電力拖動自動控制系統(tǒng)第2章-轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法-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(shè)計方法 電力拖動自動控制系統(tǒng)第 2 章內(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、性能特點和設(shè)計方法，也是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析（從起動和抗撓兩方面分析其性能，與“轉(zhuǎn)速”、“電流”兩個調(diào)節(jié)器的作用）一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器了解弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng): 特性軟。比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)：有

2、靜差, 堵轉(zhuǎn)電流大; 即使加電流截至負反饋環(huán)節(jié), 運行時仍有靜差。采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(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。問題的提出 如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性:主要原因 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。a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動

3、過程的電流和轉(zhuǎn)速波形IdLntIdOIdmIdcrn如何提高快速性？ 看: 速度控制與電流控制的關(guān)系.2. 速度控制與電流控制的關(guān)系 所以: 為提高快速性，需在充分利用電機過載能力（Id=Idm）的情況下, 使電機以最大加速度，升速或減速。, 所以:b) 理想的快速起動過程IdLnIdm圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形3. 理想的起動過程tIdOn在過渡過程中：始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值, 使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動；達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后：立即讓電流降下來。使轉(zhuǎn)矩與負載相平衡，轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)（龍門刨床、可逆軋鋼機等）， 盡量縮短起、制動過程

4、時間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。 可在最大允許電流限制的條件下，充分利用電機的過載能力。4. 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。 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(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。同時，希望能實現(xiàn)：起動過程中: 只有電流負反饋, 沒有轉(zhuǎn)速負反饋。達到穩(wěn)態(tài)后: 轉(zhuǎn)速負反饋起主導(dǎo)作用; 電流負反饋僅為電流隨動子系統(tǒng)。 在原（轉(zhuǎn)速）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中再添加“電流”負反饋，就構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 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

5、分別起作用, 可在系統(tǒng)中設(shè)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。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG1. 系統(tǒng)的組成圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán)ni圖中：1）把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作電流調(diào)節(jié)器的輸入； 2）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)為內(nèi)環(huán)； 轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(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)電路原理結(jié)構(gòu)為獲得良好的靜

6、、動性能, 轉(zhuǎn)速和電流用 PI調(diào)節(jié)器。說明：圖中標出的兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性, 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。2. 系統(tǒng)電路原理結(jié)構(gòu)（續(xù)）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；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。 兩個調(diào)節(jié)器的輸出都帶限幅給定電壓極性與單環(huán)系統(tǒng)不同 給定電壓極性與單環(huán)系統(tǒng)不同。 限幅電路 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?？珊芊奖愕馗鶕?jù)原理圖畫出。 注意：用帶限幅的輸出特性表

7、示PI 調(diào)節(jié)器。 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。 限幅作用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)。不飽和輸出未達到限幅值 當調(diào)節(jié)器不飽和時, PI 的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握帶輸出限幅 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特

8、征。存在兩種狀況：3. 系統(tǒng)靜特性 實際上, 在正常運行時, 電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。?為什么電流調(diào)節(jié)器一般不飽和？Tm比Tl時常大很多, 電流跟蹤性能快得多; 起動過程中, IdIdm; 而轉(zhuǎn)速越低, E越小; Udo=E+Rid也較小且漸升, 所需控制電壓Uc也是線性變化; （起動后）運行時: Id下降到id=IdL(Idm), ASR退飽和,U*i下降, Uc, Udo也會下降; 飽和如發(fā)生也是在起動過程的后期, 當轉(zhuǎn)速n升到nN, 而id=Idm時（此時Udo較大）; 不過一般UPE最大輸出電壓都留有余量。3. 系統(tǒng)靜特性 因?qū)嶋H中, 在正常運行時, 電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀

9、態(tài)。 因此, 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。 圖: 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdNOnABC(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和由于ASR不飽和, U*iU*im, 可知: Id Idm。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，具有水平特性。 式中: , 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個關(guān)系式可得： 從而得到上圖靜特性的CA段，運行段。 (2-1) 靜特性的水平特性(2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ASR輸出達限幅值U*im; 轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀,

10、 轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。 雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一電流無靜差單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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nn0, 則UnU*n, ASR將退出飽和狀態(tài)。 式中: 最大電流 Idm 是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。(2-2) 穩(wěn)態(tài)時: 靜特性的垂直特性3. 兩個調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)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。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, 表現(xiàn)為電流無靜差, 得到過電流的自動保護。 Ks 1/CeU*nUc

11、IdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE3. 兩個調(diào)節(jié)器的作用負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差, 轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。(運行段)。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, 電流無靜差。（起動段）。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而實際上: 運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大;為了避免零點飄移而采用 “準PI調(diào)節(jié)器”。靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差, 如上圖中虛線所示。 2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 穩(wěn)態(tài)工作中, 當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時, 各變量之間有下列關(guān)系:(2-3) (2-

12、5) (2-4) 表明, 用雙PI調(diào)節(jié)器時在穩(wěn)態(tài)工作點上:轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的; ASR的輸出量U*i是由負載電流 IdL 決定的; 控制電壓Uc的大小, 同時取決于n和IdL, 或取決于U*n 和 IdL。 PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點 這些關(guān)系也反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點: P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量; 而PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(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。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而和無靜差系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計算相似。(2-3) (2

13、-5) (2-4) 反饋系數(shù)計算根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) （2-6）電流反饋系數(shù) （2-7） !2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能本節(jié)提要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型起動過程分析動態(tài)抗擾性能分析轉(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(xué)模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU

14、*iId1/Ce+E注: 為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電流Id顯露出來. 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:圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2.2.2 起動過程分析 設(shè)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。分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時, 首先探討它的起動過程。 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

15、動態(tài)過程就分為對應(yīng)的 三個階段。圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1. 起動過程 圖：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。 整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段：電流上升時間、轉(zhuǎn)速上升時間、轉(zhuǎn)速調(diào)整階段。 第 I 階段:電流上升的階段 突加給定電壓U*n后：Id 上升。當IdIdL時, 電機還不能轉(zhuǎn)動。當IdIdL后: 電機開始起動。由于機電慣性, 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)值仍較大, 其輸出電壓保持限幅值U*

16、im, 強迫電流Id迅速上升。直到Id=Idm,Ui=U*im：電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長。這一階段的結(jié)束。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 II 階段恒流升速階段 這階段, ASR始終飽和,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), 電流Id恒定, 加速度恒定, 轉(zhuǎn)速線性增長。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt同時,電機反電動勢E線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng), E是一個線性漸增的擾動量, 為了克服它的擾動, Ud0和Uc基本上按線性增長,保持Id恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時,

17、 要使其輸出量線性增長, 其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值, 既: Id應(yīng)略低于Idm。第 II 階段恒流升速階段 恒流升速階段是起動過程中的主要階段電機在最大電流下以恒加速度升速。 還要指出一點: 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(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)計時必須注意的。第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當轉(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, 使轉(zhuǎn)速超調(diào)。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt直到Id=IdL時, 轉(zhuǎn)

18、矩Te=TL, 則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達峰值（t =t3時）。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 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段此后, 電動機開始在負載的阻力下減速, 相應(yīng)(t3t4)小段時間內(nèi), IdIdL, 直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好, 會有些振蕩過程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt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,

19、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), 不同狀態(tài)下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng):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)。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ASR退出飽和

20、。 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)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。 但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，導(dǎo)致實際起動過程和理想過程相比有些差距，但這兩階段占的時間很短。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(yīng)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, 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

21、 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)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/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗負載擾動IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用 由動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出: 負載擾動在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)內(nèi)、電流反饋環(huán)外。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(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標。圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電網(wǎng)電壓擾動UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenU

22、d01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E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。 2. 抗電網(wǎng)電壓擾動（續(xù)）-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E雙閉環(huán)系統(tǒng)中：由于增設(shè)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。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?？闺妷簲_

23、動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中：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）?？箶_性能大有改善。 因此, 在雙閉環(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。單、雙環(huán)抗電網(wǎng)電壓撓動性能對比分析 總結(jié)：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。對負載變化起抗擾作用（抗負載撓動）。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。

24、2. 電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,在外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中, 其作用是“使電流緊緊跟隨其電流給定信號”(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,從而加快（起動、升降速）動態(tài)過程。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(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用（續(xù)）2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法2.3.0 問題的提出必要性 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)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

25、盾的靜、動態(tài)性能要求。需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則不易掌握。于是有必要建立實用的設(shè)計方法?？赡苄袁F(xiàn)代電力拖動自控系統(tǒng)大多可由低階系統(tǒng)近似。可歸結(jié)出幾種少數(shù)典型低階 系統(tǒng)。事先：深入研究低階典型系統(tǒng)的特性，弄清參數(shù)與性能指標間的關(guān)系，并寫成公式或制成圖表。設(shè)計時：將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式，就可用現(xiàn)成的公式和表格計算參數(shù)。設(shè)計過程簡便！ 這就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。 2.3.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的原則與基本思路有必要性, 有可能, 各種工程設(shè)計方法相繼問世。德國西門子提出“調(diào)節(jié)器最佳整定”法: 包括“模最佳”、“對稱最佳”兩種參數(shù)設(shè)計方法，慣稱“二階最

26、佳”、“三階最佳”設(shè)計。公式簡明好記，國際上普遍應(yīng)用。存在問題： 1）沒有明確參數(shù)調(diào)整的方向; 2）沒有考慮到調(diào)節(jié)器飽和這一關(guān)鍵問題。我國學(xué)者吸取動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計用的“振蕩指標法”和“模型系統(tǒng)法”的長處，也歸納出了調(diào)節(jié)器的相關(guān)工程設(shè)計方法，實用有效的。2.3.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的原則與基本思路（續(xù)） 設(shè)計方法的原則 :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；適用于各種可簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 工程設(shè)計方法的基本思路 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。設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù), 以滿

27、足動態(tài)性能指標的要求。這樣做，就可把“穩(wěn)、快、準 和抗干擾”之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決： 1）第一步解決主要矛盾: 動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度; 2）第二步: 再進一步滿足其他動態(tài)性能指標。選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時,只采用少量典型系統(tǒng),其參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系明確,可使參數(shù)設(shè)計方法規(guī)范化,減少設(shè)計工作量。 作為工程設(shè)計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分作兩步： 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： R(s)C(s)(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)

28、r=0，1，2，等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、型、系統(tǒng)。自控理論已證明：1）0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低；2）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型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) 式中: T系統(tǒng)的慣性時間常數(shù); K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。(2-9)開環(huán)對數(shù)頻率特性dB/decdB/dec典I型系統(tǒng)性能特性 或于是，相角穩(wěn)定裕度： dB/decdB/dec 典I型系統(tǒng)，對數(shù)幅頻特性的中頻段以20dB/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。 要做到這點，應(yīng)選擇參數(shù)： 2. 典型型系

29、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)（2-10）開環(huán)傳遞函數(shù): 開環(huán)對數(shù)頻率特性O(shè)dB/decdB/decdB/decC(s)R(s)- 典型的II型系統(tǒng)也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分貝線。分母中s2項對應(yīng)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)( 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。或 且 比 T 大得越多, 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。 性能特性要實現(xiàn)圖示頻率特性,選擇參數(shù)時應(yīng)滿足: OdB/decdB/decdB/dec2.3.3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 動態(tài)性能指標, 包括：對給定輸入信號的 跟隨性能指標;對撓動輸入信號的 抗撓性能指標

30、。 生產(chǎn)工藝“對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求”，經(jīng)折算和量化后可表達為“動態(tài)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(yīng)跟隨性能指標tr 上升時間 超調(diào)量ts 調(diào)節(jié)時間1. 跟隨性能指標：5%（或2%） 0 trts圖2-11 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線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 Cmax 動態(tài)降落用占原穩(wěn)態(tài)值的百分比表示。 tv 恢復(fù)時間突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標要求不同。例如:可逆軋鋼機，需要連續(xù)正反向軋制許多道次，對

31、轉(zhuǎn)速動態(tài)跟隨性能和抗撓性能都有較高要求；一般生產(chǎn)用不可逆調(diào)速系統(tǒng)，主要要求一定的“轉(zhuǎn)速抗撓性能”，其跟隨性能如何關(guān)系不大；工業(yè)機器人和數(shù)控機床位置隨動（伺服）系統(tǒng)，對跟隨性能要求高；大型天線的隨動系統(tǒng)，需要較高的跟隨性能，對抗撓性能也有一定要求?？傊?，一般來說： 1）調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗撓性能為主； 2）隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。2. 抗擾性能指標（續(xù)）!2.3.4 典型I型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系它包含兩個參數(shù)：開環(huán)增益 K 和時間常數(shù) T 。時間常數(shù) T 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。既，K 是唯一的待定參數(shù)。 設(shè)計時，需要按照性能指標選擇參數(shù)

32、K 的大小。開環(huán)傳遞函數(shù): K 與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關(guān)系圖2-13: 不同 K 值時典I 型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 當c1/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。由圖可知:所以: K=c（當 時） (2-12) 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：=90arctgcT， 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。 所以: K=c（當 時） (2-12) 表2-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差 0v0 / K1. 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標與

33、參數(shù)的關(guān)系（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標：可用不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。由表可見：在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(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系統(tǒng)。（2）動態(tài)跟隨性能指標閉環(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 （2-13） 式中: n無阻尼時的自然振蕩角頻率, 或稱固有角頻率; 阻尼比, 或稱衰減系數(shù)。1. 典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標與參數(shù)的關(guān)系（續(xù)） 典型I型系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù) （2-14） K、T與標準形式中的參數(shù)的換算關(guān)系: (2-15)

34、(2-16) (2-17) 且有 當 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，當 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單調(diào)特性；當 = 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。 由于過阻尼特性動態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計成欠阻尼狀態(tài)，即 0 1 二階系統(tǒng)的性質(zhì) 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)?。?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)動態(tài)指標計算公式 (2-18) (2-16) 性能指標和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系(2-19) (2-20) (2-21) 超調(diào)量: 上升時間: 峰值時間: 調(diào)節(jié)時間ts： （當T1=T 即令: 調(diào)節(jié)器中的比例微分環(huán)節(jié)(1s+1)對消掉控制

35、對象中大時常慣性環(huán)節(jié)(T1s+1). 則圖a可改畫成圖b 撓動點前 撓動點后 在階躍撓動F(s)=F/s下, 輸出變化量為: 如調(diào)節(jié)器參數(shù)已按跟隨性指標選定為KT=0.5, 則: (2-29) 經(jīng)過拉氏反變換，可得到階躍撓動后輸出變化量的動態(tài)過程函數(shù)C(t).取: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C(t)動態(tài)過程曲線，并算出抗撓指標。 55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表2-3 典型I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)和擾動作用點如圖2-15所示，已選定的參數(shù)關(guān)系K

36、T=0.5) 不同m值時的計算結(jié)果 可看出: 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(fù)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 可選參數(shù):1）（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;2）（不同的是）待定的參數(shù)有兩個: K和。中頻寬h0 -20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec圖2-16 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和中頻寬中頻寬度 由圖可見: h 是斜率為20dB/dec的中頻段的寬度，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)。 (2

37、-32) 為便于分析, 引入一個新的變量h (中頻寬)。 調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計算 一般情況下:=1點對應(yīng)于低頻段 “-40DB/dec” 特性段。則有: （2-33） 由圖2-16可看出：由于T一定, 改變就相當于改變中頻寬h；在確定后, 改變K相當于使特性上下平移, 改變截止頻率c 在工程設(shè)計中: 如果兩個參數(shù)都任選, 工作量大！ 如果能在兩個參數(shù)間找到“對動態(tài)性能有利”的某種關(guān)系, 選出一個參數(shù)就能推算出另一參數(shù), 雙參數(shù)設(shè)計問題就變?yōu)閱螀?shù)設(shè)計問題, 簡！ 尋找h與c兩參數(shù)間的最佳配合 “振蕩指標法”中“閉環(huán)幅頻特性的峰值 Mr 最小準則”表明：對于一定的h值，只有一個確定的c(或K)可以

38、得到最小閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin； 這時c和1、2之間的關(guān)系是: 稱為: Mrmin準則的“最佳頻比” 對應(yīng)的最小閉環(huán)幅頻特性峰值是 調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計算(續(xù))加大中頻寬h，可減小Mrmin，降低超調(diào)量(穩(wěn)定性增強); 但同時c也將減小(2不變), 使系統(tǒng)的快速性減弱。經(jīng)驗表明： 1）Mrmin在1.2-1.5之間時，系統(tǒng)的動態(tài)性能較好； 2）Mrmin有時也允許達到1.8-2.0。 從表2-4(見教材)可看出： 對應(yīng)的， h 值可在3-10之間選擇。h更大時，降低Mrmin的效果不明顯。 h 值一般取5。 尋找h與c兩參數(shù)間的最佳配合選定h后，可根據(jù) h 查表得到“2/c=?” 可求出c（

39、因2=1/T是已知的) 。工程設(shè)計中計算典型系統(tǒng)參數(shù)的計算公式。使用時: 只要按動態(tài)性能指標的要求確定h值，就可以代入這兩個公式計算和K參數(shù)。 再由此計算調(diào)節(jié)器參數(shù)。 確定了 h 和c 之后, 可以很容易地計算出 和K 參數(shù), 即：和K都成為單一參數(shù)“h”的表達式。 調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計算（續(xù)）表2-5 II型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號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)跟隨性能指標 型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于表2-5中。 1. 典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標和參數(shù)的關(guān)系 在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無差； 加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差

40、與開環(huán)增益K成反比。（2）動態(tài)跟隨性能指標 當按Mr最小準則選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)時, 只要把用h表示的和K的表達式, 代入相應(yīng)的傳遞函數(shù)式, 就可求出系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。 單位階躍輸出相函數(shù) 以T為基準, 當h取不同值時, 可求出單位階躍響應(yīng), 并求出超調(diào)量、上升時間和調(diào)節(jié)時間。表。1）由于過渡過程的振蕩性質(zhì), 調(diào)節(jié)時間隨h的變化不是單調(diào)的, 在 h=5時 調(diào)節(jié)時間最短；2）h減小時, 上升時間快; h增大時, 超調(diào)量小。3）綜合各項指標, h=5時動態(tài)跟隨性能比較適中。 大大小小比較典II和典型 I系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能：典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量一般比典型I型系統(tǒng)大;典型II型系統(tǒng)的快速性比典型I型系統(tǒng)要

41、好。Ts6T抗擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 典型型系統(tǒng)“抗擾性能”指標和參數(shù)的關(guān)系 注意擾動作用點:正好為轉(zhuǎn)速環(huán)中負載擾動作用點的位置。 控制對象撓動作用點前后的傳函： 調(diào)節(jié)器PI型。和?。篕1=KpiKd/1，K1K2=K，1=hT， 圖a可改畫為圖b。 于是： 屬于典型型系統(tǒng)。 在階躍擾動下： （2- 43） 抗撓性能指標按Mrmin準則確定參數(shù)關(guān)系，即取 可計算出對應(yīng)不同h值的動態(tài)抗撓曲線，求出各項動態(tài)抗撓性能指標，見表2-7。 可見：h=5是較好的選擇，這與跟隨性能指標中調(diào)節(jié)時間最短的條件是一致的。表2-7中數(shù)據(jù)表明：但當hT2),要校正為典型型系統(tǒng)。 原傳函是積分-雙慣性型的, T1與T2大小相仿

42、。校正為典型型系統(tǒng)。 舉例：2）如匹配不成，可先對控制對象傳遞函數(shù)做近似處理，再與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)配成典型系統(tǒng)。表 2-8和表2-9：幾種要校正成典型I,典型II型系統(tǒng)的“控制對象”和相應(yīng)的“調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)”;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，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。 傳遞函數(shù)的近似化處理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)中往往有若干小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié), 所對應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段,形成一組小慣性群。處理方法：在一定的條件下, 小慣性群近似看成是一個小慣性環(huán)節(jié), 其時間常數(shù)等

43、于小慣性群中各時間常數(shù)之和。 (2-47) 近似條件(2-46) 小慣性環(huán)節(jié)可以合并（T1T2, T1T3）2）高階系統(tǒng)的降階近似處理 把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié)的近似處理，實為高階系統(tǒng)降階處理的一種特例。 更一般的情況：如何能忽略特征方程的高次項。其中: a，b，c都是正系數(shù)，且 bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2-50) 以三階系統(tǒng)為例, 設(shè):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)為近似條件 (2-51) (2-52) 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： 3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理近似條件: (2-53) 例如：對頻率特性的

44、影響 把慣性環(huán)節(jié)近似成積分環(huán)節(jié)后，相對實際系統(tǒng)相角滯后變大，相角裕度更小了。也就是說: 按近似系統(tǒng)設(shè)計好調(diào)節(jié)器后，實際系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)該更強。因此該方法是可行的！而近似關(guān)系但, 實際系統(tǒng)穩(wěn)定性更強！(低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理)對頻率特性的影響舉例: 開環(huán)傳遞函數(shù) 其中：T1T2，且1/T1遠低于截止頻率c，處于低頻段。 c圖2-21 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對頻率特性的影響 低頻時把特性a近似地看成特性b 從圖2-21開環(huán)對數(shù)頻率特性可：相當于把特性a近似地看成特性b，其差別只在低頻段，這樣近似處理對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響不大。注意：從穩(wěn)態(tài)性能上看：這樣的近似處理相當于把系統(tǒng)的類型認為地提高了一級

45、，如原來是型系統(tǒng)，近似處理后變?yōu)樾拖到y(tǒng)（當然是不真實的）。 所以，這種近似處理只能用于分析動態(tài)性能；當考慮穩(wěn)態(tài)精度時，仍采用原來的傳遞函數(shù)即可。2.4 按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。主要介紹內(nèi)容：系統(tǒng)設(shè)計對象系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計步驟轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1. 系統(tǒng)設(shè)計對象-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)圖2-22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)

46、結(jié)構(gòu)框圖 E(s)電流環(huán) 與前述的圖2-6不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)。包括：電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中：Toi 電流反饋濾波時間常數(shù)；Ton 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)。思考: 為何加濾波環(huán)節(jié)？加濾波環(huán)節(jié)的原因:檢測信號濾波：電流檢測信號中常含有交流分量。為不影響輸入，需要濾波。反饋不能抵抗檢測誤差。轉(zhuǎn)速檢測信號中也會含有諧波分量。影響：濾波環(huán)節(jié)（一階慣性環(huán)節(jié)）, 會造成反饋信號延遲。給定信號濾波，意義：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延遲，使兩者在時間上得到恰當?shù)呐浜?；可帶來設(shè)計上的方便（便于結(jié)構(gòu)圖簡化）。2. 系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計的一般原則 “先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開始，逐步

47、向外擴展。在這里：首先設(shè)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(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 設(shè)計分為以下幾個步驟：1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化（使能校正為典型系統(tǒng)）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)2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化簡化內(nèi)容:忽略反電動勢的動態(tài)影響 等效成單位負反饋系統(tǒng) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 忽略反電動勢的動態(tài)影響 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) Tois+11 Tois+1圖2-23a 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡 E(s) 電動勢與n成

48、正比(代表了轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響); 慢變撓動。即電流瞬變過程中, 可認為E基本不變。 在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時, 可暫不考慮E變化的動態(tài)影響, 即E0。這時, 電流環(huán)如下圖。工程設(shè)計法中，典型系統(tǒng)是單位負反饋系統(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)/，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)（圖2-23b）。 等效成單位負反饋系統(tǒng)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:簡化的近似條件: (2-56) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理(2-55) Ti =Ts+Toi 設(shè)計分為以下幾個步驟：1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化（

49、使能校正為典型系統(tǒng)）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)2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（續(xù)）2. 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看: 希望電流無靜差, 以得到理想的堵轉(zhuǎn)或起動特性。采用 I 型系統(tǒng)即可。從動態(tài)要求上看: 實際系統(tǒng)不允許電樞電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。 所以, 電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主, 應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 2. 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇（續(xù)）電流調(diào)節(jié)器選擇 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), 應(yīng)采用PI型電流調(diào)節(jié)器,

50、其傳函:（2-57） 式中: 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). 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:（2-58）則電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)成為典型形式:其中:K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性 圖2-24 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán) 動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 開環(huán)對數(shù)幅頻特性: OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decTi其中:所用到的近似或假定條件電力電子變換器純滯后處理的條件：忽略反電動勢對電流環(huán)的動態(tài)影響：電流環(huán)小慣性群的近似處理： 上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的，將用過的假定條件歸納如下： 設(shè)計分

51、為以下幾個步驟：1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化（使能校正為典型系統(tǒng)）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)2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計3. 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算式(2-57)中的參數(shù): Ki 和 i。待定參數(shù): 比例系數(shù) Ki, 可根據(jù)所需動態(tài)性能指標選取。（2-57） 式中: 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)其中i 已選定（2-58）一般情況下,希望電流超調(diào)量i 5%, 由表2-2, 可選: =0.707， KI Ti =0.5, 則: (2-60) (2-61) 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)

52、當然應(yīng)作相應(yīng)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。參數(shù)選擇其中i 已選定(2-58)其中:(2-59)4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中: U*i 電流給定電壓； Id 電流負反饋電壓； Uc 電力電子變換器的控制電壓。圖2-25 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計算公式:(2-62) (2-63) (2-64) 設(shè)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)2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)傳

53、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，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。(2-65) 傳遞函數(shù)化簡忽略高次項,上式可降階近似為: (2-66) 近似條件可由式（2-52）求出: (2-67) 式中: cn 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為: (2-68) 這樣, 原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象, 經(jīng)閉環(huán)控制后, 可以近似地 等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。1. 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)(續(xù))物理意義: 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

54、功能。(2-66) 設(shè)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)的計算4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 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(雙環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的)電流環(huán)后, 整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) Tons+11 Tons+1U*i(s)+-IdL (s)圖2-26a 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化 電流環(huán)把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)/； 再把時常為1/KI和Ton的

55、兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來,近似成時常為Tn的慣性環(huán)節(jié)。 變換結(jié)構(gòu)圖, 小慣性的近似處理(2-69) 轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性環(huán)節(jié)合并化簡的條件：現(xiàn)擾動作用點后面已有一積分環(huán)節(jié), 因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳函共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 型系統(tǒng)； 這樣的系統(tǒng)也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差, 負載擾動作用點前面須有一積分環(huán)節(jié), 應(yīng)含在ASR中;可見, ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器: (2-70) 式中: Kn 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). (2-72) 則 令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為:(2-71)調(diào)速系統(tǒng)的 開環(huán)傳遞函數(shù)校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) n (s)+-U*n(s)圖

56、2-26c 校正后成為典型 II 型系統(tǒng) 設(shè)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)的計算4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計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 n。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(2-38), 取： （2-74） 再由式(2-39), 取:（2-75） （2-76） 因此 參數(shù)選擇 至于中頻寬 h 應(yīng)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 (2-71)設(shè)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)的計算4.

57、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路圖2-27 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 圖中:U*n : 轉(zhuǎn)速給定電壓，-n: 轉(zhuǎn)速負反饋電壓U*i :調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。 4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算(2-77) (2-78) (2-79) 【例題2-1】 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整流電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電機: 220V, 136A, 1460r/min, Ce=0.132V.min/r, 允許過載倍數(shù)=1.5；晶閘管裝置放大倍數(shù): Ks=40;電樞回路總電阻: R=0.5 ;時間常數(shù): Tl=0.03

58、s, Tm=0.18s;電流反饋系數(shù): =0.05V/A。設(shè)計要求: 按工程設(shè)計方法設(shè)計電流調(diào)節(jié)器, 要求電流超調(diào)量i5% .解：1）查表（三相橋式電路）整流裝置滯后時間常數(shù) Ts=0.0017s ;2）電流濾波時間常數(shù)Toi. 三相橋式電路每個波頭3.3ms， 為基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，取Toi=2ms=0.002s;3）電流環(huán)小慣性環(huán)節(jié)合并。TI = Ts + Toi = 0.0037s; 2. 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求: i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，按典型1型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器： 檢查對電源電壓抗撓性能 控

59、制對象兩個時間常數(shù)之比 參看表2-3的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗撓性能，各項指標都是可以接受的。 確定時間常數(shù)3. 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): 電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%，按表2-2，應(yīng)取 因此 于是，ACR的比例系數(shù)為： 4. 檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率: 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件: 電流環(huán)小慣性時間常數(shù)近似處理條件: 近似條件都滿足5. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由圖2-25, 按所用運算放大器取R0=40K, 各電阻和電容值為: 圖2-25 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器取40k取0.75F取0.2F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到

60、的動態(tài)跟隨性能指標為： (見表2-2), 滿足設(shè)計要求。 【例題2-2】 在例題2-1中, 除已給數(shù)據(jù)外。已知: 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.007V.min/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n=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。 解：1. 確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由例題2-1, 已取 KITi=0.5, 則: 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取: Ton=0.01s。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理。取: 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求, 選用PI調(diào)節(jié)器, 3. 計算轉(zhuǎn)速