電力拖動系統(tǒng)第2章課件

1、第十二講 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性； 2.2 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)性能分析析；轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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)和和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 第第 2 章章內(nèi)容提要內(nèi)容提要 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點和設(shè)計方法，是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。我們將重點學(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)節(jié)器的工程設(shè)計

2、方法； 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。內(nèi)容提要內(nèi)容提要2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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) 及其靜特性及其靜特性 問題的提出 第1章中表明，采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。1. 主要原因 是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈的負反饋作用限

3、制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。b) 理想的快速起動過程IdLntIdOIdma) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2. 理想的起動過程IdLntIdOIdmIdcr 性能比較 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖 所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。 IdLntIdOIdmIdcr圖2-1 a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能比較（續(xù)） 理想起動過程波形如圖，這時，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）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得

4、的最快的起動過程。IdLntIdOIdm圖2-1 b) 理想的快速起動過程3. 解決思路 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制： 起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋； 穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種

5、負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 系統(tǒng)的組成ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán) 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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)。2. 系統(tǒng)電路結(jié)

6、構(gòu) 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。系統(tǒng)原理圖圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE 圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值； 電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出

7、限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3. 限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim4. 電流檢測電路電流檢測電路 TA電流互感器4. 電流檢測電路2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-4 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

8、饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2. 限幅作用 存在兩種狀況： 飽和輸出達到限幅值 當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 不飽和輸出未達到限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 3.靜特性靜特性 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和(CA段)di*i0n*nIUUnnUU0*nnUn靜特性的CA段因為ASR不飽和U*i U*im，Id Idm。CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大

9、于額定電流 IdN 的。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和（AB段）dm*imdIUIASR輸出達到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。dm*imdIUI最大電流 Idm 設(shè)計者選定，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和dm*imdIUI這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 4. 兩個調(diào)節(jié)器的作用 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 當負載電流達到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起

10、主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。 這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用 “準PI調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。 2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4

11、) 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U*i是由負載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。 這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。n 反饋系數(shù)計算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) max

12、*nmnUdm*imIU(2-6) (2-7) 兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計者選定，設(shè)計原則如下： U*nm受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制； U*im 為ASR的輸出限幅值。返回目錄返回目錄第十三講 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動態(tài)性能分析和動態(tài)性能分析 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，兩個調(diào)節(jié)器的輸入偏差（給定與反饋之差）是多少？它們的輸出電壓是多少？為什么？2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動態(tài)性能分析和動態(tài)性能分析本節(jié)提要 雙閉環(huán)

13、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)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(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)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2. 數(shù)學(xué)模型 圖中WASR(s)和WACR(s)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)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有 ss

14、KsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(2.2.2 起動過程分析起動過程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖。圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 n OOttIdL Idm n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1. 起動過程 由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。 I: 0t

15、1，電流上升階段突加U*n Id 上升。Id IdL 電機起動。ASR的輸入電壓數(shù)值較大，輸出電壓輸出電壓=U*im。Id 迅速上升，直到Id = Idm 。電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長。 在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。I00.050.10.150.20.250.30.35-50050100150200250 II ：恒流升速階段（t1 t2）ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)在U*im 給定下電流調(diào)節(jié)，Id =Idm ，系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速線性增長。電機的反電動勢E 線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)使Ud0和 Uc 線性增長。當ACR采用PI

16、調(diào)節(jié)器時，輸出量線性增長要求輸入偏差電壓維持恒值，即 Id 實際上略低于 Idm。典型值：Kn=10，Ki=1 ：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）nn* , ASR的輸入零， ASR由于積分作用仍飽和。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR開始退出飽和， U*i 和 Id 很快下降。Id = IdL時，轉(zhuǎn)速n到達峰值（t = t3時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)定。其間，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，ACR使 Id 盡快跟隨U*i。2. 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特點： （1） 飽和非線性控制；飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)；轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3）

17、 準時間最優(yōu)控制準時間最優(yōu)控制。 （1） 飽和非線性控制 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)： 當ASR飽和時，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)； 當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(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 Un 為負值，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）準時間最優(yōu)控制 起動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。一般選擇為電動機允

18、許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。 最后，應(yīng)該指出，對于不可逆的電力最后，應(yīng)該指出，對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好自制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時，只能采用電由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。阻能耗制動或電磁抱閘。 2.2.3 動態(tài)抗擾性能分析動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)

19、速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗負載擾動IdLIdL負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR抵御。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電網(wǎng)電壓擾動UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-En在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，n調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延

20、滯，抗電壓擾動的性能要差一些?？闺娋W(wǎng)電壓擾動（續(xù)）-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-En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饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2.2.4 轉(zhuǎn)

21、速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(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。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 （4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。返回目錄返回目錄 2.4 試從下述各方面來比較轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負反饋

22、的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點： 1) 靜特性； 2) 動態(tài)限流性能； 3) 起動的快速性； 4) 抗負載擾動的性能； 5) 抗電源電壓波動的性能； 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 基本思路: 將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對象 調(diào)節(jié)器 輸入輸出典型系統(tǒng) 輸入輸出2.3.1 工程設(shè)計方法的基本思路工程設(shè)計方法的基本思路 1.選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。2.設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。2.3.2 典型系統(tǒng)典型系統(tǒng)所選擇的簡單、性能清晰、作為實際系統(tǒng)逼近目標的系統(tǒng)。)(sWR(s)C(s)1. 典型I型系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) ) 1()(

23、TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中 T 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。（2-9）開環(huán)對數(shù)頻率特性O(shè) 性能特性 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 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，即選擇參數(shù)滿足 T1c1cT或于是，相角穩(wěn)定裕度 45arctg90arctg90180ccTTO2. 典型型系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) ) 1() 1()(2TsssKsW) (sR) (sC) 1() 1(2TsssK（2-10） 開環(huán)對數(shù)頻率特性O(shè)T11c穩(wěn)定條件T或2.3.3 控制系統(tǒng)的

24、動態(tài)性能指標控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括： 跟隨性能指標 抗擾性能指標 系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts圖2-12 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標1. 跟隨性能指標：跟隨性能指標： 在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標有tr 上升時間 超調(diào)量ts 調(diào)節(jié)時間 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標圖2-13 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb2. 抗擾性能指標 抗擾性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常

25、用的抗擾性能指標有 Cmax 動態(tài)降落 tv 恢復(fù)時間 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。第十四講 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動態(tài)性能分析和動態(tài)性能分析 電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)整電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)整 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 基本思路基本思路 典型系統(tǒng)、頻率特性、性能指標典型系統(tǒng)、頻率特性、性能指標 2.3 工程設(shè)計法工程設(shè)計法 2.4 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器2.3.4 典型典型I型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性能指

26、標和參數(shù)的關(guān)系)(sR) 1(TssK)(sC（2）動態(tài)跟隨性能指標 閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型 I 型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 TKn2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（2-13） 式中 n 無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱 固有角頻率； 阻尼比，或稱衰減系數(shù)。KT121 性能指標和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 %100e%)1/(2(2-19) (2-21) 2np1t超調(diào)量 峰值時間 ns3.5t調(diào)整時間 (5% )KT121阻尼比=0.707，KT=0.5超調(diào)量=4.3% c=1/K)(sR) 1(TssK)(sC2.3.5 典型典型II型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性

27、能指標和參數(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，時間常數(shù)T也是控制對象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個： K 和 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。 為了分析方便起見，引入一個新的變量 (圖2-16)，令 12Th(2-32) 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性dBL/0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec圖2-16 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和中頻寬中頻寬度 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），稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀

28、況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此 h 值是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。 只要按照動態(tài)性能指標的要求確定了h值，就可以代入這兩個公式計算K 和 ，并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 T11c 時間常數(shù)T是控制對象固有的。 待定參數(shù)： K 和 。12ThdBL/0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec)(sR)(sC) 1() 1(2TsssKcK1采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。在確定了h之后，可求得122hhc211hchT2222112121)1(21ThhhhThKcKhT

29、c跟隨性能與中頻寬h的關(guān)系h=3,4,5,6,7,8 隨H增長，振蕩幅度減小。)(sR)(sC) 1() 1(2TsssK2221ThhKT=0.0174h=3時，%=37.4%2.3.6 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似 處理處理非典型系統(tǒng)的典型化非典型系統(tǒng)的典型化1. 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 基本思路: 將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對象 調(diào)節(jié)器 輸入輸出典型系統(tǒng) 輸入輸出傳遞函數(shù)近似處理（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 實際系統(tǒng)中往往有若干個小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時間常數(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，

30、系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小慣性環(huán)節(jié)可以合并 當系統(tǒng)有一組小慣性群時，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個小慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)等于小慣性群中各時間常數(shù)之和。 1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT例如：(2-47) 近似條件32c31TT(2-46) 圖3-16 高頻段小慣性群近似處理對頻率特性的影響T=T1+T2（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理 三階系統(tǒng) a，b，c都是正數(shù)，且bc a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 降階處理：忽略高次項，得近似的一階系統(tǒng) 近似條件 1)(23csbsasKsW1)(csKsW),1min(31cacbc

31、j1K)ac (j)b(1K1)j ()j ()j ()(2223cbaKsW1c.a1 .b222131TTc1)(1) 1)(1)(1(1321321sTTTsTsTsT133221131TTTTTTc1)(23csbsasKsW1)(csKsW),1min(31cacb1)(1) 1)(1(12121sTTsTsT2.4 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。主要內(nèi)容為 系統(tǒng)設(shè)計對象 系統(tǒng)設(shè)計原則 系統(tǒng)設(shè)計步驟-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iU

32、cKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖2-22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1. 系統(tǒng)設(shè)計對象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖2-22，它與前述的圖2-6不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中 T0i 電流反饋濾波時間常數(shù) T0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 2. 系統(tǒng)設(shè)計原則 系統(tǒng)設(shè)計的一般原則： “先內(nèi)環(huán)后外環(huán)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。T

33、oi電流反饋濾波時間常數(shù)； Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計例題2-1 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5； 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40； 電樞回路總電阻：R=0.5 ； 時間常數(shù)：Tl=0.03s， Tm=0.18s； 電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5IN）。 設(shè)計要求設(shè)計要求 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量5%i Ce=0.132Vmin/r， R=0.5， Tm=0.18s； Tl=0.03

34、s ；Ks=40，=0.05V/A %=5%，設(shè)計電流環(huán) Ce=0.132Vmin/r， R=0.5， Tm=0.18s； Tl=0.03s ；Ks=40，=0.05V/A %=5%，設(shè)計電流環(huán) R=0.5， Tl=0.03s ；Ks=40，=0.05V/A %=5%，設(shè)計電流環(huán)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s=1/2*Tsmax=1/2mf=1/600。電流濾波時間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。每個波頭的時間T0=3.3ms=1/300 (12)Toi=T0，Toi越大，噪聲衰減越大。11/500s

35、+1Transfer FcntTo Workspace1sTo WorkspaceSine WaveScope1Clock00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050123456 K=135013. 105. 0405 . 003. 01 .135siIiKRKK5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 取 取40k 取0.75F 取0.2FkR400kRKRii52.4040013. 10FFRCiii75. 01075. 0104003. 063FFRTCioi2 . 0102 . 01040002. 0446300電源擾動的仿真研究1/0.5.03s+1

36、Transfer Fcn90.05.002s+1Transfer Fcn20.03s+10.03sTransfer Fcn11400.00174s+1Transfer Fcn100.05.002s+1Transfer Fcn1tTo Workspace1sTo WorkspaceStep7Step1Scope1.03GainClock00.020.040.060.080.10.120.140.1600.20.40.60.811.21.41. 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW(2-65) 2.4.2

37、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 傳遞函數(shù)化簡忽略高次項，上式可降階近似為 111)(IclisKsWiIcn31TK近似條件可由式（2-52）求出 cn 轉(zhuǎn)速環(huán)剪切頻率。 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 111)()()(Icli*idsKsWsUsI(2-68) 物理意義： 這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對電流的閉環(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)）控制的一個重要功能環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個重要功能。 例題2-2 在例題2-1中，除已給數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速

38、反饋系數(shù)=0.07Vmin/r（10V/nN）， 要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。 試按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。1）確定時間常數(shù) （1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。由例題2-1，已取KITi=0.5，則 （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。 （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取sTKiI0074. 00037. 0221sTKTonIn0174. 001. 00074. 011460/60*19=462 hz146/60*19=46.2 hz2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 選用PI調(diào)節(jié)器，3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： ASR的比例系數(shù)為ssKsWnnnASR) 1()(shTnn087. 00174. 05222224 .3960174. 052621sThhKnN7 .110174. 05 . 0007. 05218. 0132. 005. 062) 1(nmenRThTChK00.10.20.30.40.50.60.700.511