電力拖動自動控制系統(tǒng)3

第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

-運動控制系統(tǒng)2023/12/291第3章轉(zhuǎn)速、電流反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

-運動控制系統(tǒng)2023/12/292內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法MATLAB仿真軟件對轉(zhuǎn)速、電流反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2023/12/2933.1轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。在起動〔或制動〕過渡過程中，希望始終保持電流〔電磁轉(zhuǎn)矩〕為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加〔減〕速度運行。當(dāng)?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。2023/12/2942023/12/295圖3-1時間最優(yōu)的理想過渡過程3.1.1轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成應(yīng)該在起動過程中只有電流負反響，沒有轉(zhuǎn)速負反響，在到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反響，不再讓電流負反響發(fā)揮作用。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反響和電流負反響以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2023/12/2963.1.1轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成把轉(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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)〔簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)〕。2023/12/2973.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算2023/12/298圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出到達限幅值，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)器退出飽和；2023/12/2991.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進入飽和狀態(tài)。2023/12/29102023/12/2911圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。2023/12/2912轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出到達限幅值時，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對轉(zhuǎn)速環(huán)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2023/12/2913AB段是兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時的靜特性，Id<Idm,n=n0。BC段是ASR調(diào)節(jié)器飽和時的靜特性，Id=Idm,n<n0。2023/12/2914圖3-4雙閉環(huán)直流調(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，轉(zhuǎn)速負反響起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負載電流到達Idm時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*im，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。2023/12/2915采用兩個PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時，Id=Idm，假設(shè)負載電流減小，Id<Idm，使轉(zhuǎn)速上升，n>n0，Δn<0，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和。2023/12/29162．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(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系2023/12/2917根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反響值計算有關(guān)的反響系數(shù)：轉(zhuǎn)速反響系數(shù) 電流反響系數(shù) 兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計者選定。2023/12/29183.2轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析3.2.1轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型2023/12/2919圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.2轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析對調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉(zhuǎn)速。跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應(yīng)描述。能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式到達所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標(biāo)。2023/12/29201．起動過程分析電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值IdL。轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達給定值n*。起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。2023/12/29212023/12/2922圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第Ⅰ階段：電流上升階段〔0~t1〕電流從0到達最大允許值Idm2023/12/2923在t=0時，系統(tǒng)突加階躍給定信號Un*，在ASR和ACR兩個PI調(diào)節(jié)器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，電動機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。當(dāng)Id≥

IdL

后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大，ASR很快進入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id=Idm

，Ui

=U*im

。2023/12/2924第Ⅱ階段:恒流升速階段〔t1~t2〕Id根本保持在Idm,電動機加速到了給定值n*。2023/12/2925ASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)節(jié)器的飽和值U*im，根本上保持電流Id=Idm不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸增的斜坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是Id略低于Idm。2023/12/2926第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段〔t2以后〕起始時刻是n上升到了給定值n*。2023/12/2927n上升到了給定值n*，ΔUn=0。因為Id>Idm，電動機仍處于加速過程，使n超過了n*

，稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了ΔUn<0，ASR退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時，Id=Idl

，轉(zhuǎn)速才到達峰值。2023/12/2928在t3~t4時間內(nèi)，Id<Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩的過程。在第Ⅲ階段中，ASR和ACR都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。2023/12/2929雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：飽和非線性控制轉(zhuǎn)速超調(diào)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制2023/12/29302．動態(tài)抗擾性能分析雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差異在于多了一個電流反響環(huán)和電流調(diào)節(jié)器。調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動性能，閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點的位置有關(guān)。2023/12/2931抗負載擾動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來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2023/12/2932圖3-7直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用抗電網(wǎng)電壓擾動電壓波動可以通過電流反響得到比較及時的調(diào)節(jié)，使抗擾性能得到改善。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2023/12/2933圖3-7直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(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)速很快地跟隨給定電壓變化,如果采用PI調(diào)節(jié)器，那么可實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2023/12/29342.電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，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。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流。當(dāng)電動機過載甚至堵轉(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。2023/12/29353.3轉(zhuǎn)速、電流反響控制

直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。2023/12/29361、跟隨性能指標(biāo)以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，此跟隨過程的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。2023/12/29372023/12/2938上升時間峰值時間調(diào)節(jié)時間超調(diào)量σ

圖3-8典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)2．抗擾性能指標(biāo)當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中，突加一個使輸出量降低〔或上升〕的擾動量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抗擾過程。常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。2023/12/29392023/12/2940動態(tài)降落恢復(fù)時間圖3-9突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)3.3.2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法工程設(shè)計方法：在設(shè)計時，把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設(shè)計過程簡便得多。在典型系統(tǒng)設(shè)計的根底上，利用MATLAB/SIMULINK進行計算機輔助分析和設(shè)計，可設(shè)計出實用有效的控制系統(tǒng)。2023/12/29413.3.2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原那么是：概念清楚、易懂；計算公式簡明、好記；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；能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反響控制系統(tǒng)。2023/12/29423.3.2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法調(diào)節(jié)器工程設(shè)計過程：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求2023/12/2943控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成分母中的sr項表示該系統(tǒng)在s=0處有r重極點，或者說，系統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。2023/12/2944為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng)〔r=0〕，至少是Ⅰ型系統(tǒng)〔r=1〕；當(dāng)給定是斜坡輸入時，那么要求是Ⅱ型系統(tǒng)〔r=2〕才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差。選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于Ⅲ型〔r=3〕和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。2023/12/2945用頻率法設(shè)計自動控制系統(tǒng)根本思路根據(jù)生產(chǎn)機械和工藝要求，確定系統(tǒng)動、靜態(tài)性能指標(biāo)；根據(jù)性能指標(biāo)求得相應(yīng)的預(yù)期開環(huán)對數(shù)頻率特性；根據(jù)預(yù)期開環(huán)對數(shù)頻率特性和控制對象固有特性，確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。2023/12/2946開環(huán)對數(shù)頻率特性2023/12/29470L/dB

c/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段

1

2中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，且應(yīng)有一定頻帶寬度，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性；截止頻率〔或稱剪切頻率〕應(yīng)盡可能大一些，以提高系統(tǒng)快速性；低頻段的斜率陡、增益要高，以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確高；高頻段衰減要快一些，以提高系統(tǒng)抗干擾能力；系統(tǒng)要有足夠的穩(wěn)定余量，用相角裕度，以保證系統(tǒng)動態(tài)過程振蕩弱、超調(diào)小。2023/12/29481．典型Ⅰ型系統(tǒng)作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為式中，T——系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；K——系統(tǒng)的開環(huán)增益。2023/12/29491．典型Ⅰ型系統(tǒng)對數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，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。只包含開環(huán)增益K和時間常數(shù)T兩個參數(shù)，時間常數(shù)T往往是控制對象本身固有的，唯一可變的只有開環(huán)增益K。設(shè)計時，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。2023/12/29502023/12/2951圖3-10 典型Ⅰ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性典型Ⅰ型系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性的幅值為得到相角裕度為 K值越大，截止頻率

c

也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，相角穩(wěn)定裕度

越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。在選擇參數(shù)K時，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。2023/12/2952〔1〕動態(tài)跟隨性能指標(biāo)典型Ⅰ型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為——自然振蕩角頻率；——阻尼比。

<1，欠阻尼的振蕩特性，

>1，過阻尼的單調(diào)特性；

=1，臨界阻尼。過阻尼動態(tài)響應(yīng)較慢，一般把系統(tǒng)設(shè)計成欠阻尼，即0<

<1。2023/12/2953超調(diào)量上升時間 峰值時間 2023/12/2954當(dāng)調(diào)節(jié)時間在、誤差帶為的條件下可近似計算得截止頻率〔按準(zhǔn)確關(guān)系計算〕相角穩(wěn)定裕度2023/12/29552023/12/2956參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比

超調(diào)量

上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率

c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T表3-1典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系〔2〕動態(tài)抗擾性能指標(biāo)影響到參數(shù)K的選擇的第二個因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系，典型Ⅰ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)鍵因素是擾動作用點，某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動作用點。2023/12/2957電壓擾動作用點前后各有一個一階慣性環(huán)節(jié)，采用PI調(diào)節(jié)器2023/12/2958圖3-11電流環(huán)的在電壓擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在只討論抗擾性能時，令輸入變量R=0，將輸出量寫成ΔC2023/12/2959在階躍擾動下，，得到在選定KT=0.5時，2023/12/2960階躍擾動后輸出變化量的動態(tài)過程函數(shù)為式中為控制對象中小時間常數(shù)與大時間常數(shù)的比值。取不同m值，可計算出相應(yīng)的動態(tài)過程曲線。2023/12/2961在計算抗擾性能指標(biāo)時，為了方便起見，輸出量的最大動態(tài)降落ΔCmax用基準(zhǔn)值Cb的百分數(shù)表示，所對應(yīng)的時間tm用時間常數(shù)T的倍數(shù)表示，允許誤差帶為±5%Cb時的恢復(fù)時間tv也用T的倍數(shù)表示。取開環(huán)系統(tǒng)輸出值作為基準(zhǔn)值，即

Cb=Fk22023/12/29622023/12/296327.8%12.6%9.3%6.5%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4表3-2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2.典型Ⅱ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為典型II型系統(tǒng)的時間常數(shù)T也是控制對象固有的，而待定的參數(shù)有兩個：K

和

。定義中頻寬：中頻寬表示了斜率為20dB/sec的中頻的寬度，是一個與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。2023/12/29642023/12/2965圖3-13 典型Ⅱ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性改變K相當(dāng)于使開環(huán)對數(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)。系統(tǒng)相角穩(wěn)定裕度為

τ比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就越大。2023/12/2966采用“振蕩指標(biāo)法〞中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)那么，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最正確配合。 2023/12/29672023/12/2968表3-3不同h值時Mrmin值及最正確頻比h345678910Mrmin21.671.51.41.331.291.251.22ω2/ωc1.51.61.671.711.751.781.801.82ωc/ω12.02.53.03.54.04.55.05.5Mr1.2~1.5在確定了h之后，可求得2023/12/2969〔1〕動態(tài)跟隨性能指標(biāo)按Mr最小準(zhǔn)那么選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)2023/12/2970當(dāng)R(t)為單位階躍函數(shù)時，，那么2023/12/29712023/12/2972表3-4典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)(按Mrmin準(zhǔn)那么確定參數(shù)關(guān)系)

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201以h=5的動態(tài)跟隨性能比較適中〔2〕動態(tài)抗擾性能指標(biāo)2023/12/2973圖3-14 轉(zhuǎn)速環(huán)在負載擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖在擾動作用點前后各有一個積分環(huán)節(jié)，用作為一個擾動作用點之前的控制對象2023/12/2974圖3-15典型Ⅱ型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2023/12/2975圖3-15典型Ⅱ型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在階躍擾動下，,按Mrmin準(zhǔn)那么確定參數(shù)關(guān)系取2T時間內(nèi)的累加值作為基準(zhǔn)值Cb=2FK2T2023/12/29762023/12/2977

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.80

84.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85表3-5典型Ⅱ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)和擾動作用點如圖3-15所示，參數(shù)關(guān)系符合準(zhǔn)那么〕由表3-5中的數(shù)據(jù)可見，值越小，也越小，都短，因而抗擾性能越好。但是，當(dāng)時，由于振蕩次數(shù)的增加，再小，恢復(fù)時間反而拖長了。是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時間最短的條件是一致的〔見表3-4〕。2023/12/2978典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上有區(qū)別。典型I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Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這些是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。2023/12/29793.控制對象的工程近似處理方法〔1〕高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理當(dāng)高頻段有多個小時間常數(shù)T1、T2、T3…的小慣性環(huán)節(jié)時，可以等效地用一個小時間常數(shù)T的慣性環(huán)節(jié)來代替。其等效時間常數(shù)為T=T1+T2+T3+…考察一個有2個高頻段小慣性環(huán)節(jié)的開環(huán)傳遞函數(shù)其中T1、T2為小時間常數(shù)。2023/12/29803.控制對象的工程近似處理方法它的頻率特性為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2023/12/29812023/12/2982T=T1+T2圖3-16 高頻段小慣性群近似處理對頻率特性的影響近似相等的條件是。在工程計算中，一般允許有10%以內(nèi)的誤差，近似條件可寫成有三個小慣性環(huán)節(jié)，其近似處理的表達式近似的條件為2023/12/2983〔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2023/12/2984〔3〕低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理當(dāng)系統(tǒng)中存在一個時間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié)大慣性環(huán)節(jié)的頻率特性為近似成積分環(huán)節(jié)，其幅值應(yīng)近似為近似條件是：2023/12/29852023/12/2986在低頻段，把特性a近似地看成特性b。圖3-17低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對頻率特性的影響某反響控制系統(tǒng)校正成典型I型系統(tǒng)，時間常數(shù)T＝0.1s,階躍響應(yīng)超調(diào)量σ≤10%，求系統(tǒng)的開環(huán)增益，計算過渡過程時間ts和上升時間tr。繪制開環(huán)對數(shù)幅頻特性。如果要求上升時間小于0.25s，那么：K=?，σ=?2023/12/29872023/12/2988參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比

超調(diào)量

上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率

c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T表3-1典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系由表3-1知，σ≤10%，應(yīng)使KT＝0.692023/12/298920lgK-20dB/decω1=1ω210ωc6.9ω（1/s)-40dB/dec要使tr<0.25s，∵T＝0.1s,∴tr<2.5T可知KT=1此時σ=16.3%2023/12/2990某系統(tǒng)采用典型II型系統(tǒng)，要求頻域動態(tài)指標(biāo)為：ωc=30〔1/s〕,Mrmin≤1.5，求系統(tǒng)的預(yù)期開環(huán)對數(shù)幅頻特性，開環(huán)傳遞函數(shù)以及階躍響應(yīng)的超調(diào)量和過渡過程時間。如果時間常數(shù)T不變，改取h=9，那么開環(huán)對數(shù)幅頻特性如何變化？試求系統(tǒng)能夠到達的頻域和時域指標(biāo)。兩者相比，在快速性和穩(wěn)定性上各有什么變化？2023/12/2991由表3-3知，為使Mrmin≤1.5，那么h≥5，取h=52023/12/2992h345678910Mrmin21.671.51.41.331.291.251.22ω2/ωc1.51.61.671.711.751.781.801.82ωc/ω12.02.53.03.54.04.55.05.52023/12/2993

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.2012023/12/2994h345678910Mrmin21.671.51.41.331.291.251.22ω2/ωc1.51.61.671.711.751.781.801.82ωc/ω12.02.53.03.54.04.55.05.5于是預(yù)期開環(huán)對數(shù)幅頻特性見圖①2023/12/29951050305.5627.8-40dB/dec①②ω（1/s)-40dB/dec-20dB/dec-40dB/dec-40dB/dec-20dB/dec2023/12/2996假設(shè)T不變，h=9，由表查得：2023/12/2997比照開環(huán)對數(shù)幅頻特性2023/12/29981050305.5627.8-40dB/dec①②ω（1/s)-40dB/dec-20dB/dec-40dB/dec-40dB/dec-20dB/dec指標(biāo)ωc=27.8〔1/s〕，Mrmin=1.25h變大以后，快速性降低，ts增大，σ減小。2023/12/2999按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器根本思路:將控制對象校正成為典型系統(tǒng)2023/12/29100系統(tǒng)校正控制對象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器校正成典型I型系統(tǒng)時調(diào)節(jié)器的選擇〔跟隨性好〕校正成典型II型系統(tǒng)時調(diào)節(jié)器的選擇〔抗擾性好〕2023/12/29101按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器校正成典型I型系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)器的選擇設(shè)控制對象有兩個慣性環(huán)節(jié)：采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)：2023/12/29102按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器校正成典型I型系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)器的選擇2023/12/29103按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器校正成典型II型系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)器的選擇2023/12/29104按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器校正成典型II型系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)器的選擇2023/12/29105按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器2023/12/29106按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器用工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原那么是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。先從電流環(huán)〔內(nèi)環(huán)〕開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，2023/12/29107按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)〔外環(huán)〕中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。2023/12/291082023/12/29109圖3-18雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1．電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計反電動勢與電流反響的作用相互交叉，給設(shè)計工作帶來麻煩。轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，。2023/12/291101．電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是

式中ωci——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。2023/12/291112023/12/29112圖3-19電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響把給定濾波和反響濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號改成，那么電流環(huán)便等效成單位負反響系統(tǒng)。2023/12/29113圖3-19電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(b〕等效成單位負反響系統(tǒng)Ts

和T0i

一般都比Tl小得多，可以近似為一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為

T∑i=Ts+Toi

簡化的近似條件為2023/12/29114圖3-19電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(c〕小慣性環(huán)節(jié)近似處理典型系統(tǒng)的選擇：采用I型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器選擇：PI型的電流調(diào)節(jié)器，

Ki

—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

i—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)2023/12/29115因為Ti>>TΣi，選擇τi=Ti，用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)極點，希望電流超調(diào)量i≤5%，選=0.707，KITi=0.5，那么2023/12/291162023/12/29117圖3-20校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)(a)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(b〕開環(huán)對數(shù)幅頻特性模擬式電流調(diào)節(jié)器電路U*i—電流給定電壓；–Id—電流負反響電壓；Uc—電力電子變換器的控制電壓。2023/12/29118按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項，可降階近似為2023/12/29119降價近似條件為

式中，ωcn——轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。2023/12/29120電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中等效為電流的閉環(huán)控制把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，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。2023/12/29121例題3-1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，根本數(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)λ=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40；電樞回路總電阻：R=0.5Ω；時間常數(shù)：Ti=0.03s，Tm=0.18s；電流反響系數(shù)：β=0.05V/A〔≈10V/1.5IN〕設(shè)計要求設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量2023/12/291221〕確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s。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TΣi=Ts+Toi=0.0037s。2023/12/291232〕選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)要求σi≤5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。檢查對電源電壓的抗擾性能：參看表3-2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。2023/12/291243〕計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：τi=Ti=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：取KiTΣi=0.5，

ACR的比例系數(shù)為2023/12/291254〕校驗近似條件電流環(huán)截止頻率ωci=KI=135.1s-1校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件2023/12/29126校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件5〕計算調(diào)節(jié)器電阻和電容2023/12/291272．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計2023/12/29128圖3-22轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計2023/12/29129圖3-22轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(b)等效成單位負反響系統(tǒng)和小慣性的近似處理把轉(zhuǎn)速給定濾波和反響濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s)/，把時間常數(shù)為1/KI和Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并2023/12/29130轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象是由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，IdL(s)是負載擾動。系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的必要條件是：在負載擾動點之前必須含有一個積分環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)有兩個積分環(huán)節(jié)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計。ASR采用PI調(diào)節(jié)器2023/12/29131Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

n—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN為那么 2023/12/291322023/12/29133圖3-22轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(c)校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)無特殊要求時，一般以選擇h=5為好模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路U*n—轉(zhuǎn)速給定電壓；–αn—轉(zhuǎn)速負反響電壓；U*i—電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。2023/12/29134例題3-2在例題3-1中，除已給數(shù)據(jù)外，：轉(zhuǎn)速反響系數(shù)α=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σn≤10%。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。2023/12/291351〕確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)。由例題3-1，已取KITΣi=0.5，那么

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。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取2023/12/291362〕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，那么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2023/12/291374〕檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件2023/12/291385〕計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取470kΩ取0.2μF取1μF2023/12/291396〕校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，由表3-4查得，σn%=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。2023/12/291403．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算當(dāng)轉(zhuǎn)速超過給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由飽和限幅狀態(tài)進入線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時的轉(zhuǎn)速環(huán)由開環(huán)進入閉環(huán)控制，迫使電流由最大值Idm降到負載電流Idl。ASR開始退飽和時，由于電動機電流Id仍大于負載電流Idl，電動機繼續(xù)加速，直到Id<Idl時，轉(zhuǎn)速才降低。這不是按線性系統(tǒng)規(guī)律的超調(diào)，而是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調(diào)，稱作“退飽和超調(diào)〞。2023/12/29141假定調(diào)速系統(tǒng)原來是在Idm的條件下運行于轉(zhuǎn)速n*，在點O’突然將負載由Idm降到Idl

，轉(zhuǎn)速會在突減負載的情況下，產(chǎn)生一個速升與恢復(fù)的過程，突減負載的速升過程與退飽和超調(diào)過程是完全相同的。2023/12/291422023/12/29143圖3-24ASR飽和時轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)起動過程只考慮穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*以上的超調(diào)局部，Δn=n-n*，坐標(biāo)原點移到O’點，2023/12/29144圖3-25調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(a)以轉(zhuǎn)速n為輸出量初始條件那么轉(zhuǎn)化為2023/12/29145圖3-25調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(b〕以轉(zhuǎn)速超調(diào)值為輸出量2023/12/29146把Δn的負反響作用反映到主通道第一個環(huán)節(jié)的輸出量上來，得圖(c)，圖中Id和IdL的+、-號都作了相應(yīng)的變化。圖(c)和討論典型II型系統(tǒng)抗擾過程所用的圖完全相同。可以利用表3-5給出的典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)來計算退飽和超調(diào)量，2023/12/29147在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，

C的基準(zhǔn)值是n的基準(zhǔn)值是2023/12/29148作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n*，退飽和超調(diào)量可以由表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)值換算后求得，即λ——電動機允許的過載倍數(shù)，z——負載系數(shù)，2023/12/29149例題3-3試按退飽和超調(diào)量的計算方法計算例題3-2中調(diào)速系統(tǒng)空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，并校驗它是否滿足設(shè)計要求。解當(dāng)h=5時，由表2-7查得2023/12/29150從例題3-1，3-2，3-3的計算結(jié)果來看，有三個問題是值得注意的。〔1〕轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)按線性系統(tǒng)計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量時，當(dāng)h選定后，不管穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*有多大，超調(diào)量σn%的百分數(shù)都是一樣的。按照退飽和過程計算超調(diào)量，其具體數(shù)值與n*有關(guān)2023/12/29151〔2〕反電動勢對轉(zhuǎn)