交直流調(diào)速控制系統(tǒng) 第3章

1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其工程設(shè)計第第 3 章章內(nèi)容提要 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣是應(yīng)用最廣, ,性能較好的直流調(diào)速系統(tǒng)。性能較好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)本章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計方法，是各種交、直流電力拖動自動控計方法，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(diǎn)學(xué)習(xí)：制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。我們將重點(diǎn)學(xué)習(xí)：n轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性；特性；n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)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；性能分析；n調(diào)節(jié)器的

2、工程設(shè)計方法；調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法；n按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器器內(nèi)容提要3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 及其靜特性n問題的提出問題的提出 第第2章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證節(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，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(fù)載動態(tài)例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。

3、要。1. 主要原因主要原因 是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲是因為在單閉環(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。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，電流截止在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但負(fù)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它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。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(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖3-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程

4、的電流和轉(zhuǎn)速波形2. 理想的起動過程IdLntIdOIdmIdcr 性能比較性能比較n帶電流截止負(fù)反饋的帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖起動過程如圖 所示，所示，起動電流達(dá)到最大值起動電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，饋的作用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延之減小，加速過程延長。長。 IdLntIdOIdmIdcr圖3-1 a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)）n理想起動過程波形理想起動過程波形如圖，這時，起動如圖，這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性

5、增長。這速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程?？斓钠饎舆^程。IdLntIdOIdm圖3-1 b) 理想的快速起動過程3. 解決思路解決思路 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，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關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過

6、程。的恒流過程。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：n起動過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速起動過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；負(fù)反饋；n穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？段里起作用呢？3.1.1 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)速和電流兩種負(fù)反饋分別為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)

7、器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。如下圖所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖3-2 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(jī)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(dāng)作電流圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出調(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去

8、控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)。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)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)。速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 這就形成了這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。統(tǒng)。2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的器，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(biāo)出了兩個電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們

9、是按照電力電子變換器的控制電壓是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。大器的倒相作用。系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖圖3-3 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)器的輸出都是帶圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。限幅作用的。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓U*im決決定了電流環(huán)給定電壓的最大值；定了電流環(huán)給定電壓的最大值；n電流調(diào)節(jié)

10、器電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm限制限制了電力電子變換器的最大輸出電壓了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3. 限幅電路限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)）限幅電路（續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim3.1.2 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，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。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來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器

11、就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。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3-4 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); 電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2. 限幅作用限幅作用 存在兩種狀況：存在兩種狀況：n飽和飽和輸出達(dá)到限幅值輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化當(dāng)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，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了

12、退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。n不飽和不飽和輸出未達(dá)到限幅值輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI 作用使輸入偏差電壓在作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。輸出穩(wěn)態(tài)時總是零。輸出不再增加，維持不飽和值。不再增加，維持不飽和值。3. 系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性實際上，在正常運(yùn)實際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流

13、調(diào)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖系統(tǒng)的靜特性如圖所示，所示，圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdNOnABC（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和di*i0n*nIUUnnUU式中， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個關(guān)系式可得 0*nnUn從而得到上圖靜特性的CA段。 (3-1) n 靜特性的水平特性靜特性的水平特性 與此同時，由于與此同時，由于ASR不飽和，不飽和，U*i U*im，從上述第二個關(guān)系式可知從上述第二個關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說，這就是說， CA段靜特性從理想空載段靜特性從理想空載狀態(tài)的狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到一直延續(xù)到 Id = Idm

14、 ，而，而 Idm一般都是大于額定電流一般都是大于額定電流 IdN 的。這就的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性水平的特性。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時，ASR輸出達(dá)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)。穩(wěn)態(tài)時 dm*imdIUI式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。(3-2) n 靜特性的垂直特性靜特性的垂直特性 式（式（3-2）所描述的靜特性是上圖中的）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的

15、特性。 這樣的下垂特性只適合于這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。將退出飽和狀態(tài)。 4. 兩個調(diào)節(jié)器的作用兩個調(diào)節(jié)器的作用n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。保護(hù)。 這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分

16、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(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運(yùn)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(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)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。 3.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)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(dāng)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(3-3) (3-5) (3-4) 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)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(fù)載電流 IdL決定的

17、； 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)系反映了這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其調(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。后面需要后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。多少，直到飽和為止。n 反饋系數(shù)計算反饋系數(shù)計算 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

18、參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(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*nmnUdm*imIU(3-6) (3-7) 兩個給定電壓的最大值兩個給定電壓的最大值U*nm和和U*im由設(shè)由設(shè)計者選定，設(shè)計原則如下：計者選定，設(shè)計原則如下：nU*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；源的限制；nU*im 為為ASR的輸出限幅值。的輸出限幅值。返回目錄返回目錄3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動態(tài)性能分析本節(jié)提要本節(jié)提要n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

19、態(tài)數(shù)學(xué)模型n起動過程分析起動過程分析n動態(tài)抗擾性能分析動態(tài)抗擾性能分析n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3.2.1 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)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。統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。v單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.2.13 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+

20、1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3-6 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)模型數(shù)學(xué)模型 圖中圖中WASR(s)和和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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)。如果采用器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)調(diào)節(jié)器，則有（節(jié)器，則有（P23） 為為PI調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(3.2.2 起動過程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)

21、控制的一個重前已指出，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，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。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)突加給定電壓雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖。過程示于下圖。圖3-7 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 OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1. 起動過程起動過程 由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由于在起動過程

22、中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個階段。三個階段。 第第I階段電流上升的階段（階段電流上升的階段（0 t1） n突加給定電壓突加給定電壓 U*n 后，后，Id 上升，上升，當(dāng)當(dāng) Id 小于負(fù)載電流小于負(fù)載電流 IdL 時，電機(jī)時，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。還不能轉(zhuǎn)動。n當(dāng)當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動，后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸入偏差電壓的

23、數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)，強(qiáng)迫電流迫電流 Id 迅速上升。直到，迅速上升。直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器很快電流調(diào)節(jié)器很快就壓制就壓制 Id 了的增長，標(biāo)志著這了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。一階段的結(jié)束。 在這一階段中，在這一階段中，ASR很快進(jìn)入很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般一般不飽和。不飽和。第第 II 階段恒流升速階段（階段恒流升速階段（t1 t2） 在這個階段中，在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電壓速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電壓U*im 給

24、定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機(jī)定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機(jī)的反電動勢的反電動勢E 也按線性增長，對電流調(diào)也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，量，為了克服它的擾動， Ud0和和 Uc 也必也必須基本上按線性增長，才能保持須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。恒定。 當(dāng)當(dāng)ACR采用采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持按線性增長，其輸入偏

25、差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，一定的恒值，也就是說， Id 應(yīng)略低于應(yīng)略低于 Idm 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。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)節(jié)作用，在起為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中動過程中 ACR是不應(yīng)飽和的，電力電是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。第第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）以后） n當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器ASR的輸入偏差減少到零，但其的輸入偏差減

26、少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅輸出卻由于積分作用還維持在限幅值值U*im ，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。速超調(diào)。n轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和和 Id 很快下降。但是，只要很快下降。但是，只要 Id 仍大于仍大于負(fù)載電流負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到到Id = IdL時，轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（才到達(dá)峰值（t = t3時）。時）。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下此后，電動機(jī)開始在負(fù)載

27、的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時間內(nèi)減速，與此相應(yīng)，在一小段時間內(nèi)（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到穩(wěn)定，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。會有一些振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和和ACR都不飽都不飽和，和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而而ACR則力圖使則力圖使 Id 盡快地跟隨其給盡快地跟隨其給定值定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。電流隨動子系統(tǒng)。 IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 t

28、tIdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）n直到直到Id = IdL時，時，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速速n才到達(dá)峰值才到達(dá)峰值（t = t3時）。時）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）n此后，電動機(jī)開此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力始在負(fù)載的阻力下減速，與此相下減速，與此相應(yīng)，在一小段時應(yīng)，在一小段時間內(nèi)（間內(nèi)（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到穩(wěn)，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠參數(shù)整

29、定得不夠好，也會有一些好，也會有一些振蕩過程。振蕩過程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段（續(xù)）階段（續(xù)） 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和和ACR都不飽和，都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而作用，而ACR則力圖使則力圖使 Id 盡快地跟隨其盡快地跟隨其給定值給定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。電流隨動子系統(tǒng)。 2. 分析結(jié)果分析結(jié)果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點(diǎn)：過程有以下三個特點(diǎn)： （1）

30、 飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。 （1） 飽和非線性控制飽和非線性控制 根據(jù)根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：處于完全不同的兩種狀態(tài)：n當(dāng)當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表飽和時，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)；現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；n當(dāng)當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個不飽和時，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)內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于由于ASR采用了飽和非線性控制，起動采用了飽和非線性控制，

31、起動過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓的輸入偏差電壓 Un 為負(fù)為負(fù)值，才能使值，才能使ASR退出飽和。退出飽和。 這樣，采用這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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)。的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 起動過程中的主要階段是第起動過程中的主要階段是第II階段的階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機(jī)允許的最大電流，以一般選擇為電動機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使起動便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載

32、能力，使起動過程盡可能最快。過程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時間控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制。因此，整個起動過程可看作為是一個準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。個準(zhǔn)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(dāng)電流下降到零以后，只好自制動時，當(dāng)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。 3

33、.2.3 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比一般來說，雙閉環(huán)調(diào)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。負(fù)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(fù)載擾動抗負(fù)載擾動IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負(fù)載擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負(fù)載擾作用 由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能

34、靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 抗負(fù)載擾動（續(xù)）抗負(fù)載擾動（續(xù)） 由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾由動態(tài)結(jié)構(gòu)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)動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)?？箶_性能指標(biāo)。 圖3-8 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/CenUd0

35、1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗電網(wǎng)電壓擾動（續(xù)）抗電網(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-E3. 對比分析對比分析n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)節(jié)作用受在單閉環(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)節(jié)作用受到多個環(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。到多個環(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。n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

36、得到比雙閉環(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。善。4. 分析結(jié)果分析結(jié)果 因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)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。單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。3.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作節(jié)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：用可以分別歸納如下： 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作

37、用轉(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)）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)速節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負(fù)載變化起抗擾作用。）對負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用電流調(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

38、用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 （4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)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(yùn)行來說正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。是十分重要的。返回目錄返回目錄3.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法3.3.0 問題的提出n必要性：必要性： 用用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同須同時解決時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互等各方面相互有

39、矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實用初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實用的設(shè)計方法。的設(shè)計方法。問題的提出（續(xù)）問題的提出（續(xù)）n 可能性：可能性： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多

40、了。這樣，就表對照，設(shè)計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。有了建立工程設(shè)計方法的可能性。 n設(shè)計方法的原則設(shè)計方法的原則 ：（1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；調(diào)整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。3.3.1 工程設(shè)計方法的基本思路 1.選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選

41、擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。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(biāo)設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求的要求。3.3.2 典型系統(tǒng) 一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為都可表示為 (2-8)n1iirm1jj) 1() 1()(sTssKsW)(sWR(s)C(s) 上式中，分母中的上式中，分母中的 sr 項表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有項表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有 r 重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。根個積分環(huán)節(jié)。根據(jù)據(jù) r=0，1，2，等不同數(shù)值，分別稱作等不同數(shù)值

42、，分別稱作0型、型、I型、型、型、型、系統(tǒng)。系統(tǒng)。 自動控制理論已經(jīng)證明，自動控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而而型和型和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。型以上的系統(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，因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多多選用選用I型和型和II型系統(tǒng)型系統(tǒng)。1. 典型典型I型系統(tǒng)型系統(tǒng)n結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) ) 1()(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。（3-9）O)()(1lg20lg20lg2011lg201lg20lg20)(2dBTKTjjKL開環(huán)對數(shù)頻率特性開環(huán)

43、對數(shù)頻率特性)(90)(Tarctgn性能特性性能特性 典型的典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對數(shù)幅頻特性的型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對數(shù)幅頻特性的中頻段以中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 線，只要線，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，即定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量，即選擇參數(shù)選擇參數(shù)滿足滿足 T1c1cT或于是，相角穩(wěn)定裕度 45arctg90arctg90180ccTT2. 典型典型型系統(tǒng)型系統(tǒng)n結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) ) 1() 1()(2TsssKsW)(sR)(sC) 1()

44、 1(2TsssK（3-10）n開環(huán)對數(shù)頻率特性開環(huán)對數(shù)頻率特性O(shè)n 性能特性性能特性 典型的典型的II型系統(tǒng)也是以型系統(tǒng)也是以 20dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越零分貝線。由于分母中零分貝線。由于分母中 s2 項對應(yīng)的相頻特性是項對應(yīng)的相頻特性是 180，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)（個比例微分環(huán)節(jié)（ s +1），是為了把相頻特性抬），是為了把相頻特性抬到到 180線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)應(yīng)選擇選擇參數(shù)參數(shù)滿足滿足 T11cT或 且 比 T 大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。3.3.3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指

45、標(biāo) 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括：自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括： 跟隨性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo) 系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts圖3-12 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)1. 跟隨性能指標(biāo)： 在給定信號或參考輸入信號的作用下，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系統(tǒng)輸出量的變化情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)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有標(biāo)有ntr 上升時間上升時間n 超調(diào)量超調(diào)量nts 調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指

46、標(biāo)突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)圖3-13 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb2. 抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有n Cmax 動態(tài)降落動態(tài)降落ntv 恢復(fù)時間恢復(fù)時間 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾一般來說，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。隨性能為主。3.3.4 典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 典型典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式（型系統(tǒng)的

47、開環(huán)傳遞函數(shù)如式（3-9）所示，它包含兩個參數(shù)：開環(huán)增益所示，它包含兩個參數(shù)：開環(huán)增益 K 和時和時間常數(shù)間常數(shù) T 。其中，時間常數(shù)。其中，時間常數(shù) T 在實際系統(tǒng)在實際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，能夠由調(diào)中往往是控制對象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益節(jié)器改變的只有開環(huán)增益 K ，也就是說，也就是說，K 是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計時，需要按照是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計時，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)性能指標(biāo)選擇參數(shù) K 的大小。的大小。 K 與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關(guān)系與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關(guān)系 圖圖3-13繪出了在不同繪出了在不同 K 值時典型值時典型 I 型系統(tǒng)的型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性，

48、箭頭表示開環(huán)對數(shù)頻率特性，箭頭表示K值增大時特性值增大時特性變化的方向。變化的方向。 K 與截止頻率與截止頻率 c 的關(guān)系的關(guān)系 當(dāng)當(dāng) c 1 / T時，特性以時，特性以20dB/dec斜率穿斜率穿越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知中的特性可知cclg20) 1lg(lg20lg20K所以 K = c （當(dāng) c 時） T1(2-12) 式（式（3-12）表明，）表明，K 值越大，截止頻率值越大，截止頻率 c 也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度度 = 90 arctg cT 越小，這也說明快速越小，這也說明快速

49、性與穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù)性與穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù) K時，須在二者之間取折衷。時，須在二者之間取折衷。 下面將用數(shù)字定量地表示下面將用數(shù)字定量地表示 K 值與各項性值與各項性能指標(biāo)之間的關(guān)系。能指標(biāo)之間的關(guān)系。 表表3-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號輸入信號階躍輸入階躍輸入斜坡輸入斜坡輸入加速度輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 0v0 / K 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR1. 典型典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 （1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

50、跟隨性能指標(biāo)可用不同標(biāo)可用不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 由表可見：由表可見：n在階躍輸入下的在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；n但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與 K 值成反比；值成反比；n在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為 。 因此，因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。的隨動系統(tǒng)。（2）動態(tài)跟隨性能指標(biāo)）動態(tài)跟隨性能指標(biāo)n閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型 I 型系統(tǒng)是一種二階型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為系統(tǒng)，

51、其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（3-13） 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)。nK、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系 TKnKT121T21n(3-15) (3-16) (3-17) 且有 n二階系統(tǒng)的性質(zhì)二階系統(tǒng)的性質(zhì)l當(dāng)當(dāng) 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，蕩特性，l當(dāng)當(dāng) 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單調(diào)特性；調(diào)特性；l當(dāng)當(dāng) = 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。時，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

52、慢，所以一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)計成欠阻尼狀態(tài)，即般常把系統(tǒng)設(shè)計成欠阻尼狀態(tài)，即 0 1 由于在典由于在典 I 系統(tǒng)中系統(tǒng)中 KT 0.5。因此在典型。因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取型系統(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)計算公式下的階躍響應(yīng)動態(tài)指標(biāo)計算公式 15 . 0(3-18) n性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 %100e%)1/(2)arccos(122rTt(3-19) (3-20) (3-21) 2np1t超調(diào)量 上升時間 峰值時間 表3-2 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域

53、指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 （ 與KT的關(guān)系服從于式3-16） 具體選擇參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參具體選擇參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。數(shù)以滿足性能指標(biāo)。參數(shù)關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超調(diào)量超調(diào)量 上升時間上升時間 tr峰值時間峰值時間 tp 相角穩(wěn)定裕度相角穩(wěn)定裕度 截止頻率截止頻率 c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 %

54、2.4T3.2T 51.8 0.786/T2. 典型典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 圖圖3-15a是在擾動是在擾動 F 作用下的典型作用下的典型 I 型系型系統(tǒng)，統(tǒng)，其中，其中，W1(s)是擾動作用點(diǎn)前面部分的是擾動作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù)，后面部分是傳遞函數(shù)，后面部分是W2(s) ，于是，于是 只討論抗擾性能時，令輸入作用只討論抗擾性能時，令輸入作用 R = 0，得到圖得到圖2-15b所示的等效結(jié)構(gòu)圖。所示的等效結(jié)構(gòu)圖。 ) 1()()()(21TssKsWsWsW(3-25) 圖圖3-15 擾動作用下的典型擾動作用下的典型I型系統(tǒng)型系統(tǒng))a)b0)(sR

55、)(2sW)(1sW)(sF)()(sCsC)(sN)(11sW)(2sW)(sC典型I型系統(tǒng) 由于抗擾性能與由于抗擾性能與 W1(s) 有關(guān)，因此抗擾有關(guān)，因此抗擾性能指標(biāo)也不定，隨著擾動點(diǎn)的變化而變性能指標(biāo)也不定，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)，分化。在此，我們針對常用的調(diào)速系統(tǒng)，分析圖析圖3-16的一種情況，其他情況可仿此處的一種情況，其他情況可仿此處理。經(jīng)過一系列計算可得到表理。經(jīng)過一系列計算可得到表 3-3 所示的所示的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.

56、0tv / T14.721.728.730.4表表3-3 典型典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系(控制結(jié)構(gòu)和擾動作用點(diǎn)如圖3-15所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5) n 分析結(jié)果：分析結(jié)果： 由表由表3-3中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復(fù)時間卻拖得較長小，但恢復(fù)時間卻拖得較長。3.3.5 典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 n可選參數(shù)：可選參數(shù)： 在典型在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式數(shù)式(3-10)中，與典型中，與典型 I 型系

57、統(tǒng)相仿，時間型系統(tǒng)相仿，時間常數(shù)常數(shù)T也是控制對象固有的。所不同的是，也是控制對象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個：待定的參數(shù)有兩個： K 和和 ，這就增加了，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。 為了分析方便起見，引入一個新的變量為了分析方便起見，引入一個新的變量 (圖圖3-16)，令，令 12Th(3-32) 典型典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性型系統(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3-16 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n中頻寬中頻寬h 由圖可見，由

58、圖可見，h 是斜率為是斜率為20dB/dec的中的中頻段的寬度（對數(shù)坐標(biāo)），稱作頻段的寬度（對數(shù)坐標(biāo)），稱作“中頻中頻寬寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此 h 值是值是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。一個很關(guān)鍵的參數(shù)。 只要按照動態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了只要按照動態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以代入這兩個公式計算值，就可以代入這兩個公式計算K 和和 ，并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 表表35 II型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號輸入信號階躍輸入階躍輸入斜

59、坡輸入斜坡輸入加速度輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于表誤差列于表3-5中中 1. 典型典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 由表可知：由表可知： n在階躍和斜坡輸入下，在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無差；均無差；n加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成成反比。反比。表表3-6 典型典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按（按Mrmin準(zhǔn)則確定

60、關(guān)系時）準(zhǔn)則確定關(guān)系時） h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.45 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1（2）動態(tài)跟隨性能指標(biāo) 圖圖3-17b 典型典型II型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖+ ) 1() 1(1TsshTsKsK2)(sF)(sC0)(1sW- )(2sWn抗擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗擾系統(tǒng)結(jié)