電機控制 課件 第一章 直流電動機的控制

第一章直流電動機的控制直流電機的控制本章內容：直流電機數(shù)學模型與機械特性直流電機調速系統(tǒng)閉環(huán)調速系統(tǒng)參數(shù)設計

直流電機數(shù)學模型與機械特性直流電機數(shù)學模型直流電機調速性能優(yōu)越性

調速范圍

調速精度

動態(tài)性能

四象限運行

控制方便直流電動機的人工機械特性直流電機數(shù)學模型

基本數(shù)學模型：電動勢平衡方程式：轉矩平衡方程式：精確數(shù)學模型：將電機轉速變化的機械過程和電量變化的電磁過程按照實際情況考慮認為它們同時發(fā)生。

并勵直流電動機電路圖直流電機的精確模型轉速與電樞電壓：電樞電流與電樞電壓：直流電機調速性能優(yōu)越性

電機控制系統(tǒng)中電機有直、交流兩類

直流電機調速性能最優(yōu)越：

1、調速范圍寬

無極調速：從<1轉/分~上萬轉/分

量化指標：調速比D=最高速/最低速(負載下)

D與負載類型有關：

泵類D=1.5

普通D=3

深（寬)調速D=3000直流電機調速性能優(yōu)越性2、調速精度高：變化額定負載與空載下，轉速小

機械特性自然機械特性

量化指標：靜差度

越小，機械特性越硬直流電機調速性能優(yōu)越性3、動態(tài)性能好——能實現(xiàn)轉矩動態(tài)控制

起、制動快，超調、振蕩小

抗干擾（負載、電源干擾）力強，動態(tài)速降小，恢復時間短直流電機調速性能優(yōu)越性4、能四象限運行直流電機調速性能優(yōu)越性5、控制方便

電樞電壓控制磁場控制采用電力電子手段，損耗小，控制性好。直流電機調速性能優(yōu)越性

結論直流電機有優(yōu)良的調速性能（調速典范）應用于高動態(tài)性能的機電運動控制冶金軋鋼電氣牽引高精度機床主軸驅動伺服控制、機械手、機械人關節(jié)驅動

原因：磁場與電樞電流能自然解耦

直流電機調速性能優(yōu)越性

缺點：

碳刷、換向器帶來的維護、火花

速度×容量極限：，不能滿足高速、大容量驅動（時，）交流電機采用高性能解耦控制——矢量變換控制（模擬直流電機控制）直流電機的人工機械特性人為改變電樞回路外接電阻Raj、電樞端電壓US和勵磁回路外接電阻Rj（即磁通

）中的任一項，而其他項仍保持不變的情況下所獲得的機械特性稱人工機械特性。人工機械特性：(a)改變電樞回路外接電阻Raj(b)改變電樞端電壓Us(c)改變勵磁電流If直流電動機調速系統(tǒng)晶閘管-直流電動機調速系統(tǒng)

可逆調速系統(tǒng)直流電動機的脈寬調制調速

單極性控制

雙極性控制直流電動機調速系統(tǒng)轉速控制

開環(huán)控制

PI控制

雙閉環(huán)控制晶閘管供電直流電動機的機械特性

直流電機主要采用晶閘管可控整流器實現(xiàn)調壓調速

這是帶電感一反電勢的可控整流電路，根據(jù)平波電抗器L的大小，電樞電流有連續(xù)與斷續(xù)之分，導致直流調速系統(tǒng)機械特性不同，須分開討論。晶閘管供電直流電動機的機械特性

在電流連續(xù)的情況下，晶閘管整流器可等效為一個具有內電勢Ud、內電阻Re+Ro的直流電源。當負載電流Id比較小時，晶閘管導通角θ<120°，電流斷續(xù)。電流連續(xù),α恒定時的機械特性三相半波整流電路供電的機械特性晶閘管一直流電動機調速系統(tǒng)二種調速系統(tǒng)

不可逆調速系統(tǒng)——只能一個方向提供轉矩，

不能四象限運行

可逆調速系統(tǒng)——能在正、反二方向提供轉矩，能四象限運行直流可逆調速系統(tǒng)主電路（反并聯(lián)連接）三相半波反并聯(lián)可逆調速系統(tǒng)主電路可逆調速系統(tǒng)

定義能實現(xiàn)以T-n為縱—橫坐標的四個象限內運行的調速系統(tǒng)核心可逆調速系統(tǒng)只能提供單—方向電樞電流→產生單一方向電磁轉矩→不可逆系統(tǒng)

單橋

雙橋反并聯(lián)提供兩個方向電樞電流，產生兩個方向電磁轉矩，構成可逆系統(tǒng)主電路可逆調速系統(tǒng)直流電動機的脈寬調制（PWM）調速

引言

直流脈寬調制（PWM）調速必要性1、提高可控整流器-直流電機調速系統(tǒng)輸入功率因數(shù)

可控整流電路采用移相觸發(fā)控制，電力電子電路輸入功率因數(shù)

PF=直流電機低速時，，力能指標差。若采用不控整流，相當僅整流紋波影響有效提高了PF，但不能調壓（調速）為調壓（調速）,需DC-DC變換(斬波調壓)，即PWM調速2、直流電動機的脈寬調制（PWM）調速固定直流電壓源供電，更需PWM(斬波)調壓調速直流脈寬調制（PWM）原理

直流脈寬調制（PWM）原理

直流電源電壓恒定下，通過電子開關通、斷，使施加在電機端部脈沖電壓平均值的變化，實現(xiàn)直流電機調壓調速——斬波調速。

斬波電路eL直流脈寬調制（PWM）原理占空比電機電壓

負載電壓系數(shù)

即調節(jié)占空比即可調壓調速直流脈寬調制（PWM）原理直流脈寬調制調速優(yōu)點

與晶閘管-直流電動機調速系統(tǒng)相比，PWM調速具有如下的優(yōu)點：

主電路簡單；開關頻率高，電流易連續(xù)、諧波少，電動機損耗??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬；與響應快速電動機配合，系統(tǒng)頻帶寬、響應快、動態(tài)抗干擾強；開關導通損耗和開關損耗較低，裝置效率高；電網功率因數(shù)比相控整流高；直流脈寬調制（PWM）原理自關斷器件作斬波器時

直流脈寬調制調速可區(qū)分為

不可逆脈寬調制調速無制動能力的不可逆PWM調速系統(tǒng)最簡單的PWM調速系統(tǒng)不可逆脈寬調制調速有制動能力的不可逆PWM調速系統(tǒng)再生制動能耗制動可逆脈寬調制調速（一）主電路結構——H型橋

H型橋可在單一供電下使電機獲得兩個方向電流，實現(xiàn)轉矩可逆

四個高頻自關斷器件各反并聯(lián)四個快速恢復二極管，構成續(xù)流通路?？赡婷}寬調制調速

+__+開關對

兩管開關狀態(tài)互鎖(一管導通時其管壓降為另一管的反偏電壓)

開關對工作特點可逆脈寬調制調速（二）控制按各開關元件通、斷控制信號不同，分為

單極性控制

雙極性控制1、單極性控制

控制方式采用“極性電壓

”，控制四開關觸發(fā)信號分配。可逆脈寬調制調速

VT1、VT2互補通、斷

VT3截止，VT4開通

電機電壓恒為，單一極性，電機正轉

VT3、VT4互補通、斷

VT1截止，VT2開通

電機電壓恒為，單一極性，電機反轉可逆脈寬調制調速

工作過程（以為例）設定電機電壓、反電勢正方向如圖情況一：（1）（）→從B至A地施加在電機上→

，VT1、VT4導通→形成電流（路徑Ⅰ）→因反向（電機吸收功率）→電機作電動運行（持續(xù)供電）可逆脈寬調制調速（2）但電流Ⅰ在電樞電感中有慣性，變化時產生自感電勢→通過VD2、VT4續(xù)流→形成電流Ia路徑II→VD2導通壓降使VT2反偏而截止→反向→電機作電動運行→維持電流→但能量有限，會在（）間的時刻斷流可逆脈寬調制調速（3）時，自感電勢耗光→（為電流反向準備條件）→VD2關斷，VT2導通→在反電勢作用下，通過VT2、VD4形成電流路徑III→同向→電機作能耗制動（能量消耗于電路內），直至下周期開始?？赡婷}寬調制調速

（2）但電流III在電樞電感中有慣性，變化時產生自感電勢→通過VD1、VT4續(xù)流→形成電流Ia路徑IV→VD1導通壓降使VT1反偏而截止→同向→電機作再生制動（能量回饋電源）→能量有限，路徑Ⅳ電流斷流→在作用下VT1、VT4通→進入電流路徑Ⅰ狀態(tài)?？赡婷}寬調制調速斷應VT1通可逆脈寬調制調速電流路徑Ⅰ

工作過程歸納

電流路徑有：Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ

輸出電壓輸出電壓系數(shù)占空比

可逆脈寬調制調速

可逆脈寬調制調速

2、雙極性控制

控制原則

兩對角線器件為一組（VT1、VT4與VT2、VT3）

同組施加相同驅動信號（），同時開通

兩組驅動信號互補正半周（）電機電壓（B→A）負半周（）電機電壓（A→B）即一個周期內可獲得兩個方向電壓極性，稱雙極性?？赡婷}寬調制調速

正、負半周平均，得確定極性的平均電壓，使電機獲得確定方向轉矩。UA工作過程（設）（1）→在作用下形成電流路徑Ⅰ→反向→電機作電動運行可逆脈寬調制調速可逆脈寬調制調速

（2）→VT1、VT4斷，切斷電源；→應VT2、VT3通，→但電樞電感自感電勢作用維持電流方向不能突變→VD2、VD3通→續(xù)流→VT2、VT3反偏，斷→形成電流路徑Ⅱ→與反向→電機仍作電動運行→使很快衰減為零，為換向創(chuàng)造條件（設在時刻斷流）?？赡婷}寬調制調速

（3）時刻路徑Ⅱ斷流→VD2、VD3斷→VT2、VT3反偏消失，通→在（）作用下產生大值沖擊電流形成電流路徑III→

同向→電機作反接制動至下周期（）時刻

同向→再生制動（能量回饋電源）→直至（），路徑Ⅳ斷流→VT1、VT4得以導通，進入下一周期可逆脈寬調制調速

（4）→但在續(xù)流及反電勢共同作用下電流方向不變→VD1、VD4通→形成電流路徑Ⅳ→可逆脈寬調制調速

輸出電壓一周期內瞬時電壓為雙極性方波，平均值負載電壓系數(shù)正/反轉控制當電機靜止，但瞬時電壓波形→→→轉子抖動（微振），起動力潤滑作用，有利減少起動靜摩擦?？赡婷}寬調制調速

當雙極性控制時正/反轉通過（占空比）控制（1）正/反轉控制

雙極性只需改變位置（占空比），方便

單極性除基極驅動信號處，還需極性電壓，復雜（2）低速時小值電樞電壓獲取機理

單極性時最低電壓由最小脈沖寬度控制，但基極驅動脈沖過窄將影響開關元件可靠導通，故有最小脈寬、最低

最低速度限制。

雙極性電樞電壓靠正、負半周對消實現(xiàn)，此時正、負半周均有使開關元件可靠導通的脈沖寬度。（3）雙極性輸出電壓=0時有高頻微抖，有利消除轉子靜摩揸及起動；但因四管均導通，器件開關損耗大單極性/雙極性控制性能比較

直流電動機調速系統(tǒng)轉速控制

開環(huán)系統(tǒng)控制調節(jié)可控整流器的移相角α，改變輸出電壓從而實現(xiàn)電機調壓調速直流電動機調速系統(tǒng)轉速控制

無調速精度

應采用速度閉環(huán)控制，提高靜差度轉速閉環(huán)系統(tǒng)控制

系統(tǒng)結構框圖

PI調節(jié)器特性（優(yōu)點）①靜態(tài)無差調節(jié)②快速動態(tài)響應PI調節(jié)器

在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例積分控制（proportional–integral），簡稱PI控制，又稱PI調節(jié)。PI控制器問世至今已有近70年的歷史了，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術工具。

當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，系統(tǒng)的控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PI控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時候，便最適合用PI控制技術。PI調節(jié)器

PI控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關系在時域中可表示如下:公式中e(t)表示誤差、控制器的輸入，u(t)是控制器的輸出，kp為比例系數(shù)、ki積分系數(shù)。

在復頻域中可表示如下:比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差訊號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

對一個控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。Kp加大，提高系統(tǒng)動態(tài)性能；Kp過大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能差。PI調節(jié)器PI調節(jié)器積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。

為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取關于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。

因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。Ki加大，系統(tǒng)容易振蕩，區(qū)域不穩(wěn)定；Ki過小，積分作用太弱，以致穩(wěn)態(tài)誤差難以快速減小。PI調節(jié)器比例積分（PI）控制

將兩者結合，克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。

PI調節(jié)器輸入輸出特性閉環(huán)系統(tǒng)PI調節(jié)器動態(tài)過程穩(wěn)態(tài)精度高動態(tài)響應快速差，對應，送ST經比例—積分調節(jié)，ST輸出[例]

設=1000r/min，加載后因造成速度下降至，形成，增大使，即（對應1000），（無差）即速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)無差速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)

無差的維持機制——積分記憶功能當時，，調節(jié)器輸入為零，但由于PI調節(jié)器的積分作用，對過去出現(xiàn)過的誤差有記憶，則積分輸出不為零，輸出值，維持（無差）只有出現(xiàn)，出現(xiàn)反向積分才減小。

圖示速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)

快速動態(tài)響應調節(jié)器的限幅輸出功能*當在一定范圍，輸出為誤差的P-I運算結果，調節(jié)器為真正PI調節(jié)器。*當過大，輸出被限幅，調節(jié)器蛻化為限幅器，無調節(jié)功能。速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)誤差大小，調節(jié)器起不同作用（功能），按調節(jié)器誤差大小，進入還是退出飽和而定。

飽和限幅后，調節(jié)器以最大值輸出，系統(tǒng)以最大能力加、減速，獲得快速的動態(tài)響應。速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)

僅有速度閉環(huán)缺點原因：對電流無控制速度給定突加→速度反饋值→突增→突減→突增→電樞電流由電阻限制而突增→形成調節(jié)過程電流沖擊速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)

后果：①SCR過電流燒毀；②引起直流電機換向惡化，環(huán)火；③

措施：構成速度一電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對速度、電流控制劇增，傳動系統(tǒng)轉軸強烈轉矩沖擊。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)（三）雙閉環(huán)調速系統(tǒng)1、系統(tǒng)結構

設置

開環(huán)主電路上設置兩傳感器

控制回路內設置兩調節(jié)器（PI型）雙閉環(huán)調速系統(tǒng)內環(huán)——電流負反饋電流反饋信號*取自可控整流器直流側——采用對采樣；*取自可控整流器交流側——三相交流互感器（C.T.）+整流橋

依據(jù)：整流變壓器副邊相電流有效值（三相橋式）外環(huán)——速度負反饋速度給定與速度反饋相比較，差值信號送速度調節(jié)器ST（ASR）；

ST輸出送電流調節(jié)器LT（ACR），作LT電流給定；故PI型ST的輸出限幅值決定了調速系統(tǒng)最大電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電流給定與電流反饋相比較，差值信號送電流調節(jié)器LT（ACR）

LT輸出作可控整流器觸發(fā)脈沖移相電壓

PI型LT的輸出限幅值決定了脈沖移相角范圍*不可逆系統(tǒng)雙閉環(huán)控制信息關系系統(tǒng)控制2、系統(tǒng)控制——分析起動、負載及負載突變（擾動）時雙閉環(huán)工作過程（1）起動并負載過程

起動中電樞電流，轉速，速度給定，負載曲線如圖

全過程分①起動；②加速；

③PI調節(jié)至穩(wěn)定

三段系統(tǒng)控制起動

特征：

由（限幅值）

ST、LT全部飽和限幅，蛻化為限幅器，系統(tǒng)實為速度、電流雙開環(huán)過程電機靜止，給定突加，很大，ST飽和，輸出限幅，無調節(jié)作用

電流給定為限幅值→對應電流指令；電流未建立，，LT輸入，LT飽和，輸出限幅，推，至使。因轉子慣性，系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制加速

特征（A）恒定（電流調節(jié)結果，非限幅）（B）ST飽和限幅，LT作PI調節(jié)，實為電流單閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)控制過程很大→ST仍飽和限幅，無調節(jié)作用(速度開環(huán))。

ST輸出為限幅值→使LT以

為指令值→電流閉環(huán)不斷調節(jié)整流觸發(fā)角→動態(tài)地保持，維持與給定無差——“動態(tài)平衡”系統(tǒng)控制

動態(tài)平衡過程：隨并維持不變電機以恒定

加速，系統(tǒng)控制PI調節(jié)至穩(wěn)定

特征（A）轉速穩(wěn)定至，電流穩(wěn)定至（對應）；（B）ST、LT均作PI調節(jié)，真正速度、電流雙閉環(huán)工作。系統(tǒng)控制過程首先分析進入本階段開始點的初值情況

速度：上階段末加速至輸入；但PI型ST的積分（記憶）作用使ST輸出→仍暫作飽和輸出→電流指令為。

電流：上階段末，與指令相同PI型LT的積分（記憶）作用使LT輸出→迫使移至能產生的位置。系統(tǒng)控制故以進入③，會用驅動而加速過頭，出現(xiàn)——轉速超調超調時調節(jié)器反向積分→ST退出飽和，進入PI調節(jié)命令輸出其中時，（超調）最大，以后。系統(tǒng)控制由于電磁慣性，可能達電機進入制動回升重新回到（平衡）經幾次振蕩，PI調節(jié)達平衡雖，但PI調節(jié)器積分記憶功能使→推至適當位置→產生合適、、T→保證系統(tǒng)靜態(tài)無差運行。系統(tǒng)控制負載突變時的過渡過程

特征(A)假設負載突↑，轉速↓，ufn<ug(B)速度調節(jié)器將電流調節(jié)器的給定信號增大(C)移相角α前移，Id↑，T↑(D)T>TL時，轉速回升，使ufn接近ug(E)經過一兩次調整、振蕩，最終在T=TL的條件下重新達到平衡雙閉環(huán)控制總結在轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，速度調節(jié)器的作用：用于對電機轉速進行控制，以保障：①調速精度，做到靜態(tài)無差；使機械特性硬，滿足負載要求。②實現(xiàn)轉速快速調節(jié)。其輸出限幅值的選?。喊凑{速系統(tǒng)允許最大電流來調整，以確保系統(tǒng)運行安全(過電流保護)電流調節(jié)器的作用：實現(xiàn)對電流的控制，以保障：①精確滿足負載轉矩大小要求(通過電流控制)；②調速的快速動態(tài)特性(轉矩的快速響應)。其輸出限幅值的選?。弘娏髡{節(jié)器的輸出限幅作為可控整流器晶閘管的移相觸發(fā)電壓，其限幅值決定了觸發(fā)角的移相范圍，故應按αmin

～αmax

來調整。習題一

在轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，出現(xiàn)電網電壓波動與負載擾動時，各是哪個調節(jié)器起主要調節(jié)作用？

電壓波動負載擾動雙閉環(huán)控制總結

雙閉環(huán)調速系統(tǒng)正常工作時，調節(jié)什么參數(shù)可以改變電動機轉速？如果速度閉環(huán)的轉速反饋線突然斷掉，會發(fā)生什么現(xiàn)象？電動機還能否調速？習題一電網電壓波動：影響整流電壓Ud，整流電流Id，反映到控制信號即ufi，它從電流環(huán)介入，故電流調節(jié)器起主要作用。負載擾動：負載TL的變化將影響轉矩平衡關系，繼而影響轉速ωr，n，反映到控制信號即ufn，它從速度環(huán)介入，故速度調節(jié)器起主要作用。雙閉環(huán)控制總結習題一

雙閉環(huán)調速系統(tǒng)正常工作時，調節(jié)什么參數(shù)可以改變電動機轉速？如果速度閉環(huán)的轉速反饋線突然斷掉，會發(fā)生什么現(xiàn)象？電動機還能否調速？

雙閉環(huán)調速系統(tǒng)正常工作時，只有調節(jié)速度給定信號ug才可以改變電動機轉速。而改變速度調節(jié)器的參數(shù)(如比例系數(shù)、積分時間常數(shù))均無作用，改變負載大小也不能影響轉速，因為是速度閉環(huán)系統(tǒng)，不論負載大小均速度無差。轉速反饋線突然斷掉時，ufn＝0，使△un＝ug

－ufn

＝ug

很大，速度調節(jié)器飽和限幅輸出，調速系統(tǒng)以最大電流、最大轉矩加速，直至電磁轉矩與負載轉矩、阻尼轉矩相平衡，達到最高轉速而恒定，故電動機不可調速。雙閉環(huán)控制總結基于雙閉環(huán)的PWM調速方法基于晶閘管的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)？？？基于雙閉環(huán)的PWM調速方法■SPWM：輸出頻率的正弦“調制波”與高頻的等腰三角形“載波”相交，交點確定出各功率器的開關時刻●當某相調制波電壓高于載波電壓時，該相上橋臂元件導通，輸出●當某相調制波電壓低于載波電壓時，該相下橋臂元件通，輸出（單極性）基于雙閉環(huán)的PWM調速方法基于晶閘管的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)占空比+-閉環(huán)調速系統(tǒng)參數(shù)設計閉環(huán)調速系統(tǒng)參數(shù)設計思路靜態(tài)和動態(tài)性能典型系統(tǒng)參數(shù)設計

典型I型系統(tǒng)

典型II型系統(tǒng)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計

系統(tǒng)近似化處理

電流和轉速調節(jié)器設計

直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)典型設計閉環(huán)調速系統(tǒng)參數(shù)設計思路多環(huán)的處理每個環(huán)的設計優(yōu)點：①便于認識影響系統(tǒng)性能的主要環(huán)節(jié)，將問題分解；②可以依據(jù)低階典型系統(tǒng)進行調速系統(tǒng)參數(shù)設計。靜態(tài)和動態(tài)性能開環(huán)傳遞函數(shù)

分別代表0型，I型，II型系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能

0型I型II型階躍信號穩(wěn)態(tài)誤差零零等速度信號無窮大穩(wěn)態(tài)誤差零等加速度信號無窮大無窮大穩(wěn)態(tài)誤差γ越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但動態(tài)性能變差靜態(tài)和動態(tài)性能動態(tài)性能上升時間tr：穩(wěn)態(tài)值10%到90%所需時間延遲時間td：第一次到穩(wěn)態(tài)值50%時間峰值時間tp：響應到達第一個峰值時間

靜態(tài)和動態(tài)性能動態(tài)性能超調量σ：第一次到達穩(wěn)態(tài)值后的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分值調整時間tT：響應曲線與穩(wěn)態(tài)值偏差達到允許范圍（±2%）內時間振蕩次數(shù)N：過渡過程（0~tT）內響應曲線在穩(wěn)態(tài)值上下起伏次數(shù)

典型系統(tǒng)參數(shù)設計典型I型系統(tǒng)

開環(huán)傳遞函數(shù)

典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，具有“一階無差”特性時間常數(shù)T為固有參數(shù)，無法任意改變；調整開環(huán)放大系數(shù)K進行設計。典型系統(tǒng)參數(shù)設計典型I型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)典型I型系統(tǒng)表達式

無超調響應快

典型I型中一般阻尼系數(shù)取0.5＜ζ＜1典型系統(tǒng)參數(shù)設計典型II型系統(tǒng)

開環(huán)傳遞函數(shù)T1為比例微分時間常數(shù)；T2為慣性時間常數(shù)；K為系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)。典型II型系統(tǒng)是一種三階系統(tǒng)，具有“二階無靜差”特性典型系統(tǒng)參數(shù)設計典型II型系統(tǒng)

中頻寬開環(huán)傳遞函數(shù)T2為控制對象固有參數(shù)；參數(shù)K和T1

有待選擇。由于有兩個待定參數(shù)，增加了參數(shù)選擇問題的復雜性為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要使對數(shù)幅頻特性曲線中頻段以-20dB/sec穿過零點典型系統(tǒng)參數(shù)設計最大相角裕量準則

中頻寬此時截止頻率ωc落在轉折頻率ω1和ω2的幾何中點上定義轉折頻率ω1與ω2比值為中頻寬h由此將參數(shù)K和T1的選取轉化為h和ωc的選取問題根據(jù)最大相角裕量準則γmax典型系統(tǒng)參數(shù)設計基于γmax準則的動態(tài)跟隨性能

典型II型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

h越大，超調越小，而調節(jié)時間隨h的變化非單調將T1=hT2代入單位階躍響應求解典型系統(tǒng)參數(shù)設計基于γmax準則的動態(tài)跟隨性能

具有這種配置的典型II型系統(tǒng)就是“調節(jié)器最佳整定設計法”中的“三階最佳”系統(tǒng)取中頻寬h為4系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為兩種典型系統(tǒng)的比較

快速性和過渡品質

典型II型系統(tǒng)要求系統(tǒng)輸入端加適當?shù)臑V波緩沖環(huán)節(jié)

典型I型系統(tǒng)快速性優(yōu)于典型II型系統(tǒng)：

典型II型系統(tǒng)的過渡過程可等效為4T的慣性環(huán)節(jié)

典型I型系統(tǒng)的過渡過程可等效為2T的慣性環(huán)節(jié)

典型系統(tǒng)參數(shù)設計然而對于電機調速系統(tǒng)而言，二階優(yōu)化系統(tǒng)有明顯不足之處兩種典型系統(tǒng)的比較

對系統(tǒng)參數(shù)的依賴性

在電機調速系統(tǒng)中存在大慣性元件（平波電抗器，轉子的轉動慣量等），在典型I型系統(tǒng)優(yōu)化時，為保證快速性，需要調節(jié)器補償這些大慣性環(huán)節(jié)，當系統(tǒng)參數(shù)有所變化時，需重新整定調節(jié)器的參數(shù)。

而在典型II型系統(tǒng)優(yōu)化時，調節(jié)器的參數(shù)取決于系統(tǒng)中的小時間常數(shù)，與系統(tǒng)中大時間參數(shù)無直接關系，系統(tǒng)參數(shù)變化（更換電機，平波電抗器或者變換負載的轉動慣量等）對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響不大，調節(jié)器的參數(shù)無需改變，參數(shù)設計的魯棒性更好。這對生產適應范圍廣的通用控制器裝置有很大實際意義！

典型系統(tǒng)參數(shù)設計系統(tǒng)結構的近似化處理

高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理高頻段若干個小慣性環(huán)節(jié)可以合并為一個較大的慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計系統(tǒng)結構的近似化處理

高頻段高階系統(tǒng)的降階處理當高階項系數(shù)較小時可忽略，系統(tǒng)近似為一階慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計系統(tǒng)結構的近似化處理

純滯后環(huán)節(jié)的近似處理純滯后環(huán)節(jié)可近似化為一階慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計系統(tǒng)結構的近似化處理

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)可轉化為一個時間常數(shù)較大的積分環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

簡化模型

轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖

雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

①電機電樞回路，是一個慣性環(huán)節(jié)；②電機（包括軸上的機械負載）轉動部分的慣性，是一個大的積分環(huán)節(jié)③可控整流橋環(huán)節(jié)，由晶閘管換相時的失控引起的一個滯后環(huán)節(jié)1345542雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

④轉速和電流反饋環(huán)節(jié)，可以設計反饋系數(shù)和濾波時間常數(shù)；⑤速度環(huán)和電流環(huán)輸入端的濾波環(huán)節(jié)，通過設計濾波時間常數(shù)平衡反饋信號產生的延滯作用1345542雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

電流調節(jié)器的設計

轉為單位反饋系統(tǒng)；純滯后環(huán)節(jié)近似；小慣性環(huán)節(jié)的合并處理。雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

電流調節(jié)器的設計

令τi=Ta大慣性環(huán)節(jié)被對消，結構圖進一步簡化雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

轉速調節(jié)器的設計

近似等效

檢驗條件

整個電流環(huán)等效為一個小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

轉速調節(jié)器的設計

將等效后的電流環(huán)替換代入雙閉環(huán)調速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

轉速調節(jié)器的設計

雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

轉速調節(jié)器的設計

包含一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)可轉化為典型II型系統(tǒng)，轉速調節(jié)器為PI調節(jié)器可表示為雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

轉速調節(jié)器的設計

PI調節(jié)器接入后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)轉速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

轉速調節(jié)器的設計

積分系數(shù)選?。ㄒ话鉮可取5）轉速調節(jié)器比例放大系數(shù)雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設計直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

例題

某雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)采用晶閘管三相全橋式全控整流電路供電，基本數(shù)據(jù)為：直流電動機UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，電樞電阻Ra=0.2Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置Ts=0.