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1、双闭环直流调速系统1综述采用 PI 调节的单个转速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，例如要求快速制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统的动态性能就难以满足需要。这主要是以为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为此本文提出一种将神经网络理论结合传统 PID 控制机理，构成单神经元 PID 控制器，并应用于直流调速系统。通过在线边学习边控制的方式，解决了传统 PID 的不足，实现了调速系统的快速过程实时在线控制要求。仿真结果表明，这控制方法具有良好的自适性，且系统鲁棒性优于传统双闭环控制。双闭环直流调速系统21 双闭环
2、直流调速系统简介1.1 单闭环系统的劣势采用 PI 调节的单个转速闭环直流调速系统（以下简称单闭环系统）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，例如要求快速制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统的动态性能就难以满足需要。这主要是以为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。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，但是它只能在超过临界电流 Idcr 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机的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统启动和转速波形如图 1-1（a）所示，启动电流突破 Idr 以
3、后，受电流负反馈的作用，电流只能升高一点，经过某一最大值 Idr 以后就降了下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必须延长。对于经常正、反转的调速系统，例如龙门刨床，可逆轧钢机等，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在惦记最大准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（转矩）为准许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图 1-1（b）所示，这时，起动电流是方形波，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
4、的最快起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，图 1-1b 所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确实现。为了实现在准许的最快起动，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。问题是，应该在双闭环直流调速系统3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，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。怎样才能做到呢？只用一个调速器显然是不可能的，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连接。1.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转
5、速和电流两个负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别为转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行串级连接，如图 1-1所示。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；转速环在外面，称作外环。这样，形成了转速、电流双闭环调速系统。+TGnASR ACRU*n+ -UnUiU*i+- UcTAM+-UdIdUPE-MTG图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构 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电力电子变换器内环外 环ni1.3 双闭环直流调速系统的
6、各部分组成及作用1.3.1 转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快的跟随给定电压 Un 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。对负载变化起抗扰的作用，其输出限幅值决定电动机准许的最大电流。2.电流调节器的作用作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧的跟随其给定电压 Ui（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电动机准许的最大电流从而加快动态过程。当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护的作用。一旦故障消失，系统应该立即自动恢复正常，这个作用对系
7、统的可靠运行来说是十分重要的。双闭环直流调速系统42 双闭环直流调速系统数学模型的建立2.1 双闭环系统的原理图，各环节的微分方程的建立+ +-TG+-+-RP2U*n R0R0 UcUiRi Ci+ +-R0R0Rn CnASR ACRLMRP1Un U*iLM +MTAIdUd MTGUPE+- +-注：ASR速度调节器 ACR电流调节器 UPE晶闸管电路2.1.1 速度调节器的微分方程及函数-U*i= Rn+oRi*UdtCoin1U*I-输入端给定电压 U*I-ASR 输出端电压拉氏变换- U*I（s）= Rn+onRs)(oinRsUSC)(1得传函为 WASR（S）=-sKn )1
8、()(图2-1 双闭环直流调速系统电路原理图 双闭环直流调速系统5式中 Kn-转速调节器的比例系，Kn= Ron乙 n-转速调节器的超前时间常数，乙 n=RnCn2.1.2 电流调节器的微分方程及传函-Uc= dtRoUCioii*1Uc-ACR 输出端电压 U*I-输入端电压拉氏变换- -Uc(s)= RoSCiosii )(1)(得传函为 WACR(S)=- iSZiSK)1()(式中 Ki-电流调节器的比例系数，Ki= RoZi-电流调节器的超前时间常数 Zi=RiCi2.1.3 测速发电机的微分方程及传函Un-测速反馈电压 Kt-测速发电机输出斜率，表示单位角速度的输出电压 W-转子角
9、速度 -转子角位移拉氏变换，得 G（s）= 或 G（s）=ktsUn)( ktsUn)()(,)(,)( tItWItnIsU由上得动态方框图（2-2）双闭环直流调速系统6Toi-电流反馈滤波时间常数 Toi=1/4RoLoi。Ton -转速反馈滤时间常数，Ton=1/4Ron -转速反馈系数 电流反馈系数双闭环直流调速系统73 双闭环系统的工程校正设计方法3.1 典型系统在许多控制系统中，开环传递函数都可以用下式表示： niirmjisTsKW1)(）（其中分子和分母上还有可能含有复数零点和复数极点。分母 Sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据 r=
10、1、2、3、.的不同数值，分别称作 O 型、I 型、型.系统。自控理论证证明，O 型系统稳态精度低，而型、型以上系统很难稳定。因此，为了保持稳定性和良好的稳态精度，多用 I 型和型系统。1 典型 I 型系统传函W（s） =K/S（TS+1 ） ，K系统开环增益，T系统惯性时间常数选择 I 型系统应保证参数如下：Wc1/T， arctgwcT45o2 典型型系统传函W（s）= )1(TS选择型系统应保证参数如下：1/2Ki= = （ ） ，iT21islTKRs2ilTTI=Ts+Toi。双闭环直流调速系统93.3 转速调节器的设计与选择1、用等效电流环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构
11、框图如图（3-3a）所示，相应环节合并代简后为图（3-3b）所示。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（如图 3-3b） 。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传函应有两个积分环节，所以应设计成典型型系统这样的系统同时也能满足动双闭环直流调速系统10态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质也会使超调量降低。因此，ASR 也应采用 PI 调节器，其佳函为：WASR= ，这样调速系统的无环传函为：Wn（s）=ZnSK)1()1()1(TCemRZnSK令转速
12、环开环增考长 N 为 KN= ，则 Wn(s)= 不考虑负载扰动时，校CeTmZnRK)1(nSTZKN正后的调速系统动态结构如图（3-3c）所示，上述结果所需服从的近似条件归纳如下：Wn ,WcniTKI31onI312 、转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括 Kn 和 Zn，按照典型型系统的参数关系，有：hNnhZ21,因此 Kn= Ton=RTCem)(RoCn4至于中频宽 h 应选择的少，要看动态性能的要求决定，一般从以选择 h=5 为好.双闭环直流调速系统113.4 典型环节的性能指标分析3.4.1 典型型系统性能指标和参数关系由于典型型系统的调节只需改变开环增差 K，也就是说
13、K 是唯一的待定参数，设计时需要按照性能指标选择参数 K 的大小。在频率特性曲线中，当 Wc 1/T 时，特性以-20dB/dbc 斜率穿越 odB 线，系统有较好的稳定性。因为 20lgk=20（lgwc-lgl）=20lgwc，所以 K=Wc（当 Wc 1/T 时 ，K 值越大，截止频率 Wc 也越大，系统响应越快，但相角裕度 r=90o-arctgwcT 越小，这就是说快速性与稳定性之间的矛盾。具体选择 K 时，应折中考虑。典型型系统跟随性能指标与参数关系稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。 （1）阶跃输入 R（t）=Ro 时，ess=0， （
14、2）斜坡输入 R（t）=Uot 时，ess=Uo/K， （3）加速度输入 R（t）= t2 时，ess=，所以型系统不能用与具有加速oa度的随动系统。动态跟随性能指标：典型型系统是一种二阶系统，闭环传函一般式为：Wcl(s)=22)(nssRC式中 n-无阻尼时的自然振荡角频率 - 阻尼比从典型型系统的开环传函 W(s)= 可以求出其闭环传函为：Wcl=)1(TSKTSkTSKsW)1()(12从而推出以下参数关系，n = ， =2n21由二阶系统的性质可知：当 1 时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性；当 1时，是过阻尼的单调特性；当 =1 时，是临界阻尼。由于过阻尼动态响应较慢，所以一般常把
15、系统设计为欠阻尼，机 01。因为在典型型系统中，KT1。代入成 =得 0.5，因此典型 I 型系统中应取 0.51KT12下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件下的阶跃响应动态指标计算公式：超调量 峰值时间 tp=21Wn双闭环直流调速系统12调节时间 ts 与 的关系比较复杂，如果不需很精确，允许误差带为5%的调节时间可用 ts=3/n =6T(当0.9 时截止频率 Wc=Wn 1/2 241相角稳定裕度 r= 214典型型系统抗干扰性指标与参数的关系如图（3-4a）所示是在扰动量 F 作用下的典型型系统，其中 W1（s）是扰动作用点前面部分的传递函数，后面部分是 W2（s） ，于是 W1（s）W2（s）=W（s）=只讨论抗干扰性时，令输入变量 R=0，这时输出变量可写成C，将扰动作用)1(TSKF（s）前移到输入作用点上，即得如图（3-4b）所示方框图，显然虚框部分就是闭环的典型型系统，在扰动作用下输出变化量C 的象函数为C（s）= 。虚框内)(1)(sWF环节就是闭环系统的跟随过程，这说明 抗干扰性能的优劣与跟随性能的优劣有关，然而在虚框前还有 1/W1（s）的典型系统的开环传函 W（s）并不像分析跟随性能那样唯一地句顶
