電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)理器的工程設(shè)計(jì)方法電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第2章主要內(nèi)容1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性2.數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析3.調(diào)理器的工程設(shè)計(jì)方法4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)理器的設(shè)計(jì)*5.轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制*6.弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨意控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。采用電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。

理想的快速起動(dòng)過(guò)程IdLntIdOIdm帶電流截止負(fù)反響的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)IdLntIdOIdmIdcrnn起動(dòng)過(guò)程希望能實(shí)現(xiàn)的控制在起動(dòng)過(guò)程的主要階段，只需電流負(fù)反響，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反響。到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，只需轉(zhuǎn)速負(fù)反響，不讓電流負(fù)反響發(fā)揚(yáng)主要作用。

+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG內(nèi)環(huán)外環(huán)ni轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)ASR不飽和時(shí)，ASR成為主導(dǎo)的調(diào)理器，轉(zhuǎn)速負(fù)反響起主要作用。Ks1/CeUcIdEnUd0++-IdRR

ACR-UiUPE當(dāng)ASR飽和時(shí)，相當(dāng)于電流單閉環(huán)系統(tǒng),

實(shí)現(xiàn)“只需電流負(fù)反響，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反響〞雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖—轉(zhuǎn)速反響系數(shù)—電流反響系數(shù)Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖調(diào)理器輸出限幅的作用轉(zhuǎn)速調(diào)理器ASR的輸出限幅電壓U*im決議電流給定電壓的最大值；電流調(diào)理器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。靜特性設(shè)計(jì)時(shí)，使ACR不會(huì)到達(dá)飽和形狀。至于ASR，在CA段未飽和，在AB段飽和。

n0IdIdmIdNOnABC〔1〕轉(zhuǎn)速調(diào)理器不飽和〔U*i<U*im，Id<Idm〕〔2〕轉(zhuǎn)速調(diào)理器飽和(n<n0)各變量的穩(wěn)態(tài)任務(wù)點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)任務(wù)中，兩個(gè)調(diào)理器都不飽和PI調(diào)理器的特點(diǎn)比例調(diào)理器的輸出量總是正比于其輸入量。PI調(diào)理器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，直到輸入為零，才停頓積分。這時(shí)，輸出量與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需求決議的。反響系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反響系數(shù)電流反響系數(shù)U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E二、數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析起動(dòng)過(guò)程分析

nOOttIdmId

IIIIIIt4t3t2t1按轉(zhuǎn)速調(diào)理器ASR不飽和、飽和、退飽和分成三個(gè)階段：I.電流上升階段II.恒流升速階段III.轉(zhuǎn)速調(diào)理階段

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)〔1〕飽和非線性控制〔2〕轉(zhuǎn)速超調(diào)〔3〕準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制(有限制條件的最短時(shí)間控制)

動(dòng)態(tài)抗擾性能分析調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)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/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗負(fù)載擾動(dòng)±?IdL2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)-IdL±?Ud

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)理器的作用

轉(zhuǎn)速調(diào)理器的作用〔1〕轉(zhuǎn)速調(diào)理器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)理器，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，假設(shè)采用PI調(diào)理器，那么可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差?！?〕對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用?！?〕輸出限幅值決議電機(jī)允許的最大電流。

2.電流調(diào)理器的作用〔1〕作為內(nèi)環(huán)的調(diào)理器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)理過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)理器的輸出量變化?！?〕對(duì)電網(wǎng)電壓動(dòng)搖起及時(shí)抗擾作用?！?〕在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程?！?〕當(dāng)電機(jī)過(guò)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)維護(hù)作用。三、調(diào)理器的工程設(shè)計(jì)方法〔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，而且指明調(diào)整參數(shù)的方向；〔4〕能思索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)的反響控制系統(tǒng)。工程設(shè)計(jì)方法的根本思緒設(shè)計(jì)任務(wù)分兩步走：1.選擇調(diào)理器的構(gòu)造，使系統(tǒng)典型化，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。2.再選擇調(diào)理器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能目的的要求。調(diào)理器構(gòu)造的選擇系統(tǒng)校正控制對(duì)象調(diào)理器輸入輸出典型系統(tǒng)輸入輸出選擇調(diào)理器，將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)。典型I型系統(tǒng)T—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；K—系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。選擇參數(shù)，保證或，使系統(tǒng)足夠穩(wěn)定。典型Ⅱ型系統(tǒng)保證系統(tǒng)足夠穩(wěn)定或控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能目的1.跟隨性能目的2.抗擾性能目的調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目的以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目的那么以跟隨性能為主。

系統(tǒng)典型的階躍呼應(yīng)曲線±5%〔或±2%〕0Otrts階躍呼應(yīng)跟隨性能目的tr—上升時(shí)間—超調(diào)量ts—調(diào)理時(shí)間突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能目的±5%〔或±2%〕OtmtvCb抗擾性能目的

Cmax—?jiǎng)討B(tài)降落tv—恢復(fù)時(shí)間

典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ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，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(duì)較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要根據(jù)。I型和Ⅱ型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(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(duì)較大，抗擾性能卻比較好。

典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)的比較典型I型系統(tǒng)跟隨性能目的與參數(shù)的關(guān)系輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入

穩(wěn)態(tài)誤差

0v0/K

〔1〕穩(wěn)態(tài)跟隨性能目的：不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)跟隨性能目的在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)差的；但在斜坡輸入下那么有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比；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)?！?〕動(dòng)態(tài)跟隨性能目的參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比

超調(diào)量

上升時(shí)間tr峰值時(shí)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%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T典型I型系統(tǒng)的抗擾性能目的典型I型系統(tǒng)擾動(dòng)作用下的典型I型系統(tǒng)只討論抗擾性能時(shí)，輸入作用R=0。

取，那么階躍擾動(dòng)作用下的輸出變化量階躍擾動(dòng)：輸出變化量：當(dāng)時(shí)

55.5%33.2%18.5%12.9%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能目的與

參數(shù)的關(guān)系〔KT=0.5,Cb=FK2/2)典型II型系統(tǒng)性能目的和參數(shù)的關(guān)系時(shí)間常數(shù)T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：典型Ⅱ型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性0-20–40-40/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中頻寬參數(shù)之間的一種最正確配合采用“振蕩目的法〞中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)那么，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最正確配合，那么輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00〔1〕穩(wěn)態(tài)跟隨性能目的不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

典型II型系統(tǒng)跟隨性能目的和參數(shù)的關(guān)系

在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無(wú)差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開(kāi)環(huán)增益K成反比?！?〕動(dòng)態(tài)跟隨性能目的

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按Mrmin準(zhǔn)那么確定參數(shù)關(guān)系時(shí)典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能目的和參數(shù)的關(guān)系+0-在階躍擾動(dòng)下，階躍擾動(dòng)的輸出呼應(yīng)Cb=2FK2T取輸出量基準(zhǔn)值為典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能目的與參數(shù)的關(guān)系

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85〔參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)那么〕校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)理器選擇控制對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合T1、T2T3T1T2傳送函數(shù)近似處置〔1〕高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處置

小慣性環(huán)節(jié)可以合并近似條件〔2〕高階系統(tǒng)的降階近似處置設(shè)三階系統(tǒng)a，b，c都是正數(shù)，且bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。降階處置：忽略高次項(xiàng)，得近似的一階系統(tǒng)近似條件：〔3〕低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處置時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)，可以近似為積分環(huán)節(jié)，即近似條件：四、雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)理器的設(shè)計(jì)用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)理器，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，即從內(nèi)環(huán)開(kāi)場(chǎng)，逐漸向外擴(kuò)展。首先設(shè)計(jì)電流調(diào)理器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)理系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)理器。-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11T0is+1ASR1T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)E(s)〔添加了濾波環(huán)節(jié)〕設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)構(gòu)造圖的簡(jiǎn)化2.電流調(diào)理器構(gòu)造的選擇3.電流調(diào)理器的參數(shù)計(jì)算4.電流調(diào)理器的實(shí)現(xiàn)電流調(diào)理器的設(shè)計(jì)+-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)簡(jiǎn)化后的電流環(huán)構(gòu)造圖按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ACR選PI調(diào)理器。，KIs(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)動(dòng)態(tài)構(gòu)造框圖開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性:OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i校正后電流環(huán)的構(gòu)造和特性設(shè)計(jì)步驟：1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳送函數(shù)2.轉(zhuǎn)速調(diào)理器構(gòu)造的選擇3.轉(zhuǎn)速調(diào)理器參數(shù)的選擇4.轉(zhuǎn)速調(diào)理器的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)理器的設(shè)計(jì)

電流環(huán)等效傳送函數(shù)原來(lái)雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只需較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。電流閉環(huán)控制的意義電流閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是部分閉環(huán)〔內(nèi)環(huán)〕控制的一個(gè)重要功能。轉(zhuǎn)速調(diào)理器構(gòu)造的選擇

n(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)

Tons+11Tons+1U*i(s)+-IdL(s)電流環(huán)簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)構(gòu)造n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)

Id(s)/Tns+1+-IdL(s)轉(zhuǎn)速調(diào)理器選擇ASR采用PI調(diào)理器令那么n(s)+-U*n(s)

校正后的調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)理器的參數(shù)計(jì)算按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，因此轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系外環(huán)的呼應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對(duì)系統(tǒng)的組成和調(diào)試任務(wù)非常有利。例題2－1電流調(diào)理器設(shè)計(jì)例題2－2轉(zhuǎn)速調(diào)理器設(shè)計(jì)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ASR使轉(zhuǎn)速超調(diào)量過(guò)大，難以滿足設(shè)計(jì)要求。典型系統(tǒng)是線性的，不符合起動(dòng)時(shí)ASR飽和的非線性條件，必需按實(shí)踐條件重新計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)量。轉(zhuǎn)速調(diào)理器退飽和超調(diào)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)理系統(tǒng)不服從典型系統(tǒng)的線性規(guī)律，超調(diào)量不等于典型II型系統(tǒng)跟隨性能目的中的數(shù)值,而是閱歷了飽和非線性過(guò)程后的超調(diào)，稱作“退飽和超調(diào)〞。分析闡明，可以利用典型II型系統(tǒng)抗擾性能目的中負(fù)載由突降到的動(dòng)態(tài)速升與恢復(fù)過(guò)程來(lái)計(jì)算退飽和超調(diào)量。nOOttIdmId

IIIIIIt4t3t2t1退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)n的基準(zhǔn)值在典型II型系統(tǒng)抗擾性能目的中，C的基準(zhǔn)值：換算到退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)n的基準(zhǔn)值：由于，，那么其中，，退飽和超調(diào)量轉(zhuǎn)速超調(diào)量的基準(zhǔn)值應(yīng)該是經(jīng)基準(zhǔn)值換算后得例題2-3計(jì)算后闡明，轉(zhuǎn)速退飽和的超調(diào)量滿足設(shè)計(jì)要求。＊五、轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，參與轉(zhuǎn)速微分負(fù)反響后，可提早ASR的退飽和時(shí)間和退飽和轉(zhuǎn)速，從而抑制了退飽和超調(diào)。教材中給出了轉(zhuǎn)速微分負(fù)反響參數(shù)的工程設(shè)計(jì)方法，以及帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反響雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能?？梢宰C明，帶微分負(fù)反響的轉(zhuǎn)速PI調(diào)理器在構(gòu)造上符合“全形狀反響最優(yōu)控制〞。*六、弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)壓與弱磁的配合控制非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)弱磁過(guò)程的直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型和弱磁控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)理器的設(shè)計(jì)TeN

nNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUP

PTeUnO