電力拖動第二章ppt課件

1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設計方法 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、性能特點和設計方法，是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。我們將重點學習：內(nèi)容提要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)學模型和動態(tài)性能分析n 調(diào)節(jié)器的工程設計方法n 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器n 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 及其靜特性n 問題的提出 第1章中表明，采用轉(zhuǎn)速負反饋和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)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果

2、對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(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 是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。2. 理想的起動過程IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnna) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) b) 理想的快速起動過程圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 性能比較n 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖

3、所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。 性能比較（續(xù)）n 理想起動過程波形如圖所示，這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。3. 解決思路 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。圖2-1 b) 理想的快速起動過程IdLntIdOIdmnIdLntIdOIdmIdcrn圖2-1 a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒

4、流過程。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：n 起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋。n 穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？ 2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。1. 系統(tǒng)的組成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG內(nèi)環(huán)外 環(huán)ni 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電

5、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、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。 系統(tǒng)原理圖 圖中表出，兩個調(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

6、力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3. 限幅電路限幅電路（續(xù)）4. 電流檢測電路2.1.2 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。2. 限幅作用 存在兩種狀況：n 飽和輸出達到限幅值 當調(diào)節(jié)器飽和時，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使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。n 不飽和輸出未達到限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時，正如1.6節(jié)

7、中所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 3. 系統(tǒng)靜特性（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和n 靜特性的水平特性 與此同時，由于ASR不飽和，U*i > U*im，從上述第二個關(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。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和n 靜特性的垂直特性 式（2-2）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 的情況，因為如果 n > n0 ，則Un &

8、gt; U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 4. 兩個調(diào)節(jié)器的作用n 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n 當負載電流達到 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，得到過電流的自動保護。2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 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。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)計算 兩個給定電壓的最大值U*nm

9、和U*im由設計者選定，設計原則如下：n U*nm受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；n U*im 為ASR的輸出限幅值。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型 和動態(tài)性能分析本節(jié)提要n 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型n 起動過程分析n 動態(tài)抗擾性能分析n 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示。2. 數(shù)學模型 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 2.2.2 起動過程分析 前

10、已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖。1. 起動過程 由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。 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 Id 小于負載電流 IdL 時，電機還不能轉(zhuǎn)動。n 當 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，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)

11、值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強迫電流 Id 迅速上升。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 Id 了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第 II 階段恒流升速階段（t1 t2） n 在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(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。第 II 階段（續(xù)）第 II 階段（續(xù)）n 與此同時，電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E

12、 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。n 當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， Id 應略低于 Idm。第 II 階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動過程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動過程中 ACR是不應飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設計時必須注意的。第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） n 當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，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 ，所以電機仍在加速，使

13、轉(zhuǎn)速超調(diào)。n 轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。第 階段（續(xù)）第 階段（續(xù)）n 直到Id = IdL時，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值（t = t3時）。第 階段（續(xù)）n 此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在一小段時間內(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，也會有一些振蕩過程。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起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡

14、快地跟隨其給定值 U*i ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 2. 分析結(jié)果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： （1）飽和非線性控制 （2）轉(zhuǎn)速超調(diào) （3）準時間最優(yōu)控制 （1） 飽和非線性控制 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：n 當ASR飽和時，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ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng) 。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(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 為負值，才能使A

15、SR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)速響應必然有超調(diào)。（3）準時間最優(yōu)控制 起動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。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。 最后，應該指出，對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性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。 2.2.3 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)

16、性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。1. 抗負載擾動抗負載擾動（續(xù)） 由動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。 抗電網(wǎng)電壓擾動（續(xù)）3. 對比分析n 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。n 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(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，在雙閉

17、環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 （4）當電機過載甚至堵轉(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)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2.3

18、調(diào)節(jié)器的工程設計方法2.3.0 問題的提出n 必要性 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設計者有扎實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學者則不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法。問題的提出（續(xù)）n 可能性 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(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，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。 n 設計方法的原則 ：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的

19、方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。2.3.1 工程設計方法的基本思路 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.設計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。2.3.2 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 (2-8) 上式中，分母中的 sr 項表示該系統(tǒng)在原點處有 r 重極點，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(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

20、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) 開環(huán)對數(shù)頻率特性n 性能特性 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對數(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 2. 典型型系統(tǒng)n 結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) n 開環(huán)對數(shù)頻率特性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 項對應的相頻特性是 180°，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)（ts +1），是為了把相頻特性抬到 180°線以上，以保證系統(tǒng)

21、穩(wěn)定，即應選擇參數(shù)滿足 2.3.3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括： 跟隨性能指標 抗擾性能指標 系統(tǒng)典型的階躍響應曲線1. 跟隨性能指標： 在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。常用的階躍響應跟隨性能指標有n tr 上升時間n s 超調(diào)量n ts 調(diào)節(jié)時間 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標2. 抗擾性能指標 抗擾性能指標標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。常用的抗擾性能指標有n DCmax 動態(tài)降落n tv 恢復時間 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。2.3.4 典型I型系統(tǒng)性能指標和參

22、數(shù)的關(guān)系 典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式（2-9）所示，它包含兩個參數(shù)：開環(huán)增益 K 和時間常數(shù) T 。其中，時間常數(shù) T 在實際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，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)。設計時，需要按照性能指標選擇參數(shù) K 的大小。 K 與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關(guān)系 圖2-13繪出了在不同 K 值時典型 I 型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性，箭頭表示K值增大時特性變化的方向。 K 與截止頻率 wc 的關(guān)系 當wc < 1 / T時，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 式（2-12）表明，K 值越大，截止頻率wc

23、也越大，系統(tǒng)響應越快，但相角穩(wěn)定裕度 g = 90° arctgwcT 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，須在二者之間取折衷。 下面將用數(shù)字定量地表示 K 值與各項性能指標之間的關(guān)系。 表2-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 由表可見：n 在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；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系統(tǒng)。（2）動態(tài)跟隨性能指標n 閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型 I 型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 n K、T與標準形式

24、中的參數(shù)的換算關(guān)系 n 二階系統(tǒng)的性質(zhì)l 當 x <1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應是欠阻尼的振蕩特性，l 當 x > 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應是過阻尼的單調(diào)特性；l 當 x = 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應是臨界阻尼。 由于過阻尼特性動態(tài)響應較慢，所以一般常把系統(tǒng)設計成欠阻尼狀態(tài)，即 0< x < 1 由于在典 I 系統(tǒng)中 KT <1，代入式（2-16）得 x > 0.5。因此在典型 I 型系統(tǒng)中應取 下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應動態(tài)指標計算公式 n 性能指標和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 表2-2 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系 （ z 與KT的關(guān)系服從

25、于式2-16） 具體選擇參數(shù)時，應根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標。2. 典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系 圖2-15a是在擾動 F 作用下的典型 I 型系統(tǒng)，其中，W1(s)是擾動作用點前面部分的傳遞函數(shù)，后面部分是W2(s) ，于是 只討論抗擾性能時，令輸入作用 R = 0，得到圖2-15b所示的等效結(jié)構(gòu)圖。 圖2-15 擾動作用下的典型I型系統(tǒng) 由于抗擾性能與 W1(s) 有關(guān)，因此抗擾性能指標也不定，隨著擾動點的變化而變化。在此，我們針對常用的調(diào)速系統(tǒng)，分析圖2-16的一種情況，其他情況可仿此處理。經(jīng)過一系列計算可得到表 2-3 所示的數(shù)據(jù)。n 分析結(jié)果 由表2-3中的數(shù)據(jù)可

26、以看出，當控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復時間卻拖得較長。2.3.5 典型II型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系 n 可選參數(shù)： 在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式(2-10)中，與典型 I 型系統(tǒng)相仿，時間常數(shù)T也是控制對象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個： K 和 t ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復雜性。 為了分析方便起見，引入一個新的變量 (圖2-16)，令 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性n 中頻寬h 由圖可見，h 是斜率為20dB/dec的中頻段的寬度（對數(shù)坐標），稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此 h 值是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。 只要按

27、照動態(tài)性能指標的要求確定了h值，就可以代入這兩個公式計算K 和t ，并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 表25 II型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 由表可知： n 在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無差；n 加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。表2-6 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按Mrmin準則確定關(guān)系時）圖2-17b 典型II型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n 擾動系統(tǒng)的輸出響應在階躍擾動下， 由式（2-43）可以計算出對應于不同 h值的動態(tài)抗擾過程曲線DC(t)，從而求出各項動態(tài)抗擾性能指標，列于表2-7中。在計算中，為了使各項指標都落在合理的范圍內(nèi)，取輸出量基準值為 表

28、2-7 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系 （控制結(jié)構(gòu)和階躍擾動作用點如圖2-18，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準則） 由表2-7中的數(shù)據(jù)可見，一般來說， h 值越小， Cmax/Cb 也越小， tm 和 tv 都短，因而抗擾性能越好，這個趨勢與跟隨性能指標中超調(diào)量與 h 值的關(guān)系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的矛盾。 但是，當 h < 5 時，由于振蕩次數(shù)的增加， h 再小，恢復時間 tv 反而拖長了。 n 分析結(jié)果 由此可見，h = 5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2-6）。 因此，把典型型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項性能指標綜合起來看，h = 5應該是一個很好

29、的選擇。 n 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，在動態(tài)性能中，n 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，n 典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。 這是設計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。2.3.6 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似 處理非典型系統(tǒng)的典型化1. 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇n 基本思路: 將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。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)的控制對象和相應的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)列于表 2-8和表2-9中，表中還給出了參數(shù)配合關(guān)系。有時僅靠 P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求

30、，就不得不作一些近似處理，或者采用更復雜的控制規(guī)律。表2-8 校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇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 實際系統(tǒng)中往往有若干個小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時間常數(shù)所對應的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。例如，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 當系統(tǒng)有一組小慣性群時，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個小慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)等于小慣性群中各時間常數(shù)之和。 （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。以三階系統(tǒng)

31、為例，設 其中，a，b，c都是正系數(shù)，且bc >a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。n 降階處理 若能忽略高次項，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為n 近似條件 （3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 表2-9中已經(jīng)指出，當系統(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)，即 n 近似條件 n 對頻率特性的影響2.4 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應用前述的工程設計方法來設計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。主要內(nèi)容為 系統(tǒng)設計對象 系統(tǒng)設計原則 系統(tǒng)設計步驟1. 系統(tǒng)設計對象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖2-22，它與前述的圖2-6不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包

32、括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中n Toi 電流反饋濾波時間常數(shù)n Ton 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 2. 系統(tǒng)設計原則n 系統(tǒng)設計的一般原則 “先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。設計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化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)計算4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化簡化內(nèi)容n 忽略反電動勢的動態(tài)影響 n 等效成單位負反饋系統(tǒng) n 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 n 忽略反電動勢的動態(tài)影響 在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動

33、態(tài)影響，即DE0 。 這時，電流環(huán)如下圖所示。 n 等效成單位負反饋系統(tǒng) 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)（圖2-23b）。 n 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，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-23c。 2.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2-23c可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。l 從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電

34、流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。 n 電流調(diào)節(jié)器選擇 圖2-23c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中 3. 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 式（2-57）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki 和 ti， 其中 ti 已選定，見式（2-58），剩下的只有比例系數(shù) Ki， 可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指

35、標選取。n 參數(shù)選擇 在一般情況下，希望電流超調(diào)量si 5%，由表2-2，可選 x =0.707，KI TSi =0.5，則n 注意 如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標不同，式（2-60）和式（2-61）當然應作相應的改變。 此外，如果對電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗一下抗擾性能指標是否滿足。4. 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)n 模擬式電流調(diào)節(jié)器電路n 電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計算公式設計分為以下幾個步驟：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)器的實現(xiàn)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)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須

36、求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-24a可知 n 傳遞函數(shù)化簡忽略高次項，上式可降階近似為 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)的輸入量應為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為 n 物理意義 這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，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。 2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇n 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu) 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-22 中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-26a所示。n 系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為

37、1 / KI 和 Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中n 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化 n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見圖 2-26b），現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為n 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為n 校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和 tn。按照

38、典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(2-38) n 參數(shù)選擇 至于中頻寬 h 應選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定。 無特殊要求時，一般可選擇 4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)n 模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算n 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 外環(huán)的響應比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。 n 設計舉例 請見教材例題2-1和例題2-2。*2.6 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本節(jié)提要n 調(diào)壓與弱磁的配合控制n 非獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng)n 弱磁過程的直流電機數(shù)學模型和弱磁控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 *2.6.1 調(diào)壓

39、與弱磁的配合控制n 概 述 在他勵直流電動機的調(diào)速方法中，前面討論的調(diào)電壓方法是從基速（即額定轉(zhuǎn)速 nN ）向下調(diào)速。 如果需要從基速向上調(diào)速，則要采用弱磁調(diào)速的方法，通過降低勵磁電流，以減弱磁通來提高轉(zhuǎn)速。 兩種調(diào)速方式1. 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式 按照電力拖動原理，在不同轉(zhuǎn)速下長期運行時，為了充分利用電機，都應使電樞電流達到其額定值 IN。于是，由于電磁轉(zhuǎn)矩 Te = KmF I ，在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，因為勵磁磁通不變，容許的轉(zhuǎn)矩也不變，稱作¡°恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式¡±。2. 恒功率調(diào)速方式 而在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許的轉(zhuǎn)矩不得不減少，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的

40、乘積則不變，即容許功率不變，是為¡°恒功率調(diào)速方式¡±。 由此可見，所謂“恒轉(zhuǎn)矩”和“恒功率”調(diào)速方式，是指在不同運行條件下，當電樞電流達到其額定值 IN 時，所容許的轉(zhuǎn)矩或功率不變，是電機能長期承受的限度。實際的轉(zhuǎn)矩和功率究竟有多少，還要由其具體的負載來決定。 恒轉(zhuǎn)矩類型的負載適合于采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而恒功率類型的負載更適合于恒功率的調(diào)速方式。但是，直流電機允許的弱磁調(diào)速范圍有限，一般電機不超過 1:2 ，專用的¡°調(diào)速電機¡±也不過是 1:3 或 1:4 。n 調(diào)壓和弱磁配合控制 當負載要求的調(diào)速范圍更大時，

41、就不得不采用調(diào)壓和弱磁配合控制的辦法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調(diào)節(jié)電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速，這樣的配合控制特性示于下圖。 從圖中可知：調(diào)壓與弱磁配合控制只能在基速以上滿足恒功率調(diào)速的要求，在基速以下，輸出功率不得不有所降低。*2.6.2 非獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng)1. 系統(tǒng)設計要點：n 在基速以下調(diào)壓調(diào)速時，保持磁通為額定值不變；n 在基速以上弱磁升速時，保持電壓為額定值不變；n 弱磁升速時，由于轉(zhuǎn)速升高，使轉(zhuǎn)速反饋電壓也隨著升高Un，因此必須同時提高轉(zhuǎn)速給定電壓Un*，否則轉(zhuǎn)速不能上升。2. 獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)部件說明圖中n RP2 給定電

42、位器n AFR勵磁電流調(diào)節(jié)器n VFC勵磁電流可控整流裝置 工作原理n 在基速以下調(diào)壓調(diào)速時， RP2不變保持磁通為額定值，用RP1調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)起控制作用。n 在基速以上弱磁升速時， 通過RP2減少勵磁電流給定電壓，從而減少勵磁磁通，以提高轉(zhuǎn)速；為保持電樞電壓為額定值不變，同時需要調(diào)節(jié)RP1 ，以提高電壓。 由于需要分別調(diào)節(jié)RP1和RP2 ，因此稱為獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng)。3. 非獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng) 在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的基礎上進行弱磁控制，調(diào)壓與調(diào)磁的給定裝置不應該完全獨立，而是要互相關(guān)聯(lián)的。從上圖可以看出，在基速以下，應該在滿磁的條件下調(diào)節(jié)電壓，在基速以上，應該在額定電壓下調(diào)節(jié)勵磁，因此存在恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)壓調(diào)速和恒功率的弱磁調(diào)速兩個不同的區(qū)段。 實際運行中，需要選擇一種合適的控制方法，可以在這兩個區(qū)段中交替工作，也應該能從一個區(qū)段平滑地過渡到另一個區(qū)段中去，下圖便是一種已在實踐中證明很方便有效的控制系統(tǒng)，稱作非獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng)。 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)部件說明圖中n TVD 電壓隔離器n AE 電動勢運算器n AER 電動勢調(diào)節(jié)器 工作原理n 控制的基本思想 根據(jù) E = KeF n 原理，若能保持電動勢E不變，則減少電動