磁抱閘。動態(tài)抗擾性能分析性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。1.抗負(fù)載擾動抗負(fù)載擾動〔續(xù)〕由動態(tài)構(gòu)造框圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)?？闺娋W(wǎng)電壓擾動〔續(xù)〕比照分析在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)整作用受到多個(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)，電壓波動可以通過電流反響得到比較準(zhǔn)時(shí)的調(diào)整，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反響回來，抗擾性能大有改善。分析結(jié)果因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)整器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)整器和電流調(diào)整器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：轉(zhuǎn)速調(diào)整器的作用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，假設(shè)承受PI調(diào)整器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值打算電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)整器的作用當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消逝，系統(tǒng)馬上自動恢復(fù)正常。這個(gè)作用對系統(tǒng)的牢靠運(yùn)行來說是格外重要的。調(diào)整器的工程設(shè)計(jì)方法問題的提出必要性用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)整器須同時(shí)解決穩(wěn)、需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論根底和豐富的實(shí)踐閱歷，而初學(xué)者則不易把握，于是有必要建立有用的設(shè)計(jì)方法。問題的提出〔續(xù)〕可能性大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動掌握系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。假設(shè)事先深入爭論低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表比照，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。概念清楚、易懂；計(jì)算公式簡明、好記；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；能考慮飽和非線性掌握的狀況，同樣給出簡潔的計(jì)算公式；適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反響掌握系統(tǒng)。工程設(shè)計(jì)方法的根本思路選擇調(diào)整器構(gòu)造,使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。設(shè)計(jì)調(diào)整器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。典型系統(tǒng)一般來說，很多掌握系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為(2-8)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，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)。依據(jù)r=0，1，2，…等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、…系統(tǒng)。上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多項(xiàng)選擇用I型和II型系統(tǒng)。典型I型系統(tǒng)構(gòu)造圖與傳遞函數(shù)開環(huán)對數(shù)頻率特性性能特性典型的I型系統(tǒng)構(gòu)造簡潔，其對數(shù)幅頻特性的中頻段以–20dB/dec的斜率穿越0dB數(shù)滿足典型Ⅱ型系統(tǒng)構(gòu)造圖和傳遞函數(shù)開環(huán)對數(shù)頻率特性性能特性典型的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)滿足掌握系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)自動掌握系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括：跟隨性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線跟隨性能指標(biāo)：在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化狀況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有tr —上升時(shí)間 —超調(diào)量ts —調(diào)整時(shí)間突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著掌握系統(tǒng)抵抗擾動的力量。常用的抗擾性能指標(biāo)有Cmax—?jiǎng)討B(tài)降落tv—

恢復(fù)時(shí)間一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式〔2-9〕所示，它包KT。其中，時(shí)間常T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是掌握對象本身固有的，能夠由調(diào)整器轉(zhuǎn)變的只有開環(huán)增益K，也就是說，K是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要依據(jù)性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。K與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關(guān)系圖2-13繪出了在不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性，箭頭表示K值增大時(shí)特性變化的方向。K與截止頻率c的關(guān)系當(dāng)c<1/T–20dB/dec斜率穿越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知c式〔2-12〕說明，K值越大，截止頻率c也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度=90°–arctgT 越c小，這也說明快速性與穩(wěn)定性之間的沖突。在具體選擇參數(shù)K時(shí)，須在二者之間取折衷。下面將用數(shù)字定量地表示K值與各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。表2-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差由表可見：I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。

K值成反比；因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)?！?〕動態(tài)跟隨性能指標(biāo)I遞函數(shù)的一般形式為K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系二階系統(tǒng)的性質(zhì)<1當(dāng)1=1

時(shí)，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，時(shí)，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單調(diào)特性；時(shí)，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。由于過阻尼特性動態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即

0<<1由于在典I系統(tǒng)中KT<1，代入式〔2-16〕得>0.5。I型系統(tǒng)中應(yīng)取下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系〔 與KT的關(guān)系聽從于式2-16〕標(biāo)。2.典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖2-15a是在擾動F作用下的典型I型系統(tǒng)，其中，1W(s)是擾動作用點(diǎn)前面局部的傳遞函數(shù)，后面局部是12W(s)，于是2R2-15b所示的等效構(gòu)造圖。圖2-15擾動作用下的典型I型系統(tǒng)W1(s)定，隨著擾動點(diǎn)的變化而變化。在此，我們針對常用的調(diào)速系統(tǒng)，分析圖2-16的一種狀況，其他狀況可仿此處理。經(jīng)過一系列計(jì)算可得到表2-3所示的數(shù)據(jù)。分析結(jié)果由表2-3中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)掌握對象的兩個(gè)時(shí)間典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系可選參數(shù)： 在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式(2-10)中，與典型I型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T也是掌握對象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè)：K和，這就增加了選擇參數(shù)工作的簡單性。為了分析便利起見，引入一個(gè)的變量(圖2-16)，令典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性中頻寬h由圖可見，h是斜率為–20dB/dec的中頻段的寬度〔對數(shù)坐標(biāo)〕，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對掌握系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著打算性的作用，因此h值是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。只要依據(jù)動態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h入這兩個(gè)公式計(jì)算K和，并由此計(jì)算調(diào)整器的參數(shù)。表2－5 II型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差由表可知：在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。表2-6典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)〔按Mrmin準(zhǔn)則確定關(guān)系時(shí)〕圖2-17b 典型II型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)構(gòu)造框圖擾動系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在階躍擾動下，由式〔2-43〕可以計(jì)算出對應(yīng)于不同h值的動態(tài)抗擾過程曲線C(t)，從而求出各項(xiàng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)，列于表2-7取輸出量基準(zhǔn)值為表2-7典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系〔掌握構(gòu)造和階躍擾動作用點(diǎn)如圖2-18，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則〕由表2-7中的數(shù)據(jù)可見，一般來說，h值越小，Cmax/Cb也越小，tm和tv 都短，因而抗擾性能越好，這個(gè)趨勢與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與h值的關(guān)系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的沖突。h<5h再小，恢復(fù)時(shí)間tv反而拖長了。分析結(jié)果由此可見，h=5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)整時(shí)間最短的條件是全都的〔見表2-6〕。因此，把典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項(xiàng)性能指標(biāo)綜合起來看，h5應(yīng)當(dāng)是一個(gè)很好的選擇。兩種系統(tǒng)比較比較分析的結(jié)果可以看出，典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)分以外，在動態(tài)性能中，I稍差，典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。調(diào)整器構(gòu)造的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理——非典型系統(tǒng)的典型化調(diào)整器構(gòu)造的選擇根本思路: 將掌握對象校正成為典型系統(tǒng)。選擇規(guī)律幾種校正成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的掌握對象2-8和表2-9出了參數(shù)協(xié)作關(guān)系。有時(shí)僅靠P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)整器都不能滿足要求，就不得不作一些近似處理，或者承受更簡單的掌握規(guī)律。表2-8校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)整器選擇傳遞函數(shù)近似處理高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理實(shí)際系統(tǒng)中往往有假設(shè)干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時(shí)間常數(shù)所對應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。例如，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在肯定的條件下，可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和。高階系統(tǒng)的降階近似處理上述小慣性群的近似處理實(shí)際上是高階系統(tǒng)降階處理的一種特例，它把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié)。以三階系統(tǒng)為例，設(shè)其中，a，b，c都是正系數(shù)，且bc a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。降階處理假設(shè)能無視高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為近似條件低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理表2-9的慣性環(huán)節(jié)時(shí)，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié)，即近似條件對頻率特性的影響按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)整器本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)整器。主要內(nèi)容為系統(tǒng)設(shè)計(jì)對象系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)對象雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)構(gòu)造圖繪于圖2-22，它與前述的圖2-6波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中oiT—電流反響濾波時(shí)間常數(shù)oionT—轉(zhuǎn)速反響濾波時(shí)間常數(shù)on系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”從內(nèi)環(huán)開頭，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)整器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)整系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)整器。設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：電流環(huán)構(gòu)造圖的簡化電流調(diào)整器構(gòu)造的選擇電流調(diào)整器的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)整器的實(shí)現(xiàn)電流環(huán)構(gòu)造圖的簡化簡化內(nèi)容無視反電動勢的動態(tài)影響等效成單位負(fù)反響系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理無視反電動勢的動態(tài)影響在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E≈0等效成單位負(fù)反響系統(tǒng)i假設(shè)把給定濾波和反響濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號改成U*(s/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反響系統(tǒng)〔圖2-23b〕。i小慣性環(huán)節(jié)近似處理s 0i 最終，由于TT一般都比Ts 0i Ti=T+T∑ s oi電流環(huán)構(gòu)造圖最終簡化成圖2-23c。電流調(diào)整器構(gòu)造的選擇典型系統(tǒng)的選擇由圖2-23c可以看出，承受I型系統(tǒng)就夠了。應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流調(diào)整器選擇I型系統(tǒng)，明顯應(yīng)承受PI型的電流調(diào)整器，其傳遞函數(shù)可以寫成為了讓調(diào)整器零點(diǎn)與掌握對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)構(gòu)造圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中電流調(diào)整器的參數(shù)計(jì)算〔2-57〕Ki和i，其中i〔2-58〕，剩下的只有比例系數(shù)Ki依據(jù)所需要的動態(tài)性能指標(biāo)選取。參數(shù)選擇在一般狀況下，期望電流超調(diào)量i ≤5%，由表2-2，可選=0.707，KITi=0.5，則留意

假照實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式〔2-60〕和式〔2-61〕固然應(yīng)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。此外，假設(shè)對電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗擾性能指標(biāo)是否滿足。電流調(diào)整器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)整器電路電流調(diào)整器電路參數(shù)的計(jì)算公式設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)整器構(gòu)造的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)整器參數(shù)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)整器的實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)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)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-24a可知傳遞函數(shù)化簡無視高次項(xiàng)，上式可降階近似為電流環(huán)等效傳遞函數(shù)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U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為物理意義這就說明，電流的閉環(huán)掌握改造了掌握對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)〔內(nèi)環(huán)〕掌握的一個(gè)重要功能。轉(zhuǎn)速調(diào)整器構(gòu)造的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)構(gòu)造用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-22速掌握系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)造圖便如圖2-26a所示。系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理和電流環(huán)中一樣把轉(zhuǎn)速給定濾波和反響濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)同時(shí)將給定信號改成U*n(s)/ 再把時(shí)間常數(shù)為1/KITon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)構(gòu)造簡化轉(zhuǎn)速調(diào)整器選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前面必需有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)當(dāng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR中〔見2-26b〕，現(xiàn)在在擾動作用點(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)，所以態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)當(dāng)承受PI調(diào)整器，其傳遞函數(shù)為調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為校正后的系統(tǒng)構(gòu)造轉(zhuǎn)速調(diào)整器的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)整器的參數(shù)包括Kn和n。依據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(2-38)參數(shù)選擇h定。無特別要求時(shí)，一般可選擇轉(zhuǎn)速調(diào)整器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)整器電路轉(zhuǎn)速調(diào)整器參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)掌握系統(tǒng)的特點(diǎn)。這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)掌握環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作格外有利。設(shè)計(jì)舉例請見教材例題2-1和例題2-2。*2.6 弱磁掌握的直流調(diào)速系統(tǒng)本節(jié)提要調(diào)壓與弱磁的協(xié)作掌握非獨(dú)立掌握勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)弱磁過程的直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型和弱磁掌握系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)整器的設(shè)計(jì)*2.6.1 調(diào)壓與弱磁的協(xié)作掌握概述在他勵(lì)直流電動機(jī)的調(diào)速方法中，前面爭論的調(diào)電壓方法是從基速〔即額定轉(zhuǎn)速nN〕向下調(diào)速。假設(shè)需要從基速向上調(diào)速，則要承受弱磁調(diào)速的方法，通過降低勵(lì)磁電流，以減弱磁通來提高轉(zhuǎn)速。兩種調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式Ne 依據(jù)電力拖動原理，在不同轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行時(shí)，為了充分利用電機(jī)都應(yīng)使電樞電流到達(dá)其額定值I于是，由于電磁轉(zhuǎn)矩T=K I，在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，由于勵(lì)磁磁通不變?nèi)菰S的轉(zhuǎn)矩也不變Ne ?±。恒功率調(diào)速方式而在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許的轉(zhuǎn)矩不得不削減，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，是為?°恒功率調(diào)速方式?±。由此可見，所謂“恒轉(zhuǎn)矩”和“恒功率”調(diào)速方式，是指在不同運(yùn)行條件下，當(dāng)電樞電流到達(dá)其額定值IN時(shí)，所容許的轉(zhuǎn)矩或功率不變，是電機(jī)能長期承受的限度。實(shí)恒轉(zhuǎn)矩類型的負(fù)載適合于承受恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而恒功率類型的負(fù)載更適合于恒功率的調(diào)速方式。但是，直流電機(jī)允許的弱磁調(diào)速范圍有限，一般電機(jī)不超過1:2，專用的?°調(diào)速電機(jī)?±也不過是1:31:4。調(diào)壓和弱磁協(xié)作掌握當(dāng)負(fù)載要求的調(diào)速范圍更大時(shí)，就不得不承受調(diào)壓和弱磁協(xié)作掌握的方法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調(diào)整電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速，這樣的協(xié)作掌握特性示于以下圖。從圖中可知：調(diào)壓與弱磁協(xié)作掌握只能在基速以上滿足恒功率調(diào)速的要求，在基速以下，輸出功率不得不有所降低。*2.6.2 非獨(dú)立掌握勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：在基速以下調(diào)壓調(diào)速時(shí)，保持磁通為額定值不變；在基速以上弱磁升速時(shí)，保持電壓為額定值不變；弱磁升速時(shí)，由于轉(zhuǎn)速上升，使轉(zhuǎn)速反響電壓也隨著上升UUn n升。獨(dú)立掌握勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)部件說明圖中2RP —給定電位器2AFR—?jiǎng)?lì)磁電流調(diào)整器VFC—?jiǎng)?lì)磁電流可控整流裝置工作原理RP2不變保持磁通為額定值，用RP1調(diào)整轉(zhuǎn)速，此時(shí)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)起掌握作用。在基速以上弱磁升速時(shí)，通過RP2削減勵(lì)磁電流給定電壓，從而削減勵(lì)磁磁通，以提高轉(zhuǎn)速；為保持電樞電壓為額定值不變，同時(shí)需要調(diào)整RP1，以提高電壓。1 由于需要分別調(diào)整RP和RP 立掌握勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。1 非獨(dú)立掌握勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的根底上進(jìn)展弱磁掌握，調(diào)壓與調(diào)磁的給定裝置不應(yīng)當(dāng)完全獨(dú)立，而是要相互關(guān)聯(lián)的。從上在基速以上，應(yīng)當(dāng)在額定電壓下調(diào)整勵(lì)磁，因此存在恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)壓調(diào)速和恒功率的弱磁調(diào)速兩個(gè)不同的區(qū)段。實(shí)際運(yùn)行中，需要選擇一種適宜的掌握方法，可以在這兩個(gè)區(qū)段中交替工作，也應(yīng)當(dāng)能從一個(gè)區(qū)段平滑地過渡到另一個(gè)區(qū)段中去，以下圖便是一種已在實(shí)踐中證明很方便有效的掌握系統(tǒng)，稱作非獨(dú)立掌握勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)組成系統(tǒng)部件說明圖中TVD—電壓隔離器AE —電動勢運(yùn)算器AER—電動勢調(diào)整器工作原理掌握的根本思想依據(jù)E=Ke n原理，假設(shè)能保持電動勢E不變，則削減電動機(jī)的勵(lì)磁磁通，可以到達(dá)提高轉(zhuǎn)速的目的。AER，利用電動勢反響，使勵(lì)