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

2、其靜特性及其靜特性 n問(wèn)題的提出 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(wú)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(guò)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(lái)控制電流的，但 它只能在超過(guò)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(guò)程 IdL n t Id O Idm a) 帶電流截止負(fù)

3、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(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形 2. 理想的起動(dòng)過(guò)程 IdL n t Id O Idm Idcr 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(guò)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(lái)， 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨 之減小，加速過(guò)程延 長(zhǎng)。 IdL n t Id O Idm Idcr 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(guò)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(guò)程。 圖3-1 b) 理想的快

4、速起動(dòng)過(guò)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(guò)程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量 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(guò)程。 現(xiàn)在的問(wèn)題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制： n起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)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(méi)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)

5、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。 TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + -Uc TA V M + - Ud Id UPE L - M TG + 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

6、、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 + + - + - M TG + - + - RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id RiCi Ud + + - R0 R0 RnCn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM M TG

7、UPE 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 C1R1 R0 Rlim VD1 VD2 限幅電路（續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路 R1C1 VS1VS2 R0Rlim 4. 電流檢測(cè)電路 電流檢測(cè)電路 TA電流互感器 TA 3.1.2 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(huà)出 來(lái)，只要注意用帶

8、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/Ce U*nUc Id E nUd0 Un + - ASR + U*i - R ACR - Ui UPE 2. 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)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)， 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(kāi)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

9、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(lái)說(shuō)，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 n0 IdIdmIdnom O n A B C （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 di * i 0n * n IUU nnUU 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 * n n U n 從而得到上圖靜特性的CA段。 (3-1) n 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

10、式可知: Id Idm。 這就是說(shuō)， 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(kāi)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(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié) 系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm * im d I U I 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(guò)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（3-2）所描述的靜特性是上圖中的 AB段，它是垂直

11、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(wú)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(wú)靜差，得到過(guò)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(kāi)環(huán)放 大系數(shù)并不是無(wú)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)際上都略有很小的靜差，

12、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 * n nnUU dLdi * i IIUU s dL * ne s de s d0 c / K RIUC K RInC K U U (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(shuō)，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)

13、節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正 比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其 輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)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(wú)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 * nm n U dm * im I U (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

14、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(guò)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 -IdL n Ud0 Un + - - + - U

15、i WASR(s)WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/Ce + E 2. 數(shù)學(xué)模型 圖中WASR(s)和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 s s KsW n n nASR 1 )( s s KsW i i iACR 1 )( 3.2.2 起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程示于下圖。 圖3

16、-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 O O t t Idm IdL Id n* III III t4 t3 t2 t1 1. 起動(dòng)過(guò)程 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷 了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè) 動(dòng)態(tài)過(guò)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(kāi)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)

17、迫電流 Id 迅速上升。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 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(kāi)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 O O III

18、 III t4 t3 t2 t1 t t 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(lái)說(shuō)，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(shuō)， Id 應(yīng)略低于 Idm。 第 II 階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)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(guò)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

19、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(kāi)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 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 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

20、n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第 階段（續(xù)） n此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi) 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(guò)程。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第 階段（續(xù)） 在這最后的轉(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(shuō)，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(guò)

21、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(kāi)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(wú)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采用了飽和非線性控制，起動(dòng) 過(guò)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)

22、必然有超調(diào)。 （3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)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(guò)載能力，使起動(dòng) 過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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)，

23、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/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Ks Tss+1 ACR U*i Ui - E Id 1. 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(lái)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. 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) Ud U*n -IdL Un + - ASR 1/Ce n Ud0 1/R Tl

24、 s+1 R Tms Id Ks Tss+1 - E 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)） -IdLUd b)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/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 ACR U*i Ui - E 3. 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(guò)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(lái)，抗擾性能大有改善。 4. 分析結(jié)果 因此，

25、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(wú)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(guò)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)

26、器的輸出量） 變化。 （2）對(duì)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(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。 （4）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)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(lái)說(shuō) 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(wèn)題的提出問(wèn)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

27、 的設(shè)計(jì)方法。 問(wèn)題的提出（續(xù)） n 可能性： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(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(guò)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)

28、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 典型系統(tǒng)典型系統(tǒng) 一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 都可表示為 (3-8) n 1i i r m 1j j ) 1( ) 1( )( sTs sK sW )(sW R(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(shuō)，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

29、系統(tǒng) n結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) ) 1( )( Tss K sW )(sR ) 1(Tss K )(sC 式中 T 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)； K 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。 （3-9） 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 O 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 T 1 c 1 c T或 于是，相角穩(wěn)定裕度 45arctg90arctg90180 cc TT 2. 典型型系統(tǒng) n結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) ) 1( ) 1( )( 2 Tss sK sW )(sR)(sC

30、) 1( ) 1( 2 Tss sK （3-10） n開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 O 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 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 T 11 c T 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(guò)程和跟隨性能指標(biāo) %100 max C CC 上

31、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(guò)渡過(guò)程作為典型的跟隨過(guò)程， n此跟隨過(guò)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(guò) 渡過(guò)程就是一個(gè)抗擾過(guò)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(guò)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)

32、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(guò) 渡過(guò)程就是一個(gè)抗擾過(guò)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(lái)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

33、 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(kāi)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

34、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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如式（3-9） 所示，它包含兩個(gè)參數(shù)：開(kāi)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(kāi)環(huán)增益 K ，也就是說(shuō)， K 是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照 性能指標(biāo)選擇參數(shù) K 的大小。 K 與開(kāi)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(kāi)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20d

35、B/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 cc lg20) 1lg(lg20lg20K 所以 K = c （當(dāng) c 時(shí)） T 1 (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(shuō)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 / K 0 )(RtRtvtR 0 )( 2 )( 2 0t a

36、 tR 1. 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(lái)表示。 由表可見(jiàn)： n在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)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， 自然振蕩角頻率； 阻尼比。 n 1，欠阻尼的振蕩特性， n 1，過(guò)阻尼的單調(diào)特性； n = 1，臨界阻尼。 n過(guò)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。

37、 22 2 22 1 ) 1( 1 ) 1( )(1 )( )( nn n cl ss T K s T s T K Tss K Tss K sW sW sW T K n KT 1 2 1 nK、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系 T K n KT 1 2 1 T2 1 n (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

38、、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/( 2 e )arccos( 1 2 2 T tr 2 1 n p t 9 . 0%5 Tt n s 6 3 2 1 24 214 nc 2 1 24 214 2 arctg 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)

39、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 1.0 0 % 76.3 0.243/T 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 69.9 0.367/T 0.707 4.3 % 4.7T 6.2T 65.5 0.455/T 0.6 9.5 % 3.3T 4.7T 59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T 3.2T 51.8 0.786/T 2. 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

40、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 )(sWACR n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(xiě)成C， n此時(shí)圖a)變?yōu)?圖b)，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 / ps KK K RK/ 2 s TT 1 l TT 2 2 T 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(guò)程函數(shù)為 （3-25） n式中 為控制對(duì)象中

41、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(guò)程曲線。 s F sF)( )(1( ) 1( 1 1 )()(1 )( )( 2 2 2 21 2 2 21 2 KsTssT TsFK Ts KK s sT FK sWsW sW s F sC ) 122)(1( ) 1(2 )( 22 2 2 TssTsT TsTFK sC 2 sin 2 cos)1 ( )1( 122 2 )( 2/2/ / 2 2 2 T t me T t em em mm mFK tC TtTt Tt 1 2 1 T T m n在計(jì)算抗擾性能指標(biāo)時(shí)，為了方便起見(jiàn)， 輸出量的最大動(dòng)態(tài)降落Cmax用基準(zhǔn)值

42、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(kāi)環(huán)系統(tǒng)輸出值作為基準(zhǔn)值， 即 Cb=Fk2 (3-26) 22 1 T T T T m 5 1 10 1 20 1 30 1 %100 max b C C 27.8%12.6%9.3%6.5% tm / T2.83.43.84.0 tv / 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 . 0KT 2b CFK n 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

43、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(kāi)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 Tss sK sW 1 2 T h 圖3-16典型型系統(tǒng) (a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (b)開(kāi)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

44、）越高，則 系統(tǒng)的快速性越好； 3、低頻段的斜率陡、增益高，說(shuō)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(shuō)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(kāi)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。 c K1 T cc arctanarctan n采用“振蕩指標(biāo)法”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) 1

45、2 2 h h c 2 1 1 h c hT 22 22 11 2 1 2 1 ) 1 ( 2 1 Th hh hT h K c 1 2 T h 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 )(RtRtvtR 0 )( 2 )( 2 0t a tR Ka / 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(wú)差； n加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開(kāi)環(huán)增益K成 反比。 （2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)）

46、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(kāi)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 ) 2 1 ( ) 1( ) 1( )( 2222 Tss hTs Th h Tss sK sW 1 1 2 1 2 1 ) 1( 2 1 ) 1( ) 1( 2 1 )(1 )( )( 22 2 33 2 22 2 22 hTssT h h sT h h hTs hTs Th h Tss hTs Th h sW sW sWcl s sR 1 )( 1 1 2 1 2 1 )( 22 2 33 2 hTssT h h sT h h s hTs

47、 sC h 3 4 56 7 8 9 10 tr / T ts / T k 52.6% 2.4 12.15 3 43.6% 2.65 11.65 2 37.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.45 1 29.8% 3.1 11.30 1 27.2% 3.2 12.25 1 25.0% 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(jiàn)3.4.4 圖3-17 轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用

48、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) )(sWcli 2. 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， 1Ts K d n取 ， n于是（3-33） （3-32） hTKKKKKK dpi 12111 ,/ ) 1( ) 1( )( 1 1 Tss hTsK sW 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 s K sW 2 2 )( n在階躍擾動(dòng)下， ,按Mrmin準(zhǔn)則確定 參數(shù)關(guān)系 1 1 2 1 2 )

49、1( 1 2 )( 22 2 33 2 2 2 2 hTssT h h sT h h TsTFK h h sC （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)作用點(diǎn)如圖3-18所示，參數(shù)關(guān)系符合 準(zhǔn)則） minr M h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cb tm / T tv / T 72.2% 2.45 13.60 77.5% 2.70 10.45 81.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.95 86.3% 3.15 16.85 88.1% 3.25 19.80 89.6% 3.30 22.

50、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(jiàn)，中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)， 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(jiàn)表最短的條件是一致的（見(jiàn)表3- 5）。）。 h b CC/ max m t 5h h v t 5h s t n兩種系統(tǒng)比較 比較分析的結(jié)果可以看出，

51、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

52、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)(1)(1( 321 2 sTsTsT K ) 1)(1( 21 2 sTsT K T1、T2 T3 1 2 Ts K ) 1( 2 Tss K ) 1)(1)(1( 321 2 sTsTsT K 321 ,TTT s sK 1 1pi ) 1( s Ki

53、 p K s s ) 1)(1( 21 s sK 1 1pi ) 1( 11 T 2211 ,TT 32 11 , TTT T T1 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( 2 Tss K 21 21 2 ) 1)(1( TT sTsT K 相近 21 21 2 , ) 1)(1( TT sTsTs K 都很小 21 21 2 , ) 1)(1( TT sTsTs K 321 321 2 ) 1)(1)(1( TTT sTsTsT K 、 認(rèn)為： s sK 1 1pi ) 1( s sK 1 1pi 1 s s ) 1)(1( 21 h

54、T 1 認(rèn)為： 21 hT sTTs 11 1 1 1 ）（或 ）（或 122 211 ThT hThT )( 211 TTh )( 321 TTh sTsT 11 1 1 1 s sK 1 1pi 1 s sK 1 1pi 1 2. 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(lái)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(kāi)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

55、 的頻率特性為 （3-37） ) 1)(1( )( 21 sTsTs K sW )()1 ( 1 ) 1)(1( 1 )( 21 2 2121 TTjTTTjTj jW ) 1( )( Tss K sW )(1 1 1 1 )( 21 TTjTj jW n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(xiě)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) 1 2 21 TT 21 3 1 TT c 1)( 1 ) 1)(1)(1( 1 321321 sTTTsTsTsT 133221 1 3 1 TTTTTT c

56、 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 )( 23 csbsas K sW(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 )( cs K sW (3-51) ), 1 min( 3 1 c a c b (3-52) （3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 表3-

57、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 1 1 TsTs 1 n近似條件 T 3 c (3-54) ) 1( ) 1( )( 2 2 1 b sTsT sK sW ) 1)(1( ) 1( )( 21 a sTsTs sK sW 例如： c n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

58、來(lái)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 -IdL Ud0 Un + - - + - Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*i Uc Ks Tss+1 Id 1 Ce+ E T0is+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 T0ns+1 U*nn 電流內(nèi)環(huán) 圖3-22 雙閉環(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）

59、。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(kāi)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)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

60、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(lái)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(lái) 說(shuō)，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(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。 0E lm ci TT 1 3 n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)變化的動(dòng)態(tài)影響，即E0。 這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。 Ud0(s) + - Ui (s) ACR 1/R Tl s+1 U*i(s) Uc (s) Ks Tss+1 Id (s) T0