第3章_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

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)和和調(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 第第 3 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(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)。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)及其靜特性；n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；n調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法；n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n弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。內(nèi)容提要內(nèi)容提要3.1 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n問題的提出

2、第前一章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)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?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 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，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強(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(dòng)態(tài)波形。b) 理想的快速起動(dòng)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(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2.

3、理想的起動(dòng)過程IdLntIdOIdmIdcr 性能比較n帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程如圖 所示，起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長(zhǎng)。 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)）n理想起動(dòng)過程波形如圖，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。圖3-1 b) 理想的快速起動(dòng)過程3. 解決思路 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，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(gè)物理

4、量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)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(shí)現(xiàn)控制：n起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；n穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。 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)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)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(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-U

5、dIdUPEL-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(cè)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)構(gòu) 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電

6、壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。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(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。n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；n電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓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

7、測(cè)電路電流檢測(cè)電路 TA電流互感器TA3.1.2 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 存在兩種狀況：n飽和輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(hào)

8、使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。n不飽和輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，正如前一章中所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。 3. 系統(tǒng)靜特性實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示，圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdnomOnABC（1）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(gè)關(guān)系式可得 0*nnUn從而得到上圖靜特性的CA段。 (3-1) n

9、靜特性的水平特性 與此同時(shí)，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說， 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 一般都是大于額定電流 IdN 的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)，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(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm*imdIUI式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。(3-2) n 靜特性的垂直特性 式（

10、3-2）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 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(gè)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)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 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)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。 這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)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(shí)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(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上

11、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(jì)算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，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； 控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于 n 和 Id，或者說，同時(shí)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(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于

12、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(jì)算 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)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(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)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(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：nU*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；nU*im 為ASR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

13、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(dòng)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析本節(jié)提要n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型n起動(dòng)過程分析n動(dòng)態(tài)抗擾性能分析n轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。1. 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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

14、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 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(3.2.2 起動(dòng)過程分析起動(dòng)過程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)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?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于下圖。圖3-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1. 起動(dòng)過程 由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種

15、情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。 第I階段電流上升的階段（0 t1） n突加給定電壓 U*n 后，Id 上升，當(dāng) Id 小于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。n當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大， ASR很快進(jìn)入飽和，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)迫電流 Id 迅速上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第I階段（續(xù)）第 I 階段（續(xù)）n直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段

16、的結(jié)束。 在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第 II 階段恒流升速階段（t1 t2） n在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 II 階段（續(xù)）第 II 階段（續(xù)）n與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定。n當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器

17、時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id 應(yīng)略低于 Idm。第 II 階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動(dòng)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，在起動(dòng)過程中 ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） n當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im ，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。n轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流 I

18、dL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段（續(xù)）第 階段（續(xù)）n直到Id = IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段（續(xù)）n此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到穩(wěn)定，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。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段（續(xù)） 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，A

19、SR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)。 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(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （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） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制準(zhǔn)時(shí)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(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：n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)；n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)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了

20、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)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)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(dòng)機(jī)允許的最大電流，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。 這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)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

21、動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 3.2.3 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗負(fù)載擾動(dòng)IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)） 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電

22、網(wǎng)電壓擾動(dòng)UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E3. 對(duì)比分析n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。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(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。4. 分析結(jié)果 因此，

23、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。3.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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)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： 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(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。 （2）對(duì)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。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U*i （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)

24、電網(wǎng)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。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。返回目錄返回目錄3.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法3.3.0 問題的提出問題的提出n必要性： 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)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。問題的提出（續(xù)）n 可能性： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖

25、動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(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(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 n設(shè)計(jì)方法的原則 ：（1）概念清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡(jiǎn)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(jiǎn)單的計(jì)算公式；（5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。3.3.1 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路工程設(shè)計(jì)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(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。3.3.2 典型系

26、統(tǒng)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)都可表示為 (3-8)n1iirm1jj) 1() 1()(sTssKsW)(sWR(s)C(s) 上式中，分母中的 sr 項(xiàng)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 r 個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù) r=0，1，2，等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、型、系統(tǒng)。 自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型和型以上的系統(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，多選用I型和II型系統(tǒng)。1. 典型I型系統(tǒng)n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(shí)間常數(shù)； K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。（3-9）開

27、環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性O(shè)n性能特性 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)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 45arctg90arctg90180ccTT2. 典型型系統(tǒng)n結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) ) 1() 1()(2TsssKsW)(sR)(sC) 1() 1(2TsssK（3-10）n開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性O(shè)n 性能特性 典型的II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(duì)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

28、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 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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括： 跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo) 圖3-12 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)%100maxCCC上升時(shí)間 峰值時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間 超調(diào)量 1. 跟隨性能指標(biāo)：跟隨性能指標(biāo)：n以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，n此跟隨過程的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。n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2抗擾

29、性能指標(biāo)n當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低（或上升）的擾動(dòng)量F之后，輸出量由降低（或上升）到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的過渡過程就是一個(gè)抗擾過程。n常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。 圖3-13 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)降落 恢復(fù)時(shí)間 2. 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(dòng)的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有nCmax 動(dòng)態(tài)降落ntv 恢復(fù)時(shí)間 2抗擾性能指標(biāo)n當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低（或上升）的擾動(dòng)量F之后，輸出量由降低（或上升）到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的過渡過程就是一個(gè)抗擾過程。n抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。n常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢

30、復(fù)時(shí)間。Cmax 動(dòng)態(tài)降落 tv 恢復(fù)時(shí)間圖中的抗擾性能指標(biāo)意義如下圖中的抗擾性能指標(biāo)意義如下 ：n 動(dòng)態(tài)降落百分?jǐn)?shù)Cmax% 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，常用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C1的百分?jǐn)?shù)來表示。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% n 恢復(fù)時(shí)間tf 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tf，其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。 一般反饋控制系統(tǒng)的抗擾性能與跟隨性能之間存在一定矛盾，若超調(diào)量小，則調(diào)節(jié)時(shí)間大，恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，反之

31、亦然。 引入微分負(fù)反饋可進(jìn)一步改善系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾性能。引入負(fù)載觀測(cè)器可提高系統(tǒng)的抗擾性能。圖中的抗擾性能指標(biāo)意義如下圖中的抗擾性能指標(biāo)意義如下 （2-2）：）： 實(shí)際的控制系統(tǒng)對(duì)各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求各不相同。 通常，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)以跟隨性能為主。3.3.4 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 典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式（3-9）所示，它包含兩個(gè)參數(shù)：開環(huán)增益 K 和時(shí)間常數(shù) T 。其中，時(shí)間常數(shù) T 在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益 K ，也就是說，K 是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，

32、需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù) K 的大小。 K 與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系 圖3-13繪出了在不同 K 值時(shí)典型 I 型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，箭頭表示K值增大時(shí)特性變化的方向。 K 與截止頻率 c 的關(guān)系 當(dāng)c 1 / T時(shí)，特性以20dB/dec斜率穿越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知cclg20) 1lg(lg20lg20K所以 K = c （當(dāng) c 時(shí)） T1(3-12) 式（3-12）表明，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。 下面將用數(shù)字定量

33、地表示 K 值與各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。 表3-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差 0v0 / K0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR1. 典型I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)）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)可用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 由表可見：n在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無差的；n但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與 K 值成反比；n在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為 。 因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)n典型型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （3-13） 式中

34、， 自然振蕩角頻率； 阻尼比。n 1，欠阻尼的振蕩特性，n 1，過阻尼的單調(diào)特性；n = 1，臨界阻尼。 n過阻尼動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，一般把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼，即 0 1。222221) 1(1) 1()(1)()(nnnclssTKsTsTKTssKTssKsWsWsWTKnKT121nK、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系 TKnKT121T21n(3-14) (3-15) (3-16) 且有 由于在典 I 系統(tǒng)中 KT 0.5。因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取 下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式 15 . 0(3-17) 性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系n超調(diào)量 （3-18）n上

35、升時(shí)間 （3-19）n峰值時(shí)間 （3-20）n當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間在 、誤差帶為 的條件下可近似計(jì)算得 （3-21）n截止頻率（按準(zhǔn)確關(guān)系計(jì)算） （3-22）n相角穩(wěn)定裕度 （3-23）%100)1/(2e)arccos(122Ttr21npt9 . 0%5Ttns632124214nc21242142arctg表表3-2 典型典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 （ 與與KT的關(guān)系服從于式的關(guān)系服從于式3-16） 具體選擇參數(shù)時(shí)，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)。參數(shù)關(guān)系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超調(diào)量 上升時(shí)間 tr峰

36、值時(shí)間 tp 相角穩(wěn)定裕度 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 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T2. 典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系n影響到參數(shù)K的選擇的第二個(gè)因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系，n典型型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析它的抗擾性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是擾動(dòng)作用點(diǎn)，n某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)。圖3-14 電流環(huán)的在電壓擾動(dòng)作用

37、下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n電壓擾動(dòng)作用點(diǎn)前后各有一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，n 采用PI調(diào)節(jié)器 )(sWACRn在只討論抗擾性能時(shí)，令輸入變量R=0，n將輸出量即可寫成C，n此時(shí)圖a)變?yōu)閳Db)，其中圖3-15 電流環(huán)校正成一類典型型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (a)一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu) (b)等效結(jié)構(gòu)圖1/psKK KRK/2sTT 1lTT 22T圖a)中：n在階躍擾動(dòng)下， ，得到n在選定KT=0.5時(shí)， （3-24）n階躍擾動(dòng)后輸出變化量的動(dòng)態(tài)過程函數(shù)為 （3-25）n式中 為控制對(duì)象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù) 的比值。取不同m值，可計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程曲線。 sFsF)()(1() 1(11)()(1

38、)()(2222122212KsTssTTsFKTsKKssTFKsWsWsWsFsC) 122)(1() 1(2)(2222TssTsTTsTFKsC2sin2cos)1 ()1(1222)(2/2/222TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt121TTmn在計(jì)算抗擾性能指標(biāo)時(shí)，為了方便起見，輸出量的最大動(dòng)態(tài)降落Cmax用基準(zhǔn)值Cb的百分?jǐn)?shù)表示，n所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tm用時(shí)間常數(shù)T的倍數(shù)表示，n允許誤差帶為5%Cb時(shí)的恢復(fù)時(shí)間tv也用T的倍數(shù)表示。n取圖3-15b中開環(huán)系統(tǒng)輸出值作為基準(zhǔn)值，即Cb=Fk2 (3-26)221TTTTm51101201301%100maxbCC27.8%12

39、.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表3-3 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5 . 0KT2bCFKn 分析結(jié)果： 由表3-3中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng)。3.3.5 典型典型II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 n典型型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為n典型II型系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的，而待定的參數(shù)有兩個(gè)： K 和 。 定義中頻寬：n中頻寬表示了斜率為20dB/sec的中頻的寬度，是一個(gè)與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。) 1() 1()(2

40、TsssKsW12Th圖3-16典型型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (b)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 1=2=1、中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；2、截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；3、低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；4、高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系：n(3-27)n改變K相當(dāng)于使開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性上下平移，此特性與閉環(huán)系統(tǒng)的快速性有關(guān)。n系統(tǒng)相角穩(wěn)定裕度為n比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就越大。cK1Tccarctanarctann采用“振蕩指標(biāo)法”

41、中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。 (3-28) (3-29)n在確定了h之后，可由 求得 (3-30)由（2-27）有：(3-31)122hhc211hchT2222112121)1(21ThhhhThKc12Th表34 II型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)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（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于表3-5中 1. 典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 由表可知： n在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無差；n

42、加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)n按Mr最小準(zhǔn)則選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，典型型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為n系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) n當(dāng)R(t)為單位階躍函數(shù)時(shí)， ，則) 1(1)21() 1() 1()(2222TsshTsThhTsssKsW112121) 1(21) 1() 1(21)(1)()(22233222222hTssThhsThhhTshTsThhTsshTsThhsWsWsWclssR1)( 112121)(222332hTssThhsThhshTssC h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15

43、 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表3-5 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)(按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系) （數(shù)字仿真結(jié)果）綜合各項(xiàng)指標(biāo)，h=5時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性能較佳。(此表為調(diào)節(jié)器為線性狀態(tài)時(shí)情況，如考慮飽和，則計(jì)算見3.4.4圖3-17 轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù) )(sWcli2. 典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系圖3-18 典型型系統(tǒng)在一種擾

44、動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (a)一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu) n在擾動(dòng)作用點(diǎn)前后各有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，用 作為一個(gè)擾動(dòng)作用點(diǎn)之前的控制對(duì)象， 1TsKdn取 ， n于是（3-33） （3-32）hTKKKKKKdpi12111,/) 1() 1()(11TsshTsKsW圖3-18 典型型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖R(s)=0時(shí)的等效框圖 sKsW22)(n在階躍擾動(dòng)下， ,按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系 11212) 1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsC（3-34） Cb = 2FK2T （3-35） sFsF/)(取2T時(shí)間內(nèi)的輸出累加值作為基準(zhǔn)值 （控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作

45、用點(diǎn)如圖3-18所示，參數(shù)關(guān)系符合 準(zhǔn)則）minrM 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 25.85表3-6 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系n由表由表3-6中的數(shù)據(jù)可見，中的數(shù)據(jù)可見， 值越小，值越小， 也越小，也越小， 都短，因而抗擾性能越好。都短，因而抗擾性能越好。n但是，當(dāng)?shù)?，?dāng) 時(shí)，由于振蕩

46、次數(shù)的增加，時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加， 再小，再小， 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間 反而拖長(zhǎng)了。反而拖長(zhǎng)了。n 是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間節(jié)時(shí)間 最短的條件是一致的（見表最短的條件是一致的（見表3-5）。）。hbCC/maxmt5hhvt5hstn兩種系統(tǒng)比較 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)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動(dòng)態(tài)性能中，n典型典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)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，小，但抗擾性能稍差，n典型典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好能卻比較好。 這是設(shè)計(jì)時(shí)選

47、擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。3.3.6 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n基本思路: 將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對(duì)象 調(diào)節(jié)器 輸入輸出典型系統(tǒng) 輸入輸出n選擇規(guī)律： 幾種校正成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的控制對(duì)象和相應(yīng)的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)列于表 3-8和表3-9中，表中還給出了參數(shù)配合關(guān)系。有時(shí)僅靠 P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求，就不得不作一些近似處理，或者采用更復(fù)雜的控制規(guī)律。表3-8 校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇控制對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合) 1)

48、(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表3-9 校正成典型II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇控制對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合) 1(2TssK21212) 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(ssK

49、11pi1ss) 1)(1(21hT1認(rèn)為： 21hTsTTs11111）（或）（或122211 ThThThT)(211TTh)(321TThsTsT11111ssK11pi1ssK11pi12. 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n當(dāng)高頻段有多個(gè)小時(shí)間常數(shù)T1、T2、T3 的小慣性環(huán)節(jié)時(shí)，可以等效地用一個(gè)小時(shí)間常數(shù)T的慣性環(huán)節(jié)來代替。其等效時(shí)間常數(shù)為T=T1+T2+T3 +n考察一個(gè)有2個(gè)高頻段小慣性環(huán)節(jié)的開環(huán)傳遞函數(shù)n其中T1、T2為小時(shí)間常數(shù)。它的頻率特性為 （3-36）n近似處理后的近似傳遞函數(shù) ，其中T=T1+T2，它的頻率特性為 （3-37）) 1)(1()(21s

50、TsTsKsW)()1 (1) 1)(1(1)(2122121TTjTTTjTjjW) 1()( TssKsW)(1111)( 21TTjTjjWn近似相等的條件是 。n在工程計(jì)算中，一般允許有10%以內(nèi)的誤差， 近似條件可寫成 (3-38)n有三個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其近似處理的表達(dá)式是 (3-39)n近似的條件為 (3-40)1221TT2131TTc1)(1) 1)(1)(1(1321321sTTTsTsTsT133221131TTTTTTc圖3-19高頻段小慣性群近似處理對(duì)頻率特性的影響T=T1+T2（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理 上述小慣性群的近似處理實(shí)際上是高階系統(tǒng)降階處理的一種特例，它把多

51、階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié)。下面討論更一般的情況，即如何能忽略特征方程的高次項(xiàng)。以三階系統(tǒng)為例，設(shè) 其中 a，b，c都是正系數(shù)，且bc a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。1)(23csbsasKsW(3-50) n降階處理： 若能忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為n近似條件 1)(csKsW(3-51) ),1min(31cacb(3-52) （3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 表3-9中已經(jīng)指出，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 11TsTs1n近似條件 T3c(3-54) ) 1() 1()(221bsTsTsKsW) 1)(1() 1()(21as

52、TsTssKsW例如：cn對(duì)頻率特性的影響圖3-21 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響 返回目錄返回目錄低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b 因在低頻段做近似，所以這樣的處理對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響不大3.4 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。主要內(nèi)容為系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖3-22 雙

53、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)對(duì)象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖3-22，它與前述的圖3-6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(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)（使信號(hào)達(dá)到時(shí)間上的同步）。其中nT0i 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)nT0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則n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。在這里，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。設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化(對(duì)象近似處理)2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)

54、計(jì)算4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)3.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容：n忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 n等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) n小慣性環(huán)節(jié)近似處理 （1）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響n反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。 n轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響， 。n忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件（參考第三版附錄1）是 式中ci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。0ElmciTT13n忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的

55、動(dòng)態(tài)影響，即E0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1圖3-23 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) n（2）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s) / ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖3-23b）。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1圖3-23bn（3）小慣性環(huán)節(jié)近似處理 最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似

56、地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi (3-55) 簡(jiǎn)化的近似條件為 oisci131TT(3-56) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖3-23c。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)圖3-23c2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇n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，由圖3-23c可以看出，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

57、值，而對(duì)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)。 n電流調(diào)節(jié)器選擇 圖3-23c表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 ssKsWiiiACR) 1()(（3-57） 式中 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)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-24a所示的典型形式，其中 lTi（3-58）RKKKisiI（3-59）K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)n校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性

58、圖3-24 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán) a) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖: b) 開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性: 10L/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi3. 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 式（3-57）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki 和 i， 其中 i 已選定，見式（3-58），剩下的只有比例系數(shù) Ki， 可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。n參數(shù)選擇 在一般情況下，希望電流超調(diào)量i 5%，由表3-2，可選 =0.707，KI Ti =0.5，則iciI21TK)(22isisiTTKRTKRTKll(3-60) (3-61) 再利用式（2-59）和式（2-58）得到 n注意： 如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能

59、指標(biāo)不同，式（3-60）和式（3-61）當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。 此外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗擾性能指標(biāo)是否滿足。4. 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)n模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中l(wèi) U*i 為電流給定電壓；l Id 為電流負(fù)反饋電壓；l Uc 電力電子變換器的控制電壓。圖2-25 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 n電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT (3-62) (3-63) (3-64) 設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)

60、速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)n電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)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)。由圖3-24a可知 111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW(3-65) n傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)(近似處理)忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為 111)(IclisKsW(3-66) iIcn31TK近似條件可由式（3-52）求出 (3-67) 式中 cn 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 n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)()()