雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)指標(biāo)及性能分析綜述1.1調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)要想穩(wěn)定運(yùn)行，必須滿足合適的性能指標(biāo)。而對(duì)于本設(shè)計(jì)的直流調(diào)速系統(tǒng)而言，其需要滿足的性能指標(biāo)主要有兩項(xiàng)：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)與動(dòng)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)合理的直流調(diào)速系統(tǒng)，要能夠?qū)崿F(xiàn)以下要求：在要求的調(diào)速范圍內(nèi)，能夠平滑的實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；在外界出現(xiàn)干擾時(shí)，能夠有足夠的抗干擾能力；在電機(jī)增減速時(shí)能有很快的跟隨性。1.1.1穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 在直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程中需要滿足的一系列性能指標(biāo)稱為電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)主要是為了反映一臺(tái)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作狀況下的動(dòng)力學(xué)特性,其主要內(nèi)容包括電機(jī)在工作中的調(diào)速幅值與靜差比率。 （1）調(diào)速范圍 當(dāng)一臺(tái)電機(jī)在額定的負(fù)載下運(yùn)行時(shí),其最高轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTENmaxNmax和最低轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTENminNmin的絕對(duì)值之比就是該直流電機(jī)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍，用符號(hào)表示為D，其表達(dá)式如下：D（3-1） 一般情況下，QUOTENmaxNmax設(shè)定為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)式（3-1）可以得出，當(dāng)D的值越大時(shí)，電機(jī)的調(diào)速范圍也越大。 （2）靜差率 靜差率是指電機(jī)運(yùn)行在一定轉(zhuǎn)速下的時(shí)候，其負(fù)載由理想空載條件突加到額定值時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落QUOTE?N?N與理想空載轉(zhuǎn)速N0的絕對(duì)比值。靜差率可以用符號(hào)S來(lái)表示，其表達(dá)式如式（3-2）所示。S（3-2） 靜差率主要是指用于表征一個(gè)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)因負(fù)載轉(zhuǎn)矩改變而導(dǎo)致引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變的穩(wěn)定性程度,靜差率與一個(gè)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)械性質(zhì)密切相關(guān),一個(gè)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)械性質(zhì)越硬時(shí),載轉(zhuǎn)矩改變而導(dǎo)致引起的一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變?cè)叫?即靜差率越小,電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性就會(huì)更高。但靜差率的大小并不等同于電機(jī)的機(jī)械特性的好壞。在一個(gè)變電樞電阻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,改變電機(jī)轉(zhuǎn)速得到的機(jī)械特性曲線是一簇平行線。因此,對(duì)比同樣的在高硬度空載條件下動(dòng)力系統(tǒng)的整體機(jī)械性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定特性,理想的高速空載動(dòng)力系統(tǒng)在較高轉(zhuǎn)速較低時(shí),靜差率可能越高,系統(tǒng)的較高轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性也可能會(huì)隨之變差。所以,在進(jìn)行分析時(shí),因當(dāng)讓電機(jī)運(yùn)行在空載狀態(tài)下時(shí),計(jì)算的靜差率才是最為準(zhǔn)確的。 在設(shè)計(jì)電機(jī)靜態(tài)指標(biāo)的過(guò)程中，為了直觀的表示出電機(jī)的機(jī)械特性是否能夠滿足設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)需求，有如下表達(dá)式（3-3）：D（3-3）分析表達(dá)式（3-3）可以得出，在同一轉(zhuǎn)速條件下，靜差率的大小與電機(jī)的調(diào)速范圍具有相關(guān)性，要想減小靜差率，必不可少的要減小電機(jī)的調(diào)速范圍。如果不考慮對(duì)靜差率的要求，那么任何系統(tǒng)都可以輕而易舉的得到極高的調(diào)速范圍；反之亦然。因此，轉(zhuǎn)速降落、靜差率和調(diào)速范圍是相互制衡的關(guān)系，不能看做單獨(dú)的個(gè)體而分開(kāi)討論。1.1.2動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)得到設(shè)計(jì)過(guò)程中除了需要考慮靜態(tài)指標(biāo)，另一個(gè)十分關(guān)鍵的性能指標(biāo)就是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。在電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，電機(jī)必不可少的會(huì)受到電磁力與機(jī)械慣性的影響，因此，在電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，必須要考慮到電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。要設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)秀的控制系統(tǒng)，必須要讓系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速的追蹤到輸出轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值，并能夠根據(jù)這一差值快速做出反應(yīng)，同時(shí)，在外界有擾動(dòng)輸入時(shí)，能夠快速做出調(diào)整?？偠灾?要想正確地設(shè)計(jì)好直流調(diào)速控制系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),最重要的一點(diǎn)就是必須要讓它們同時(shí)滿足追蹤性能指標(biāo)與抵抗干擾性能指標(biāo)兩個(gè)特殊需求。 （1）跟隨性能指標(biāo) 直流自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各個(gè)主要?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)特性測(cè)量指標(biāo)中,最重要的一個(gè)便是它們所要追蹤的系統(tǒng)性能。要真正想準(zhǔn)確地組合計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的階躍跟隨響應(yīng)性能指標(biāo),就必須要求整個(gè)系統(tǒng)在零初始的調(diào)量條件下,給系統(tǒng)一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)單位值和階躍跟隨響應(yīng),在這一階躍步驟計(jì)算過(guò)程中,單位值的階躍跟隨響應(yīng)的頻率提高與降低上升時(shí)間QUOTEtrtr,調(diào)節(jié)的調(diào)量時(shí)間QUOTEtsts和系統(tǒng)超時(shí)的調(diào)量時(shí)間QUOTEσ％σ％即可組合成為該階段系統(tǒng)的一個(gè)跟隨響應(yīng)性能指標(biāo)。其中,上升時(shí)間帶的長(zhǎng)短一般是否意指一個(gè)響應(yīng)速度曲線自始至止到終止的上升時(shí)間,即響應(yīng)首次調(diào)節(jié)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)值;一次調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間帶的范圍多長(zhǎng)是否意指從一個(gè)點(diǎn)為單位的響應(yīng)階躍值從響應(yīng)系統(tǒng)輸出值開(kāi)始進(jìn)入響應(yīng)系統(tǒng)中的起點(diǎn)后直到整個(gè)響應(yīng)系統(tǒng)終點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程完成后才開(kāi)始能夠繼續(xù)維持穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸出偏差值附近的兩個(gè)允許響應(yīng)誤差帶內(nèi)所必須滿足要求的的一次調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間,穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸出偏差值附近的兩個(gè)允許響應(yīng)誤差時(shí)間帶一般可以分別取決于兩個(gè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸出偏差值的±2%或或者±5%;最大超出可調(diào)量,又稱最大響應(yīng)偏差量或測(cè)得速度量,它可以是一種廣義泛指一個(gè)響應(yīng)速度曲線中兩個(gè)超出了達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的最大響應(yīng)偏差和達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之間的誤差百分比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（3-3）。在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)的跟隨性能受上升時(shí)間與調(diào)節(jié)時(shí)間影響；穩(wěn)定性能受超調(diào)量影響。下圖3-1是系統(tǒng)在單位階躍響應(yīng)下的特性曲線：圖3-1典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo) 上圖中，超調(diào)量QUOTEσ％σ％的值受響應(yīng)曲線到達(dá)的最大峰值QUOTECmaxCmax與穩(wěn)態(tài)值QUOTEC∞C∞的偏差影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式（3-4）為：σ（3-4） 然而，在實(shí)際系統(tǒng)中我們卻發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性是一種相互制衡的關(guān)系。在提高穩(wěn)定性的同時(shí)，往往減小了系統(tǒng)的快速性；同樣，在增加系統(tǒng)快速性時(shí)，就導(dǎo)致了系統(tǒng)穩(wěn)定性的減少。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)實(shí)際需求，綜合考慮各種因素來(lái)確定合適的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間。（2）抗干擾性指標(biāo)在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，往往都會(huì)直接受到各種外界干擾因素的影響，此時(shí)，系統(tǒng)的輸出量也會(huì)因此改變，而系統(tǒng)抗干擾性的好壞就是系統(tǒng)在受到外界擾動(dòng)后的承受能力與恢復(fù)能力的好壞。在外界擾動(dòng)的作用下，系統(tǒng)輸出響應(yīng)的最大動(dòng)態(tài)降落QUOTE?Cmax％?Cmax％和系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)后恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值所花費(fèi)的時(shí)間QUOTEtvtv就是系統(tǒng)抗干擾性的主要指標(biāo)。下圖3-2是系統(tǒng)在突加外界擾動(dòng)的情況下響應(yīng)曲線的變化：圖3-2突加干擾后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的響應(yīng)曲線系統(tǒng)輸出響應(yīng)的最大動(dòng)態(tài)降落百分?jǐn)?shù)QUOTE?Cmax％?Cmax％?C（3-5）由上圖（3-2）分析得知：一個(gè)系統(tǒng)在工作中受到較大外界的擾動(dòng)時(shí),系統(tǒng)輸出量變化較小,系統(tǒng)就可以盡快地在更短的時(shí)間內(nèi)重新恢復(fù)其穩(wěn)態(tài)值,即該系統(tǒng)應(yīng)具備較高的抵御外界干擾性。1.1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 若我們想要完全實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不存在靜差,只需要將轉(zhuǎn)速負(fù)反饋加入到控制系統(tǒng)中,然后使用PI調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行PID調(diào)節(jié),以此來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的一個(gè)閉環(huán)式直流調(diào)速控制系統(tǒng)。但是,單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠完全實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整無(wú)靜差,卻無(wú)法適應(yīng)更高系統(tǒng)要求的調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)比更高品質(zhì)的調(diào)速系統(tǒng)，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)只用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合了多種信號(hào)，而受到這些信號(hào)相互之間的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)速需求無(wú)法達(dá)到較好的需求。并且單閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于外界擾動(dòng)的抵抗干擾能力也相對(duì)較差,系統(tǒng)只有當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生了偏差時(shí)才能對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié),故轉(zhuǎn)速下降較大。所以,單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就存在著明顯的不足之處。 若是在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中添加了一個(gè)電流阻斷和截止的負(fù)反饋?zhàn)饔脕?lái)控制系統(tǒng)電流,當(dāng)其中一個(gè)電流大小超過(guò)了臨界值QUOTEIdcIdc后,通過(guò)對(duì)電流的正負(fù)反饋功能作用,則可以將最大電流極限地控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。如圖1.3所示,電機(jī)中心樞電流大小超過(guò)穩(wěn)態(tài)電流值QUOTEIdcIdc后任然會(huì)升高一些,但是在電流負(fù)反饋的作用下,電流經(jīng)過(guò)最大值后,很快就會(huì)逐漸降低,直至與穩(wěn)態(tài)電流值相近,與此同時(shí)，電流的減少也會(huì)直接導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩降低,這樣電動(dòng)機(jī)的工作和啟動(dòng)速度也必然會(huì)因此受到較大的影響。圖1.3帶電流負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)曲線為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行快速性,讓整個(gè)系統(tǒng)采用盡量多一點(diǎn)更高的加速度進(jìn)行啟動(dòng),這就要求我們必須盡量充分利用發(fā)電機(jī)所要求的最高過(guò)載功率,在進(jìn)行起動(dòng)時(shí)要讓電流始終保持在最高允許的電流數(shù)值之內(nèi)。在上述情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈直線方向上升,等到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)電流大小，使其穩(wěn)定在某一狀態(tài)下，這時(shí)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種理想快速起動(dòng)曲線如圖1.4所示。圖1.4理想的快速起動(dòng)過(guò)程其實(shí),由于電機(jī)主電路中電感的作用,其電樞端的電流是不可能發(fā)生突然變化的,而電機(jī)實(shí)際的起動(dòng)過(guò)程的曲線也只能是近似的等于圖1.3中所示的曲線,并不可能完全與圖1.4的曲線相同。為了能夠獲得一個(gè)近似于理想的恒流起動(dòng)過(guò)程,主要是讓發(fā)電機(jī)上的一個(gè)電樞電流分別得到一個(gè)保持在最大限度值的恒流起動(dòng)過(guò)程。由反饋式控制的原理分析可知,給系統(tǒng)加入電流負(fù)反饋就可以對(duì)電機(jī)的電樞電流進(jìn)行不斷地調(diào)節(jié),這樣就可以在電機(jī)起動(dòng)的過(guò)程中讓電流保持在最大值,從而就可以縮短電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間,提高電機(jī)的效率。那么當(dāng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定給定轉(zhuǎn)速的時(shí)候,如何讓電機(jī)的電流在恒定的條件下僅僅對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)呢?顯然一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)器已經(jīng)根本無(wú)法完全能夠滿足該控制系統(tǒng)的性能要求了,此時(shí)需要采取的最佳技術(shù)解決辦法之一是那就是把主要被控制調(diào)量的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和其他需要輔助被控制調(diào)量的驅(qū)動(dòng)電流密度分離并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制,用兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)器分別對(duì)它的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電流密度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),構(gòu)成一個(gè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)。其原理如圖1.5所示。圖1.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在雙閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)中,要同時(shí)有效地對(duì)最高轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電流過(guò)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,在完全能夠充分利用動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)載控制功率和轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)控制能力的前提情況下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高轉(zhuǎn)速自動(dòng)無(wú)靜差的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及驅(qū)動(dòng)使調(diào)速系統(tǒng)能夠得到最佳的轉(zhuǎn)速過(guò)渡。這就必須處理好轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋的信號(hào),最好的辦法就是將兩者分開(kāi),分別加入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行控制。 如圖1.5所示，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與電流調(diào)節(jié)器ACR進(jìn)行串級(jí)聯(lián)接，并將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)與電流反饋之間的差值作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入信號(hào)，再通過(guò)電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出信號(hào)控制脈沖寬度調(diào)制器。這樣從這種閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋驅(qū)動(dòng)方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度分析來(lái)看,轉(zhuǎn)速反饋環(huán)在外面被同時(shí)稱為轉(zhuǎn)速外環(huán),電流反饋環(huán)則在里面被同時(shí)稱為電流內(nèi)環(huán)。一般的正常情況下兩個(gè)調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)為PI調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器,從而可以提高系統(tǒng)的各方面性能，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析1.2.1靜態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流穩(wěn)態(tài)調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)的直流穩(wěn)態(tài)傳動(dòng)結(jié)構(gòu),如本框圖1.6所示。其中,轉(zhuǎn)速電壓調(diào)節(jié)器和電流輸出的放大電流電壓調(diào)節(jié)器都已經(jīng)無(wú)法直接使用放大系數(shù)具體來(lái)進(jìn)行表示,這里用帶限幅的特性曲線表示,是α轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),是β電流反饋系數(shù)。圖1.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 調(diào)節(jié)器在達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),其輸出的電信號(hào)值就成為一個(gè)恒定的電信號(hào)值,它將不再需要受到系統(tǒng)的輸入的影響,除非此時(shí)可以通過(guò)施加逆反饋值輸入來(lái)促進(jìn)調(diào)節(jié)器從飽和狀態(tài)中退出,此時(shí)無(wú)論什么反饋值輸入到系統(tǒng)中都不會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生任何的影響,也就是說(shuō),這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)變成了一個(gè)開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng);當(dāng)調(diào)整器正常工作于未飽和的狀態(tài)下,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電流、轉(zhuǎn)速的反饋量通過(guò)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器對(duì)穩(wěn)態(tài)輸入的電壓差QUOTE?U?U進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，讓這個(gè)電壓差QUOTE?U?U始終為零。事實(shí)上,系統(tǒng)在正常工作運(yùn)行的這個(gè)時(shí)候由于電動(dòng)機(jī)存在各種干擾和影響,每當(dāng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)存在細(xì)微改變時(shí)候,它們的電流就可能發(fā)生變化,那么這個(gè)電流自動(dòng)調(diào)節(jié)器也就無(wú)法保持在飽和狀態(tài)。所以我們來(lái)分析一個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性,就是要分析一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的狀態(tài),即可以看出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在飽和或者不飽和兩種。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器未工作在飽和狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定工作，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，他們的輸入偏差電壓QUOTE?U?U都為零。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在以下關(guān)系式：U（3-6）n=（3-7）電流調(diào)節(jié)器關(guān)系是：U（3-8）I（3-9） 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整器正常工作于飽和的狀態(tài)時(shí),其輸出的值可以達(dá)到最高值QUOTEU*imU*imI（3-10）其中，最大電流QUOTEIdmIdm是人為設(shè)定量，取決于電動(dòng)機(jī)所允許的最大過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線如圖3-7所示，圖中CA段直線表示系統(tǒng)工作在未飽和狀態(tài)下的曲線，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和可知QUOTEUi≤UimUi≤Uim，故由式（3-8）可知QUOTEId≤IdmId≤Idm，顯然說(shuō)明CA段電流由0一直增大到限幅值QUOTEIdmIdm，在實(shí)際情況下QUOTEIdm≥INIdm≥IN，正是靜特性的運(yùn)行段。AB端之間表示的是系統(tǒng)工作在飽和狀態(tài)下的靜特性曲線，這種下垂的曲線只適用于QUOTEn≤n0n≤n0的情況。若QUOTE圖1.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 當(dāng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載電流小于電流的限流額定值的情況下，此時(shí)系統(tǒng)主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR起作用，這種情況下調(diào)速系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)速無(wú)靜差的效果；而當(dāng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載電流與電流的限流值相近時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)主要表現(xiàn)為電流調(diào)節(jié)器ACR起作用，這種情況下調(diào)速系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)出電流無(wú)靜差的效果，調(diào)速系統(tǒng)可以因此受到過(guò)流保護(hù)的作用。以上的效果就是將兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行串級(jí)聯(lián)接后調(diào)速系統(tǒng)得到的效果。換句話說(shuō)，也就是無(wú)論從任何情況上來(lái)說(shuō)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性都遠(yuǎn)不如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。不過(guò)，由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益不可能做到無(wú)窮大，因此，調(diào)節(jié)過(guò)程必然會(huì)存在誤差，也就是系統(tǒng)會(huì)存在一個(gè)微小的靜差值，表現(xiàn)為上圖1.7中的虛線部分。1.1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)及其參數(shù)的計(jì)算 若將調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)為PI調(diào)節(jié)器，那么系統(tǒng)就能輕而易舉的做到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差。此時(shí)，若兩個(gè)調(diào)節(jié)器都工作與不飽和狀態(tài)下，并且調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定情況下，則可以得到以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：U（3-11）U（3-12）U（3-13）由以上表達(dá)式可知，一個(gè)運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)下的調(diào)速系統(tǒng)，要想該表其轉(zhuǎn)速，就要通過(guò)改變其給定電壓QUOTEUnUn，其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR則是由直流電機(jī)工作的負(fù)載電流大小QUOTEILIL所控制的，并且，直流調(diào)速系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速大小直接決定了其控制的電壓值。由此可知兩個(gè)調(diào)節(jié)器的不同：調(diào)節(jié)器的輸入量與信號(hào)的輸入量之間有著一個(gè)正比率的關(guān)系;而pi調(diào)節(jié)器的一個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出量則與整個(gè)輸入完全沒(méi)有任何關(guān)系,而是根據(jù)在它后面各個(gè)環(huán)節(jié)中的實(shí)際情況來(lái)確定。由此可以看到,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算公式截然不一。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)工作到一個(gè)穩(wěn)態(tài)狀況時(shí),雖然兩個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的兩個(gè)輸入偏差電壓均為零,但是因?yàn)榉e分的功能均會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)調(diào)節(jié)器具有一定電壓容量進(jìn)行輸出。由以上結(jié)論可以得出兩個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)器的反饋系數(shù)表達(dá)式為： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α=（3-14） 電流反饋系數(shù)：β=（3-15）其中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的給定輸入量的極限值是由運(yùn)算放大器所能夠允許的最高輸入電壓來(lái)確定的。1.2.3動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.8所示：圖1.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中,系統(tǒng)的在單位階躍響應(yīng)曲線下的跟隨性能指標(biāo)與在外界擾動(dòng)作用下的抗干擾性能指標(biāo)直接決定了該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由此可以看出,若是將這兩個(gè)指標(biāo)當(dāng)做整體來(lái)設(shè)計(jì),就更加能夠突顯出一個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的好壞程度。從上述的分析結(jié)果我們不難看出,在調(diào)速系統(tǒng)的雙色機(jī)過(guò)程中，兩個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)器的作用主要表現(xiàn)在調(diào)速系統(tǒng)的平滑啟動(dòng)上,因此,在突加電壓的條件下讓電機(jī)能夠平滑的啟動(dòng)就是重中之重。如圖1.9所示雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是指在突加到給定的電壓,由靜止啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間的變化曲線。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)主要通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR對(duì)整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整作用,主要的過(guò)程大致可以劃分為不飽和、飽和與退飽和這三個(gè)不同的階段進(jìn)行啟動(dòng),圖中分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)過(guò)程。圖1.9起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流波形1.2.4動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 通常情況下，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞主要取決于這個(gè)系統(tǒng)的抗擾能力，而調(diào)速系統(tǒng)的干擾通常來(lái)自于負(fù)載和電網(wǎng)的干擾，因此系統(tǒng)的抗干擾能力主要取決于抗負(fù)載干擾和抗電網(wǎng)干擾。 （1）抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.10所示，從圖中可以看出負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)是加在電流環(huán)之外，轉(zhuǎn)速壞之內(nèi)的，因此對(duì)于這種擾動(dòng)的處理只能夠通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)進(jìn)行制。因此，在突加或減負(fù)載的時(shí)候，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)的速降或者升。圖1.10直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 為了避免這個(gè)影響，就要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器具有優(yōu)良的抗擾性能。 2）電路抗電網(wǎng)中的電壓擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能結(jié)構(gòu)框圖如下表1.11所示,擾動(dòng)量相互增加于電流閉環(huán)內(nèi),結(jié)合系統(tǒng)靜特征來(lái)說(shuō),單閉環(huán)與雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)抗擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能基本上是一致的。而且從結(jié)合該系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)特征和性能上分析出來(lái),兩個(gè)系統(tǒng)之間卻還是存在著相當(dāng)多的區(qū)別。單閉環(huán)所以受到的電網(wǎng)中電壓繞動(dòng)主要是由于作用地點(diǎn)距離被調(diào)量較遠(yuǎn)的電網(wǎng)中電壓波動(dòng)所引起的一種擾動(dòng)效應(yīng),這個(gè)干擾首先通過(guò)電磁慣性的滯后方式才能夠?qū)﹄姍C(jī)中心的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響,其次通過(guò)機(jī)電慣性的滯后方式才能讓電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生有所改變,要等到對(duì)轉(zhuǎn)速的反饋方式產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整作用時(shí)候,電機(jī)就已經(jīng)開(kāi)始受到干擾,此時(shí)調(diào)節(jié)已經(jīng)無(wú)意義了。而且是當(dāng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在工作中受到外力干擾的情況下,由于對(duì)電網(wǎng)中大部分電壓的干擾,所以在一個(gè)電流環(huán)中,因此它的影響會(huì)直接被電流環(huán)所抑制。由此可以看出,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在對(duì)抗電網(wǎng)和高頻電壓干擾方面的性能要比傳統(tǒng)的單閉環(huán)調(diào)戲系統(tǒng)更高。圖1.11雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓干擾動(dòng)態(tài)框圖 本設(shè)計(jì)中以AT89S52單片機(jī)為控制核心控制器件的雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)AT89S52單片機(jī)并配合其他輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的采集與計(jì)算，以此來(lái)完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制?；贏T89S52單片機(jī)的數(shù)字式雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖1.12所示,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了串級(jí)聯(lián)接的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，兩個(gè)閉環(huán)分別由轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR的輸出電信號(hào)作為電流調(diào)節(jié)ACR的輸入電信號(hào)，以此構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)，最后以PWM脈沖信號(hào)的形式控制整個(gè)系統(tǒng)的輸出?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性與快速性，故將兩個(gè)調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)成PI調(diào)節(jié)器，并設(shè)定了它們的輸出幅值大小。圖1.12數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)控制框圖 系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)有給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作,PWM輸出一個(gè)給定值,電機(jī)的電樞端電流開(kāi)始逐漸增加,直至其轉(zhuǎn)矩大于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩后,電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，由于電機(jī)存在阻尼作用,因此電機(jī)的加速度不會(huì)馬上達(dá)到最大,此時(shí)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用下,隨著電樞兩端電壓的增加,電樞電流會(huì)立即增大。當(dāng)控制電壓和控制電流都已經(jīng)到達(dá)了最大極限的幅值時(shí),速度調(diào)節(jié)器就會(huì)停止正常工作,電流控制調(diào)節(jié)器就會(huì)開(kāi)始對(duì)最大控制電流的頻率進(jìn)行調(diào)整,以保證控制系統(tǒng)能夠在一個(gè)恒定的加速度下繼續(xù)進(jìn)行加速,直到控制的速度能夠達(dá)到一個(gè)給定的轉(zhuǎn)速,由于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高,調(diào)整系統(tǒng)并沒(méi)有馬上啟動(dòng)控制系統(tǒng),因此仍然可能會(huì)讓控制電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行一次加速,使控制電動(dòng)機(jī)發(fā)生過(guò)度超轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài),使電流調(diào)節(jié)器啟動(dòng)時(shí)開(kāi)始降低電動(dòng)機(jī)中樞的電流和電壓,當(dāng)電動(dòng)機(jī)中樞的電流低于或等于負(fù)載的電流時(shí),電機(jī)停止加速,進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),電機(jī)開(kāi)始按照給定轉(zhuǎn)速正常工作。1.1.2數(shù)字PI控制算法原理 數(shù)字PI控制算法是屬于數(shù)字PID去掉其中的微分D的一種算法。其中控制P信號(hào)是一種頻率比例控制,這樣也是一種最簡(jiǎn)單的頻率控制計(jì)算方式,其中所有輸入控制器的信號(hào)輸出和所有信號(hào)輸入的輸出誤差控制信號(hào)之間也就形成了一定的頻率比例控制關(guān)系,一般來(lái)說(shuō)通過(guò)對(duì)控制P中的信號(hào)輸出進(jìn)行比例調(diào)整,可以有效提高和大大改變整個(gè)系統(tǒng)的快速控制反饋器和響應(yīng)器的特性,在系統(tǒng)沒(méi)有較大靜差的工作條件下,雖然這樣有利于大大降低系統(tǒng)靜差,但是由于采用過(guò)大的頻率比例控制系數(shù),就可能會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)可以具有比較大的頻率超調(diào),并且還可能會(huì)直接產(chǎn)生高頻電磁波的劇烈振蕩,使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性可以發(fā)生較大變壞;I信號(hào)是由頻率積分控制,在這種積分控制中,控制器的所有輸入和輸出誤差控制信號(hào)和其輸出之間的頻率積分控制頻率可以呈現(xiàn)出正負(fù)比。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)采用自動(dòng)控制的管理系統(tǒng),如果在系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)部穩(wěn)態(tài)后未能發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部仍然存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)差錯(cuò)誤差,則可以稱該自動(dòng)控制管理系統(tǒng)為一個(gè)具有內(nèi)部穩(wěn)態(tài)差錯(cuò)誤差或者可以簡(jiǎn)稱為不具有穩(wěn)態(tài)差錯(cuò)控制系統(tǒng)(SystemwithSteady-stateError)。為了徹底消除輸入穩(wěn)態(tài)時(shí)的誤差,在穩(wěn)態(tài)控制器中必須重新考慮是否引入"積分項(xiàng)"。積分一個(gè)項(xiàng)目管理所需要做的工作誤差大小取決于我們計(jì)算出來(lái)時(shí)間的多少,隨著我們計(jì)算到的時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)度的不斷延伸,積分就可能會(huì)逐漸變得增大。這樣,即便一個(gè)輸入穩(wěn)態(tài)誤差很小,積分項(xiàng)也很有可能會(huì)隨著輸入時(shí)間的不斷推移而逐漸變得加大,它通過(guò)用力推動(dòng)積分控制器而使輸出的誤差增大,從而可以使一個(gè)穩(wěn)態(tài)輸入誤差進(jìn)一步逐漸降低,直到一個(gè)輸入穩(wěn)態(tài)誤差等于零。因此,比例+數(shù)值積分(PI)的穩(wěn)態(tài)控制器,可以有效保證系統(tǒng)在第一次測(cè)試進(jìn)入正常穩(wěn)態(tài)之后也就沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的誤差。由于本系統(tǒng)主要是對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)載性能要求較高的系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)無(wú)需做出微分的預(yù)測(cè),所以選用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。PI算法的控制系統(tǒng)基本框圖設(shè)計(jì)如下表1.13所示,PI由P和I兩個(gè)線性數(shù)據(jù)集組合而成的控制量,用這一線性數(shù)據(jù)集來(lái)控制每一個(gè)被控對(duì)象。圖1.13PI控制系統(tǒng)原理圖 由于數(shù)字PI算法是由模擬PI算法經(jīng)過(guò)數(shù)字化而得到的，因此先對(duì)模擬PI算法進(jìn)行介紹，而PI調(diào)節(jié)器是P和I的線性組合，應(yīng)分開(kāi)對(duì)連個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。 比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：y=（3-16） 式中y為調(diào)節(jié)器的輸出；QUOTEKPKP是比例系數(shù)；QUOTEe(t)e(t)是調(diào)節(jié)器輸入偏差。由上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。因此，只要偏差出現(xiàn)，就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。 積分調(diào)節(jié)器的積分方程為：y=（3-17） QUOTETiTi是積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小，QUOTETiTi越大，積分速度越慢，積分作用越弱。它的積分作用就是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。 若將比例和積分兩種作用結(jié)合起來(lái)可以得到PI調(diào)節(jié)器，它的方程如下式：y=（3-18）由圖1.11的PI控制系統(tǒng)可知，r（t）是給定值，y（t）是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e（t），有e（t）=r（t）－y（t），e（t）作為PID控制器的輸入，u（t）作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。由此可得模擬PI控制規(guī)律為：u（3-19） 由于在實(shí)際控制中無(wú)法對(duì)式中的積分和微分直接應(yīng)用，因此須對(duì)上式進(jìn)行數(shù)字離散化處理：以T作為采樣周期，k作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換：t≈kT(k=0,1,2,3,……)（3-20）0（3-21）上述兩式中，可以將e（kT）簡(jiǎn)化成ek形式就可以得到數(shù)字化PI表達(dá)式：u（3-22）式中，k是采樣信號(hào)（k=0,1,2…...），QUOTEukuk是第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值，QUOTEekek是第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，Kp是比例系數(shù)，QUOTEKIKI是積分系數(shù)（積分時(shí)間QUOTETiTi即為累積多少個(gè)T），QUOTEu0u0是開(kāi)始進(jìn)行PI控制時(shí)的原始初值（應(yīng)為前一次的給定值）。1.1.3轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器 速自動(dòng)調(diào)節(jié)器性能的優(yōu)劣與好壞直接地影響著涉及到了整個(gè)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的性能好壞,沒(méi)有它的系統(tǒng)也就是很有可能發(fā)展成為一種無(wú)靜差的系統(tǒng),在它的驅(qū)動(dòng)力作用下,轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩會(huì)實(shí)時(shí)地跟隨一個(gè)給定的電壓而發(fā)生變化,并且這樣可以降低或者減小負(fù)載的變化對(duì)系統(tǒng)所帶來(lái)的影響,同時(shí)它還能夠通過(guò)電流循環(huán)方式進(jìn)行控制,其輸出的限幅值也由電機(jī)的最大電流決定。 由于本系統(tǒng)是數(shù)字式以微控制器為核心的控制系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也不像模擬式的那么麻煩，調(diào)節(jié)器的大體框架和架構(gòu)以及控制原理方面借鑒了經(jīng)典的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的思路和方法，將它抽象成數(shù)字的模型加以分析。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入量是由給定量與反饋量的差值所決定的，本系統(tǒng)的給定量是由微控制器直接給出的轉(zhuǎn)速大小，而反饋量則是由直接與電機(jī)相連接的測(cè)速裝置直接送入微控制器的數(shù)字信號(hào)。 本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋環(huán)是采用光電碼盤測(cè)速法，由于系統(tǒng)的被控對(duì)象是小功率的直流電機(jī)，考慮到系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和低成本，因此使用光電傳感器和碼盤配合的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)速。這種方法就是將碼盤與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連接，然后在碼盤上接入光電傳感器，在通過(guò)對(duì)光電傳感器傳出信號(hào)的整形及信號(hào)隔離，轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入微控制器。其工作原理是：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)軸也就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，連接在轉(zhuǎn)軸端的碼盤也會(huì)隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，由于碼盤是由等間隔的透光孔和遮光部分構(gòu)成的，因此在光電傳感器的檢測(cè)下，對(duì)碼盤運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過(guò)的透光部分進(jìn)行檢測(cè)，每當(dāng)光經(jīng)過(guò)光電傳感器就會(huì)產(chǎn)生上升沿的脈沖，而在小段時(shí)間內(nèi)信號(hào)透光孔進(jìn)