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1、双闭环调速系统及其静特性图1-1是转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图。在此系统中设置了两 个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反应和电流负反应， 这是为 了实现转速和电流两种负反应分别起作用。 二者之间实行嵌套联接，或称串级联 接。+从闭环构造上看，电流环在里面，称作环；转速环在外边，称作外环。这就 形成了转速、电流双闭环调速系统。1.1稳态构造图及其静特性由双闭环直流调速系统电路原理图可以很方便地画出稳态构造框图，如图1-2。Id图1-2双闭环调速系统静态构造图a转速反应系数；b 电流反应系数这种PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和和不饱和。输出如果 到达限幅值就是饱和
2、，输出如果没有到达限幅值就是不饱和。当输出为恒值，输 入量的变化不会再影响输出时，调节器处于饱和状态。当PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总是等于零时，调节器处于不饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，转速负反应起主要调节作用，此时，系统表现为转速无静差。当转速调节器处于饱和输出时，负载电流 到达最大电流，电流调节器起主要调节作用，此时，系统表现为电流无静差。这就是采用了两个PI调节器分别形成、外两个闭环的效果。这样的静特性 显然比带电流截止负反应的单闭环系统静特性要好得多。1.2系统动态校正PI调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态构造图如图1-3所示：图1-3双闭环直
3、流调速系统的动态构造图在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的 情况。为了使系统同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求，必须设计适宜的动态校正装置。在此调速系统中，由于其传递函数的阶次不是很高，采用PID调节器的串联校正方案就可以完成动态校正的任务。由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并且具有足够的快 速性，可是稳态精度却不高；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度， 但是快速性却不高；用PID调节器实现的滞后一超前校正那么兼有二者的优点， 可以全面提高系统的控制性能，但具体的操作和调试却非常复杂 叫一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快
4、速性的要求可以差一 些，所以主要采用PI调节器。系统设计的一般原那么是：先设计环，后设计外环。在这里，首先设计电流 调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。1.3参数优化设计本设计中主要采用工程设计方法设计双闭环系统的调节器。调节器工程设计方法的根本思路先选择调节器的构造，确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择 调节器的参数，以满足动态性能指标。设计多环控制的一般原那么是：从环开场，一环一环地逐步向外扩展，本设 计中先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后将电流环看做转速环的一个 环节，再进展转速调节器的设计。调节器的参数整定本设计为双闭环直流调速系
5、统1、设计指标：1）静态指标：无静差；2）动态指标：电流超调量 ： 5% ;空载起动到额定转速时的转速超调量n% 10%。2、电机根本数据如下：1）电枢电阻Ra = 1.5 p2）电机额定电流=3.24A ;3）电机额定转速n= 1450r/min ;4）电枢回路总电阻R=4P;5回路总电感 =2 mH。3、其它参数计算1CeUn=0.0338 V min/rnN2Cm=30Ce/ =0.3236N min/r3Tmgd2r375CeCm= 0.02903s4Tl= L/R =0.0005s5控制电压Uc的调节围是010V，由于是双极性控制，所以 Uc=5V ;整流电压Ud的变化围是054VK
6、s=54/5=10.86电流反应系数设最大允许电流1 dm = 1.5IN，限幅值Uim，定为10V,电压给定Unm也为10V。那么 Idm=1- 53 24 =4.86AUm= 10/4.86=4.44V/Admnm7速度反应系数= 10/1450=0.0069V min/rn max1.4电流环的设计将电流环校正成典型I型系统叫）A-ACR丿3(z+ixr+1)1、选择电流调节器构造可按典型I型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为Wacr(s)KiiS 1iS式中 Ki 电流调节器的比例系数;Ti电流调节器的超前时间常数。2、选择电流调节
7、器的参数ACR超前时间常数i0.0005s ;电流环开环时间增益:要求i 5% ,故应取KT i 0.5，因此0.5T咚6666. 67s0. 0001167于是，ACR的比例系数为：kRKS6666.670.63、校验近似条件电流环截止频率:ci16666. 67s1PWM装置传递函数近似条件:ci13Ts3Ts30. 000056666. 67S 1ci满足近似条件;2忽略反电动势对电流环影响的条件:ci3TmT,331 0. 029030. 0005249s 1ci满足近似条件;3小时间常数近似处理条件:9428. 1S1 131 TsGci满足近似条件4计算调节器电阻和电容调节器输入电
8、阻为R。40k ，各电阻和电容值计算如下R KR 0.6 40k24k ,取 24kC J 0. 0005106 F 0.0208 F,取 0.02 FR 241034Toi4 0. 00006676Coi?3106 F 0. 00667 F，取 0. 00670 FR040 101.5转速环的设计1、确定时间常数1转速滤波时间常数Ton0. 001S2转速环小时间常数近似处理Tn2TiTom0. 00115s2、选择转速调节器构造按跟随和抗扰性能都能较好的原那么，在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要U由设计要求，转速调节器必
9、须含有积分环节，故按典型U型系统一选用设计PI调节器，其传递函数为WASR( S)KnnS 13、选择调节器的参数根据跟随性和抗干扰性能都较好的原那么取 h 5，那么ASR超前时间常数为hTn 5 0. 00115s0.00575s转速开环增益:2h2T2n6250.00115290737 24sASR的比例系数:Kn(h 1) CeTm2h RTn42.484、近似校验转速截止频率为:Kncn1Kn n 521.73s1电流环传递函数简化条件:cn132519.4s现在cn满足简化条件2转速小时间常数近似处理条件:cn1 Ki3 Ton现在860. 66s 1cn满足近似条件3计算调节器电阻
10、和电容调节器输入电阻 Ro 40k ，那么CnConKnR0onR042.4840k1699. 2k，取 1700k空警10617001034 .001 10640103F 0. 00338 F ,取 0.00340 FF 0. 1 F，取 0.1 F检验转速超调量当h=5时，查表得，.=37.6%,不能满足设计要求。实际上，由于这是按 线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该 按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0。n当h=5时，CCmax %)2( z) nnom Tn3-29CbnTmC% 81.2%3-30Cb而max1 dnomR3. 244 r383. 432rmin3-31Ce0. 0338min因此81. 2% 21.5383.4320. 001152. 6%10%3-32n14500. 02903满足设计要求
