運(yùn)動(dòng)控制章節(jié)二PPT精選文檔

1、運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制自動(dòng)化教研室自動(dòng)化教研室屈薇薇屈薇薇1知識(shí)回顧知識(shí)回顧開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性軟閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（P）堵轉(zhuǎn)電流過大 ？加電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)有靜差轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)（PI）啟動(dòng)波形不夠理想IdLntIdOIdmIdcrIdLntIdOIdm2問題問題當(dāng)接到命令后，在機(jī)械強(qiáng)度、炮兵身體的承受能力和電動(dòng)機(jī)過載能力等條件允許的情況下，以最短的時(shí)間起動(dòng)到最高速dndt越大越好min,dndndndndtdtdtdt最大允許機(jī)械強(qiáng)度允許的最大值電樞電流允許的最大值人體生理允許的最大值要想起動(dòng)時(shí)間最短，必須在整個(gè)起動(dòng)期間內(nèi)保持=constantdndndtdt最大允許3(IdL為負(fù)載電流； 為電機(jī)額定勵(lì)

2、磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Nm/A)；電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩，(Id為電樞電流);：包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)dmeICT dLmLICT emCC30dtdnGDTTLe3752GD2 ：電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量(Nm2) .dtdnCGDIImdLd3752dmdII充分利用電機(jī)過載能力：充分利用電機(jī)過載能力： 保證在整個(gè)起動(dòng)期間電樞電流Id等于一個(gè)適當(dāng)?shù)脑试S值不變，就能夠?qū)崿F(xiàn)最短時(shí)間起動(dòng)的問題ntIdwnmaxdIdIn,dLI過渡穩(wěn)態(tài)4 僅考慮了靜態(tài)性能，沒考慮動(dòng)態(tài)性能，不適合對系統(tǒng)快速性要求較高的場合。 單閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、電流共

3、用一個(gè)調(diào)節(jié)器，無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性 解決辦法： 將電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器分開，分別用兩個(gè)調(diào)節(jié)器； 轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定。5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)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 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(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。p轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性；p雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析；p調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法；p按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器

4、p弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。6轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)電流環(huán)內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)外環(huán)*nUASRACR+-+-nU*iU-iUcUVdIMTGTAnInUiUdUnUPE在一個(gè)控制系統(tǒng)中，如果有多個(gè)被反饋的物理量需要構(gòu)造閉環(huán)，而且這些被反饋的物理量是同一個(gè)物理量所產(chǎn)生，那么延遲時(shí)間最短的那個(gè)物理量的反饋環(huán)建在最里面，延遲時(shí)間最長的那個(gè)物理量的反饋環(huán)建在最外面。ASRASR的輸出電壓的輸出電壓U Ui i* *是是ACRACR的電流給定信號，其限幅值的電流給定信號，其限幅值U Uimim為最大電流給為最大電

5、流給定值，定值，ASRASR的限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對最的限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。大加速度的需要。ACRACR的輸出電壓限幅值的輸出電壓限幅值U Ucmcm，表示對最小角的限制，也表示，表示對最小角的限制，也表示對電力電對電力電子變換器輸出子變換器輸出電壓的限制。電壓的限制。ASR：在啟動(dòng)期間或輸入給定信號幅值過大時(shí)產(chǎn)生飽和，在其他期間不應(yīng)產(chǎn)生飽和。ASR的飽和隔絕了外環(huán)對內(nèi)環(huán)的干擾，使系統(tǒng)在起動(dòng)期間表現(xiàn)為僅有一個(gè)電流環(huán)的特點(diǎn)，達(dá)到在起動(dòng)期間恒流起動(dòng)的目的。ACR：在任何時(shí)間內(nèi)都不能產(chǎn)生飽和7系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電

6、路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMVRP1UnU*iLMMTGUPE8n當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)，ASR、ACR均不飽和，其輸入偏差電壓均為零。轉(zhuǎn)速不轉(zhuǎn)速不變變， 。雙雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 dmdIIdmimdIUI*0*nnUUnndiiIUU*0*nUnn對于靜特性來說，有兩種情況 (穩(wěn)態(tài)時(shí))n當(dāng)調(diào)節(jié)器ASR飽和時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，電流電流不變不變。ASR不飽和(CA段 )ASR飽和(AB段)n 當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出U

7、im*，這時(shí)，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(dòng)保護(hù)。n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。9 穩(wěn)態(tài)時(shí) ：兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和（輸入偏差為零，偏差的積分使調(diào)節(jié)器 有恒定的電壓輸出，輸出沒有達(dá)到飽和值） 雙雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 ASR飽和時(shí)飽和時(shí) : U*i = U*im， dm*imdIUImax*nmnUdm*imIU反饋系數(shù)： 決定決定轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速由*0* 0nnnnUnnUUU決決定定由由dlidldiiiIUIIUUU* 0*0nedleddUCRInCRIU*0*(,)ddlencsscd

8、ndlUI RC UUKKUnIUI控制電壓的大小同時(shí)取決于 和或10 PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的輸出量在的輸出量在動(dòng)態(tài)過程動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到中決定于輸入量的積分，到達(dá)達(dá)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由時(shí)，輸入為零，輸出的穩(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。它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。穩(wěn)態(tài)時(shí)：穩(wěn)態(tài)時(shí)： P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。 diIU*ACR的輸出： sdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUUASR的輸出： 雙環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：11雙閉

9、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中已知數(shù)據(jù)為：電動(dòng)機(jī)：UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，電樞回路總電阻R=1。設(shè)Unm*=Uim*=Ucm=10V，電樞回路最大電流Idm=40A，Ks=40，ASR與ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。試求：（1）電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。（2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的Ud，Ui*，Ui和Uc值。例題解：（1）電流反饋系數(shù) =0.25V/A， 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =0.01V.min/r。（2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，看穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)速為0，ASR飽和，Ui*= Uim*=10V。E為0，Ud0-IdR=0，此時(shí)Id=Idm=40A，R=1所以 Ud=40VKs=

10、40，Uc=1VUi= Idm=10V。12雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值分別應(yīng)按什么要求整定？解：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值按最大電流Idm和電流反饋系數(shù)整定。例題例題sdmecKRInCUNdmimIU*（2）電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值應(yīng)按下式整定，并保證最小控制角的限制。13雙雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型WASR(s)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WACR(s)：電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(n(s)U*n (s)IdL (s) Uc(s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s

11、2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E直流電機(jī)14直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tms11)()()(0ddsTRsEsUsIln(s) 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)IdL 0Edt

12、dILRIUdd0d主電路電壓的微分方程電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程15具有具有限幅輸出的限幅輸出的PIPI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng) v分三種情況分析分三種情況分析PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(1)偏差信號偏差信號U是階躍信號時(shí)是階躍信號時(shí)(2)偏差信號偏差信號U最初為突加，然后隨著輸出最初為突加，然后隨著輸出Uout的增長而緩慢降低時(shí)的增長而緩慢降低時(shí)(3)偏差信號偏差信號U 最初為突加，然后隨著輸出最初為突加，然后隨著輸出Uout的迅速增長而急劇下降時(shí)的迅速增長而急劇下降時(shí)采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖: 對調(diào)速系統(tǒng)而言，Uin為恒值。PI調(diào)節(jié)器輸出Uc，由比例部

13、分Ucp和積分部分Uci組成，即UdtUKUpipic1K 16v 圖圖(a)：偏差信號：偏差信號U是階躍是階躍信號信號/cpipiUKUKU t(1)cmmipUtKUv 圖圖(b)：偏差信號：偏差信號U最初為突加，然后隨著輸出最初為突加，然后隨著輸出Uout的增長而緩慢降低時(shí)的增長而緩慢降低時(shí)被控對象的慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。系統(tǒng)的輸出Uout緩慢上升，U緩慢下降。Uc的比例部分Ucp隨著U的下降而下降，Uc的積分部分Uci會(huì)因U 衰減慢、積累時(shí)間長而不斷增大，Uc在U衰減到零以前達(dá)限幅值。v 圖圖(c)：偏差信號：偏差信號U 最初為突加，然后隨著輸出最初為突加，然后隨著輸

14、出Uout的迅速增長而急劇下降的迅速增長而急劇下降時(shí)時(shí)當(dāng)被控對象的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，U因Uout的迅速增長而急劇下降，Ucp衰減很快。Uci仍使Uc增長，但U衰減過快， U下降至零時(shí)Uc未達(dá)限幅值Ucm。此時(shí)調(diào)節(jié)器不飽和，Uc=Uci IdL,電磁轉(zhuǎn)矩Te大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，因而轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。在t3-t4區(qū)間內(nèi)，電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下開始減速，Id IdL ，直到進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過程。 在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。

15、22雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程特點(diǎn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程特點(diǎn)v飽和非線性控制飽和非線性控制（1）當(dāng)ASR飽和時(shí)，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)；（2）當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（3）從控制觀點(diǎn)看，電流轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)典型的變結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，應(yīng)采用分段線性化的方法來處理。v轉(zhuǎn)速超調(diào)轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)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)， ASR 的輸入偏差電壓 Un 為負(fù)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)。v準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)

16、控制 起動(dòng)過程的主要階段是恒流升速階段。即第階段。其特征是在ASR的飽和非線性控制作用下使電流保持恒定。一般選擇該電流恒定值為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。該階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱：時(shí)間最優(yōu)控制。但是，由于起動(dòng)過程的第、階段電流不能突變，整個(gè)起動(dòng)過程與理想快速起動(dòng)過程相比還有一定差距，不過這兩段時(shí)間很短只占全部起動(dòng)時(shí)間的很小部分，因此雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過程。采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。注意注意：對于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)

17、控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 23動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E-IdLUd 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)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(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)

18、，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)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。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。24ASR和和ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用v ASR的作用的作用（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(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。v ACR的作用的作用（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)

19、電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。25例題例題v 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器ASR、ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)ASR輸出達(dá)到Uim*=8V時(shí)，主電路電流達(dá)到最大電流80A。當(dāng)負(fù)載電路由40A增加到70A時(shí)，試問：（1）Ui*應(yīng)如何變化？（2）Uc應(yīng)如何變化？（3）Uc值由哪些條件決定？26調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-O用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)

20、節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。電動(dòng)機(jī)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置：按照負(fù)載的工藝要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流反饋系統(tǒng)：通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)：？27工程設(shè)計(jì)方法工程設(shè)計(jì)方法 直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)，包括對某些簡單的典型低階系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，找出適合于給定性能指標(biāo)的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過程簡便、明確且具有一定的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)方法的原則 ：（1）概念

21、清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計(jì)算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代調(diào)速控制系統(tǒng)，除了電機(jī)之外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成運(yùn)算放大器或者數(shù)字控制系統(tǒng)組成，可以精確地實(shí)現(xiàn)PID控制，因此有可能把多種多樣的控制系統(tǒng)簡化和近似為典型的低階系統(tǒng)，把典型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性當(dāng)做預(yù)期的特性。弄清楚這些典型系統(tǒng)參數(shù)和動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系，編制成簡單的公式和圖表，利用這些圖表和公式設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，大大簡化設(shè)計(jì)過程。28典型系統(tǒng)典型系統(tǒng))(sWR(s)C(s)n1iirm1

22、jj) 1() 1()(sTssKsWsr ：表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有 r 重極點(diǎn)，即系統(tǒng)含有 r 個(gè)積分環(huán)節(jié)。開環(huán)傳遞函數(shù)) 1()(TssKsWr=1)(sR)1(TssK)(sCT 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。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 T1c45arctg90arctg90180ccTT29典型系統(tǒng)典型系統(tǒng)r=2) 1() 1()(2TsssKsW)(sR)(sC) 1() 1(2TsssKT 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。典型的II

23、型系統(tǒng)也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分貝線。由于分母中 s2 項(xiàng)對應(yīng)的相頻特性是 180，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)（s +1），是為了把相頻特性抬到 180線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足 T11c 比 T 大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。cccc180180arctgarctgarctgarctgTT T30控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)工程設(shè)計(jì)的一般步驟如下：工程設(shè)計(jì)的一般步驟如下：（1）根據(jù)被控對象和所要求的性能指標(biāo)確定預(yù)期的典型系統(tǒng)（典或典系統(tǒng)）；（2）根據(jù)典型系統(tǒng)，首先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，然后確定調(diào)節(jié)器的工程最佳參數(shù)；（3）計(jì)算系統(tǒng)電

24、路參數(shù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)在給定信號R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述對擾動(dòng)輸入信號的抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量F以后，輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程31跟隨性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo)5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts圖2-11 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo) 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(biāo)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有tr 上升時(shí)間 超調(diào)量ts 調(diào)節(jié)時(shí)間上升時(shí)間上升時(shí)間tr 系統(tǒng)輸出量C(t)從零開始第一

25、次上升到穩(wěn)態(tài)值C所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。超調(diào)量超調(diào)量 輸出量超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫超調(diào)量。%100%maxCCC 超調(diào)量反映系統(tǒng)相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性越好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越平穩(wěn)。調(diào)整時(shí)間調(diào)整時(shí)間ts 指系統(tǒng)對階躍響應(yīng)的輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C之差達(dá)到且不再超出5%或2%的允許誤差范圍內(nèi)所需的最短時(shí)間。調(diào)整時(shí)間表示系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)過程快慢。32抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有Cmax 動(dòng)態(tài)降落tv 恢復(fù)時(shí)間動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)降落降落Cm

26、ax 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由階躍擾動(dòng)所引起的輸出量最大降落值Cmax叫動(dòng)態(tài)降落，一般用Cmax占輸出量原穩(wěn)態(tài)值C的百分?jǐn)?shù)來表示： Cmax / C 100%。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降落稱為動(dòng)態(tài)速降 nmax恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間tv 從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，且與新的穩(wěn)態(tài)值C2之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量Cb的5%或2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tv。 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。33典型典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系) 1()(TssKsW)(sR)1(TssK)(sCT 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；K

27、系統(tǒng)的開環(huán)增益。cclg20) 1lg(lg20lg20KK = c （當(dāng) c 1/T 時(shí)） K 值越大，截止頻率c 也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度 = 90 arctgcT 越小，這也說明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù) K時(shí)，須在二者之間取折衷。輸入信號階躍輸入R(t)=R0斜坡輸入R(t)=vot加速度輸入R(t)=a0t2/2穩(wěn)態(tài)誤差 0v0 / KI型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差I(lǐng)型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。34典型典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 2nn22ncl2)()(

28、)(sssRsCsW)( sR)1(TssK)( sC21( )( )11( )11clKKs TsW sTWsKKW ssss TsTTn 無阻尼時(shí)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)。TKnKT121T21nl當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，l當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單調(diào)特性；l當(dāng) = 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。 由于過阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即 0 0.25s，則，則K=？，？， =？37擾動(dòng)作用下的典型擾動(dòng)作用下的典型I型系統(tǒng)型系統(tǒng)0)(sR)(2sW)(1sW)(sF)()(sCsC)(sN)(11sW

29、( )Ws)(sC典型I型系統(tǒng) 121KW s WsW ss Ts11(1)piKss122sTK-+11dKT sW1(s) W2(s) 11F sW sC sW sW S222(1)( )(1)()FK TsC sT sTssK FF ss38221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5典型典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系當(dāng)被控對象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落Cmax較小，但恢復(fù)時(shí)間

30、tv卻拖得較長。121TmT為控制對象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù)的比值超調(diào)量較大，上升時(shí)間較短的系統(tǒng)，其抗擾性能越好；而超調(diào)量較小，上升時(shí)間較長的系統(tǒng)，其擾動(dòng)響應(yīng)的恢復(fù)時(shí)間也長。這就是典系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及它們之間的矛盾所在，這種矛盾在控制對象的時(shí)間常數(shù)T2較大時(shí)尤為突出。二階“最佳”系統(tǒng)的跟隨性能較好，適用于隨動(dòng)系統(tǒng)。若以良好的抗擾性能為主，則應(yīng)將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成典系統(tǒng)。 39) 1()(TssKsW)(sR)1(TssK)(sC) 1() 1()(2TsssKsW)(sR)(sC)1()1(2TsssK待定參數(shù)： K、T K、T、21hTdBL /0 11T12hKlg20-

31、20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB線，而且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。1cKh、c40最小最小諧振峰值（諧振峰值（Mrmin）準(zhǔn)則）準(zhǔn)則32(1)( )K hTsW sTssKhTsK2222222221( ,)()()Kh TMKKKhTMrmin準(zhǔn)則是以閉環(huán)幅頻特性的諧振峰值Mr最小為準(zhǔn)則，確定典系統(tǒng)的開環(huán)增益K和微分時(shí)間常數(shù),也稱為振蕩指標(biāo)法.典系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為以、k為變量的閉環(huán)幅頻特性為選取不同的值，可繪出相應(yīng)的幅頻特性曲線M()，不同K值對應(yīng)的每條M()曲線有不同的諧振峰

32、值，將各峰值連起來的曲線呈馬鞍形，其中具有最小諧振峰值Mrmin的幅頻特性曲線對應(yīng)于Km。若設(shè)計(jì)典系統(tǒng)時(shí)選取K= Km ，則系統(tǒng)具有最小諧振峰值。這就是Mrmin的基本思想。( , )( , )0,0MkMkk2212mhKh T1mhTrmin11hMh112cKhKKhThT可得最佳頻比關(guān)系式為22,1chh211hc1211 11()22cT41閉環(huán)幅頻特性峰值閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則最小準(zhǔn)則h345678910Mmin21.671.51.41.331.291.251.222/c1.51.61.671.711.751.781.801.82c/12.02.53.03.54.04.55.

33、05.5不同h值下的Mrmin 及最佳頻比加大中頻寬h，可減小Mrmin，從而降低超調(diào)量，但同時(shí)c也將減小，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。2212hKh ThT42穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)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)誤差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。43動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)跟隨性能跟隨性能以中頻寬h為參容量的Mrmin典系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為其閉環(huán)傳遞函數(shù)為2222(1)11( )(1)2(1)mKhTshhT

34、sW ss Tsh Ts Ts223322( )1( )1( )22111clW shTsWsW shhT sT shTshh 在單位階躍輸入下，系統(tǒng)輸出量的象函數(shù)為 223 3221( )22(1)11hTsC shhsT sT shTshh clC sWsR s 1R ss34567891052.643.637.633.229.827.225.023.312.111.69.510.411.312.213.214.22.42.62.83.03.13.23.33.4振蕩振蕩次數(shù)次數(shù) 32211111h%(5% )st Trt T由于過渡過程的衰減震蕩性質(zhì)，調(diào)整時(shí)間ts不是隨著h而單調(diào)變化，而是

35、在h=5時(shí)為最短；h越大，超調(diào)量越小?？偟膩碚f，典II系統(tǒng)的超調(diào)量都比典I型系統(tǒng)大，而快速性要好44動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)+ )1()1(1TsshTsKsK2)(sF)(sC0)(1sW- )(2sW 22222233222(1)1( )122111hFK TTsWsFhC ssW shhT sT shTshh FF ss2212hKh T2222233222(1)1( )22111hFK TTshC shhT sT shTshh45典型典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系一般來說， h 值越小， Cmax/Cb 也越小， tm 和 tv 都

36、短，因而抗擾性能越好，這個(gè)趨勢與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與 h 值的關(guān)系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。 但是，當(dāng) h 5 時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加， h 再小，恢復(fù)時(shí)間 tv 反而拖長了。 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85Cb = 2FK2T46兩種系統(tǒng)兩種系統(tǒng)比較比較比較分析的結(jié)果可以看出，

37、典型比較分析的結(jié)果可以看出，典型I型系統(tǒng)和典型型系統(tǒng)和典型型型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動(dòng)態(tài)性能中，系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動(dòng)態(tài)性能中，v典型典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，抗擾性能稍差，v典型典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。較好。 這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。47調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理系統(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

38、本思路：基本思路：將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。選擇依據(jù)：選擇依據(jù)：典型典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，典型但抗擾性能稍差，典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好?？箶_性能卻比較好。 48高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理處理實(shí)際系統(tǒng)中往往有若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，例如晶閘管變流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)，電流和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)等形成的小慣性環(huán)節(jié)。只要這些小慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)角頻率都遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的截止頻率wc，就可把它們等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，且不會(huì)引起過大的設(shè)計(jì)誤差。

39、例如，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12131,TT TT T當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和。 1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT近似條件32c31TT23423411(1)(1)(1)()1T sT sT sTTT s近似條件c233442113T TT TT T當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件下，可以將其近似看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各視覺常數(shù)之和49高階系統(tǒng)的降階近似處理高階系統(tǒng)的降階近似處理32(

40、 )1KW sasbscs頻率特性cjKacjbKjcjbjaK1)()1 (1)()()(22232110b210Ca110b10Caacbc,1min31bca1)(csKsW32( )1KW sasbscs50低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時(shí)，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié)，即 11TsTs1近似條件 T3c) 1() 1()(221bsTsTsKsW) 1)(1() 1()(21asTsTssKsWc低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b 51校正成典校正成典系統(tǒng)時(shí)調(diào)節(jié)器的選擇系統(tǒng)時(shí)調(diào)節(jié)器的選擇若被控對象由一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性環(huán)

41、節(jié)構(gòu)成，則其傳遞函數(shù)為1( )(1)(1)dobjKWsTsTs其中T1T，Kd為被控對象的放大系數(shù)。為了校正成典系統(tǒng)，應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，用調(diào)節(jié)器的微分項(xiàng)對消掉被控對象的大慣性環(huán)節(jié)，使校正后的系統(tǒng)響應(yīng)更快些。 111pipisWsK相應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為1111( )(1)(1)(1)dpiKsKW sKsTsTssTs式中K=KpiKd/ ，其大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求確定。 近似地，若要將傳遞函數(shù)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，或一個(gè)積分環(huán)節(jié)加一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，或兩個(gè)大慣性環(huán)節(jié)加一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)的被控對象校正成典系統(tǒng)，則應(yīng)分別采用I調(diào)節(jié)器，P調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器，52校正成典校正成典系統(tǒng)時(shí)調(diào)節(jié)器的選擇系統(tǒng)時(shí)調(diào)節(jié)

42、器的選擇 若被控對象由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為( )(1)dobjKWss Ts為了校正成典系統(tǒng)，應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為11211(1)( )(1)(1)dpiKsKsW sKssTss Ts11/ ,PdK K KhT 若被控對象由一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群組成，則應(yīng)先將大慣性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)，并選擇PI調(diào)節(jié)器，將系統(tǒng)校正典系統(tǒng)，且系統(tǒng)的c應(yīng)同時(shí)滿足大慣性環(huán)節(jié)和小慣性群的近似條件；若被控對象由一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)加一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)組成，則應(yīng)選擇PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行串聯(lián)校正。53校正成典型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇校正成典型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇控制對

43、象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合) 1)(1)(1(3212sTsTsTK) 1)(1(212sTsTKT1、T2 T312TsK) 1(2TssK) 1)(1)(1(3212sTsTsTK321,TTT ssK11pi) 1(sKipKss) 1)(1(21ssK11pi) 1(11T2211,TT3211,TTTTT1 T2控制對象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合2(1 )KsT s 21212)1)(1(TTsTsTK相近21212,)1)(1(TTsTsTsK都很小21212,)1)(1(TTsTsTsK3213212)1)(1)(1(TTTsTsTsTK、認(rèn)為： ssK11pi) 1(ssK11pi1ss) 1)(1

44、(21hT1認(rèn)為： 21hTsTTs11111）（或）（或122211 ThThThT)(211TTh)(321TThsTsT11111ssK11pi1ssK11pi154按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)

45、速濾波和兩個(gè)給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中T0i 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)T0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kuò)展。首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。濾波給定濾波濾波給定濾波55電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)p 忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響在實(shí)際系統(tǒng)中，由于電磁時(shí)間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，因而也比反電勢E的變化快得多。因此，反電勢對電流環(huán)的影響可以看作對恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)

46、的一種變化緩慢的擾動(dòng)，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認(rèn)為E基本不變ci：電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率13cimlT TUd0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn56電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡簡p 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。

47、p 小慣性環(huán)節(jié)近似處理電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對象由三個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其中晶閘管變流裝置滯后時(shí)間常數(shù)和電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)都比電磁時(shí)間常數(shù)小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，將二者等效成一個(gè)時(shí)間常數(shù)+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1soiiTTT其近似條件為soiciTT131+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s) (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+

48、 T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn57電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇：l從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。l從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s) (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)ssKsWiiiAC

49、R) 1()(Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 111iisiliKsKRW ssT sT slTiK I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)RKKKisiI10L/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi 1KW ss Ts58電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)13cisT13cimlT T113cis oiTT假設(shè)條件在一般情況下，希望電流超調(diào)量i 5%，由表2-2，可選 =0.707，KI Ti =0.5，則iciI21TKlTiRKKKisiI)(22isisiTTKRTKRTKll U*i 為電流給定電壓； Id 為電流負(fù)反饋電壓；

50、 Uc 電力電子變換器的控制電壓。0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT 59例題例題某晶閘管整流裝置供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，其滯后時(shí)間常數(shù)為0.0017s，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動(dòng)機(jī)：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r,允許過載倍數(shù)=1.5； 晶閘管整流裝置：Ks=50 時(shí)間常數(shù)：Tl=0.03s, Tm=0.18S 電樞回路總電阻：R=0.5 電流反饋系數(shù)=0.05V/A(10V/1.5IN)，電流濾波時(shí)間常數(shù)為0.002s設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量i=5%.60例題講解例題講解1.確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)

51、間常數(shù)Ts=0.0017s，電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 （2-55）0.0037isoiTTTs2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)要求電流超調(diào)量i=5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流誤差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ssKsWiiiACR) 1()(3.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益，查表2-2，得0.03ilTs0.5IiK T 111iisiliKsKRW ssT sT s 1KW ss Ts10.50.5135.10.0037IiKsTsRKKKisiI135.1 0.03 0.51.01340 0.05IiisKRKK61例題講解例題講解4.檢驗(yàn)近似條件電

52、流截止頻率：（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件111196.133 0.0017cissTs13cisT13cimlT T113cis oiTT1135.1ciIKs（2）忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件1113340.820.180.03imlsT Tss （3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)處理?xiàng)l件11111180.8330.00170.002cis oisTTss 5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容，取R0=40k0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT 01.013 4040.52,40iiRK Rkkk 取30.03F0.75F,0.75F40 10iiiCR取3044 0.002F0.2F,0.

53、2F40 10oioiTCR取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%5%，滿足設(shè)計(jì)要求62轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)p電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。Iidcli2Iii*IiI(1)( )1( )11()( )/11Ks T sIsWsKTsss TKssUK作高階的降階處理：111)(IclisKsWiIcn31TK近似條件cn 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特 性的截止頻率考慮到輸入量應(yīng)為

54、U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為111)()()(Icli*idsKsWsUsII1 /11sKUi*(s)Id(s)雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。 63轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) T0ns+11 T0ns+1U*i(s)111sKI+-IdL (s)電流

55、環(huán)p 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使轉(zhuǎn)速環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)。n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) / Tns+1+-IdL (s)onIn1TKT近似條件13IcnonKT合并小時(shí)間常數(shù)Ton與1/KI，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng)) 1() 1()(2TsssKsWssKsWnnnASR) 1()(Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n

56、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 ) 1() 1() 1() 1()(n2mennnnmennnnsTsTCsRKsTsTCRssKsW令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為mennNTCRKK) 1() 1()(n2nNnsTssKsWn (s)+-U*n(s) 1() 1(2sTssKnnN64轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)n (s)+-U*n(s)/N2n(1)(1)nKss T snn hT2n2N21ThhKnmen2) 1(RThTChKmennNTCRKKssKsWnnnASR) 1()(一般地取h=5l U*n 為轉(zhuǎn)速給定電壓，l - n 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，l U*i 調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電

57、壓。 0nnRRK nnnCRon0on41CRT近似條件校驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后首先要校驗(yàn)系統(tǒng)的近似條件，對轉(zhuǎn)速環(huán)有：電流環(huán)等效簡化處理轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性群的近似處理13IcnonKTiIcn31TK65例題例題已知轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.007Vmin/r(10V/nN)，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)為0.01s。要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并教研轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足66例題講解例題講解1.確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：122 0.00370.0074iITssK0.01onTs10.00740.010.0174no

58、nITTsssK2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器) 1() 1()(2TsssKsWssKsWnnnASR) 1()() 1() 1() 1() 1()(n2mennnnmennnnsTsTCsRKsTsTCRssKsW3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，取h=5nn5 0.01740.087hTss轉(zhuǎn)速開環(huán)增益22N222n16396.422 25 0.0174hKssh Temnn(1)6 0.05 0.132 0.1811.722 5 0.007 0.5 0.0174hC TKh RT 67例題講解例題講解4.檢驗(yàn)近似條件13IcnonKTiIcn31TK轉(zhuǎn)速截止頻率111396.4 0.08734.5NcnNnKKss11Ii11135.163.7330.0037cnKssT1111 135.138.733 0.01IcnonKssT5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容，取R0=40k0nnRRK nnnCRon0on41CRT011.740