電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)第2章

1、 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(tdin)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。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)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析；調(diào)節(jié)器的工程設計方法；按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器第 2 章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)(tioji) 器的工程設計方法 共一百三十七頁2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng) 及其靜特性問題的提出 第1章中表明，采用轉(zhuǎn)速(zhun s)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(zhu

2、n s)無靜差。但是，如果對系統(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。共一百三十七頁1. 主要(zhyo)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(zh nn)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。共一百三十七頁b) 理想(lxing)的快速起動過程IdLntIdOIdma) 帶電流截止(jizh)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)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2. 理想的起

3、動過程IdLntIdOIdmIdcr共一百三十七頁 性能(xngnng)比較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(ji s)過程延長。 IdLntIdOIdmIdcr圖2-1 a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)共一百三十七頁性能(xngnng)比較（續(xù)）起動(q dn)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(q dn)過程。IdLntIdOIdm圖2-1 b) 理想的快速起動過程共一百三十七頁3. 解決(jiju)思路 為了實現(xiàn)在允許條件(tiojin)下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電

4、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，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。共一百三十七頁 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有(mi yu)轉(zhuǎn)速負反饋；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？共一百三十七頁2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流(dinli)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(dinli)，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流(din

5、li)負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。共一百三十七頁TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖2-2 轉(zhuǎn)速(zhun s)、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 系統(tǒng)(xtng)的組成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)共一百三十七頁 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(wi bian)，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)。共一百三十七頁2. 系統(tǒng)電

6、路(dinl)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(lin )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(lin )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。共一百三十七頁系統(tǒng)(xtng)原理圖圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE共一百三十七頁 圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速(zhu

7、n s)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。共一百三十七頁2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性(txng) 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(ch li)，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。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。共一百三十七頁1. 系統(tǒng)(xtng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)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)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+

8、U*i- R ACR-UiUPE共一百三十七頁2. 限幅作用(zuyng) 存在兩種狀況(zhungkung)：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，正如1.6節(jié)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。共一百三十七頁3. 系統(tǒng)(xtng)靜特性實際上，在正常運行時，電流(dinli)調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。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。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜

9、特性如圖所示，圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdnomOnABC共一百三十七頁（1）轉(zhuǎn)速(zhun s)調(diào)節(jié)器不飽和式中， 轉(zhuǎn)速和電流(dinli)反饋系數(shù)。由第一個關系式可得 從而得到上圖靜特性的CA段。 (2-1) 共一百三十七頁 靜特性(txng)的水平特性(txng) 與此同時，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個關系式可知: Id Idm。 這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直(yzh)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。 共一百三十七頁（2） 轉(zhuǎn)速(

10、zhun s)調(diào)節(jié)器飽和 這時，ASR輸出(shch)達到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 式中，最大電流 Idm 是由設計者選定的，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) 共一百三十七頁 靜特性(txng)的垂直特性(txng) 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 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 共一百三十七頁4. 兩個(lin )調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(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，轉(zhuǎn)

11、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，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。 這就是兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而(rn r)實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，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。 共一百三十七頁2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)(cnsh)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量(binling)之間有下列關系 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； AS

12、R的輸出量U*i是由負載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。共一百三十七頁 這些關系(gun x)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，其輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入量為0，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，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。共一百三十七頁 反饋(fnku)系數(shù)計算 鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)(xtng)完全不同，而是和

13、無靜差系統(tǒng)(xtng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設計者選定，設計原則如下：U*nm受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；U*im 為ASR的輸出限幅值。共一百三十七頁2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的數(shù)學模型 和動態(tài)性能分析本節(jié)提要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型起動過程分析動態(tài)抗擾性能分析轉(zhuǎn)速(zhun s)和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用共一百三十七頁1. 系統(tǒng)動態(tài)(dngti)結(jié)構(gòu)圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 nU*n Uc-IdLUd0Un+- +-UiW

14、ASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2.2.1 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)圖。共一百三十七頁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(rgu)采用PI調(diào)節(jié)器，則有 共一百三十七頁2.2.2 起動過程(guchng)分析 前已指出，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(shuxin)探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)

15、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。共一百三十七頁圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速(zhun s)和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 共一百三十七頁1. 起動(q dn)過程 由于在起動過程(guchng)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(guchng)就分成圖中標明的I、II、III三個階段。 共一百三十七頁IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt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

16、能轉(zhuǎn)動。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(zngzhng)，因而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*im，強迫電流 Id 迅速上升。直到，Id = Idm ， Ui = U*im ACR很快就壓制 Id 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I階段(jidun)電流上升的階段(jidun)（0 t1） 共一百三十七頁n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 II 階段(jidun)恒流升速階段(jidun)（t1 t2） 在這個階段中，

17、ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)(xtng)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。共一百三十七頁第 II 階段(jidun)（續(xù)）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 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。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。 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

18、應飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出(shch)電壓也須留有余地，這些都是設計時必須注意的。共一百三十七頁第 階段轉(zhuǎn)速(zhun s)調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） 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(jfn)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)。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。共一百三十七頁IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段(jidun)（續(xù)）共一百三十七頁第 階段

19、(jidun)（續(xù)）直到Id = IdL時，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速(zhun s)n才到達峰值（t = t3時）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt共一百三十七頁第 階段(jidun)（續(xù)）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(zhdo)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。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt共一百三十七頁第 階段(jidun)（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

20、起主導的轉(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，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(tdin)： （1） 飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準時間最優(yōu)控制。共一百三十七頁（1）飽和(boh)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)：當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)(bioxin)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)

21、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。 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)。共一百三十七頁（3）準時間(shjin)最優(yōu)控制 起動(q dn)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(q dn)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

22、，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。共一百三十七頁 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗負載(fzi)擾動IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)(dngti)抗負載擾作用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)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。共一百三十七頁抗負載(fzi)擾動（續(xù)） 由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以(ky)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

23、的抗擾性能指標。 共一百三十七頁圖2-8 直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的動態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電網(wǎng)(dinwng)電壓擾動UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E共一百三十七頁抗電網(wǎng)(dinwng)電壓擾動（續(xù)）-IdLUdb)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)(dinwng)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共一百三十七頁3. 對比(dub)分析在單閉環(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

24、系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流(dinli)內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流(dinli)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。共一百三十七頁1. 轉(zhuǎn)速(zhun s)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(rgu)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。 2.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)

25、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：共一百三十七頁2. 電流(dinli)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)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）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(cng r)加快動態(tài)過程。（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。共一百三十七頁2.3 調(diào)節(jié)器的工程設計方法(fngf)2.3.0 問題的提出必要性： 用經(jīng)典(jn

26、gdin)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?？赡苄裕?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。共一百三十七頁設計方法的原則 ：（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)整的方向；（4）能考慮(kol)飽和非線性控制的情況，同樣給出簡

27、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)。共一百三十七頁2.3.2 典型(dinxng)系統(tǒng) 一般來說，許多(xdu)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為R(s)C(s)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。共一百三十七頁 上式中，分母中的 sr 項表示(biosh)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

28、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)。共一百三十七頁1. 典型(dinxng)I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) 式中 T 系統(tǒng)(xtng)的慣性時間常數(shù)； K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。（2-9）共一百三十七頁開環(huán)對數(shù)(du sh)頻率特性O共一百三十七頁性能特性 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(xil)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 或于是，相角(xin jio)穩(wěn)定裕度 共一百三十七頁2. 典型(dinxng)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) （2-10）共一百三十七頁開環(huán)對數(shù)(d

29、u sh)頻率特性O共一百三十七頁 性能特性 典型的II型系統(tǒng)也是以 20dB/dec 的斜率(xil)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)（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，即應選擇參數(shù)滿足 或 且 比 T 大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定(wndng)裕度越大。共一百三十七頁 系統(tǒng)(xtng)典型的階躍響應曲線5%（或2%） 0 Otrts圖2-12 典型階躍響應(xingyng)曲線和跟隨性能指標2.3.3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 跟隨性能指標 抗擾性能指標 共一百三十七頁1. 跟隨性能指標： 在給

30、定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化(binhu)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tr 上升時間 超調(diào)量ts 調(diào)節(jié)時間共一百三十七頁 突加擾動(rodng)的動態(tài)過程和抗擾性能指標圖2-13 突加擾動的動態(tài)(dngti)過程和抗擾性能指標5%（或2%） O tmtvCb共一百三十七頁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(nngl)。常用的抗擾性能指標有Cmax 動態(tài)降落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。共一百三十七頁2.3.4 典型I型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)(cnsh)的關系

31、典型I型系統(tǒng)(xtng)的開環(huán)傳遞函數(shù)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。 共一百三十七頁 K 與開環(huán)對數(shù)(du sh)頻率特性的關系 圖2-13繪出了在不同 K 值時典型(dinxng) 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。 共一百三十七頁 K 與截止頻率 c 的關系(gun x) 當c 1 / T時，特性(txng)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

32、性可知所以 K = c （當 c 時） (2-12) 式（2-12）表明，K 值越大，截止頻率c 也越大，系統(tǒng)響應越快，但相角穩(wěn)定裕度 = 90 arctgcT 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。 共一百三十七頁表2-1 I型系統(tǒng)在不同輸入(shr)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)(xtng)跟隨性能指標與參數(shù)的關系 （1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標：系統(tǒng)的穩(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。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系。共一百三十七頁 由表可見：

33、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(ync)，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。共一百三十七頁（2）動態(tài)(dngti)跟隨性能指標閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型(dinxng) 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)。K、T與標準形式中的參數(shù)的換算關系 共一百三十七頁二階系統(tǒng)的性質(zhì)當 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應是欠阻尼的振蕩特性，當 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應是過阻尼的單調(diào)特性；當 = 1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應是臨界

34、阻尼。 由于過阻尼特性動態(tài)響應較慢，所以(suy)一般常把系統(tǒng)設計成欠阻尼狀態(tài)，即 0 1 由于(yuy)在典 I 系統(tǒng)中 KT 0.5。因此在典型 I 型系統(tǒng)中應取 (2-18) 共一百三十七頁性能指標和系統(tǒng)(xtng)參數(shù)之間的關系 (2-19) (2-20) (2-21) 超調(diào)量 上升時間 峰值(fn zh)時間 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 共一百三十七頁表2-2 典型I型系統(tǒng)跟隨(n su)性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系 （ 與KT的關系服從于式2-16） 具體選擇參數(shù)時，應根據(jù)系統(tǒng)工藝要求(yoqi)選擇參數(shù)以滿足性能指標。參數(shù)關系KT0.250.

35、39 0.50.69 1.0阻尼比超調(diào)量 上升時間 tr峰值時間 tp 相角穩(wěn)定裕度 截止頻率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T共一百三十七頁2. 典型(dinxng)I型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)的關系 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(qin mian)部分的傳遞函數(shù)，后面部分是W2(s

36、) ，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。 (2-25) 共一百三十七頁圖2-15 擾動(rodng)作用下的典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng) F(s)共一百三十七頁 由于抗擾性能與 W1(s) 有關，因此抗擾性能指標也不定，隨著擾動點的變化而變化。針對(zhndu)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)。共一百三十七頁55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表2-3 典型(dinxng)I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標

37、與參數(shù)的關系(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)關系KT=0.5) 分析(fnx)結(jié)果： 由表中的數(shù)據(jù)可以看出，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。共一百三十七頁2.3.5 典型II型系統(tǒng)(xtng)性能指標和參數(shù)的關系 可選參數(shù)： 在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)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 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復雜性。 為了(wi le)分析方便起見，引入一個新的變量 (圖2-16)，令 (2-32) 共一百三十七頁圖2-16 典型型系統(tǒng)(xtng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性

38、和中頻寬h 是斜率為20dB/dec的中頻段(pn dun)的寬度（對數(shù)坐標），稱作“中頻寬”。中頻段(pn dun)對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此 h 值是一個很關鍵的參數(shù)。改變K相當于使開環(huán)對數(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。共一百三十七頁采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到兩個參數(shù)之間的一種(y zhn)最佳配合。只要按照動態(tài)性能指標的要求確定了h值，可求得共一百三十七頁表25 II型系統(tǒng)(xtng)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(n su)性能指標 1. 典型II型系統(tǒng)跟隨性能

39、指標和參數(shù)的關系 由表可知： 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)誤差與開環(huán)增益K成反比。共一百三十七頁表2-6 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標（按Mrmin準則(zhnz)確定關系時） h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.45 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1（2）動態(tài)(dngti)跟隨性能指標

40、以h=5的動態(tài)跟隨性能比較適中。 共一百三十七頁圖2-17b 典型II型系統(tǒng)(xtng)在一種擾動作用下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖+ 0- 抗擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 典型(dinxng)型系統(tǒng)抗擾性能指標和參數(shù)的關系共一百三十七頁表2-7 典型II型系統(tǒng)動態(tài)(dngti)抗擾性能指標與參數(shù)的關系 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40

41、 25.85 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(fn r)拖長了。共一百三十七頁分析結(jié)果 由此可見，h = 5是較好的選擇(xunz)，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時間最短的條件是一致的。 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應該是一個很好的選擇。 兩種系統(tǒng)比較典型(dinxng)I型系統(tǒng)和典型(dinxng)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，典型

42、 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，典型型系統(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)。共一百三十七頁2.3.6 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇(xunz)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)的選擇基本思路: 將控制對象校正成為典型(dinxng)系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對象 調(diào)節(jié)器 輸入輸出典型系統(tǒng) 輸入輸出共一百三十七頁選擇規(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(duxing)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

43、一些近似處理，或者采用更復雜的控制規(guī)律。共一百三十七頁表2-8 校正成典型I型系統(tǒng)的幾種(j zhn)調(diào)節(jié)器選擇控制對象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合T1、T2 T3T1 T2共一百三十七頁表2-9 校正成典型(dinxng)II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇控制對象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合認為： 認為(rnwi)： 共一百三十七頁2. 傳遞函數(shù)近似(jn s)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(pnl)都處于頻率(pnl)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 小慣性環(huán)節(jié)可以合并共一百三十七頁 當系統(tǒng)有一組小慣性群時，在一定的條件下

44、，可以(ky)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。 例如(lr)：(2-47) 近似條件(2-46) 共一百三十七頁（2）高階系統(tǒng)的降階近似(jn s)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(qngkung)，即如何能忽略特征方程的高次項。以三階系統(tǒng)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。(2-50) 共一百三十七頁降階處理： 若能忽略高次項，可得近似(jn s)的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為近似條件 (2-51) (2-52) 共一百三十七頁（3）低頻段

45、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)(xtng)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 近似(jn s)條件 (2-53) 例如：共一百三十七頁c對頻率特性的影響(yngxing)圖2-21 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理(chl)對頻率特性的影響 返回目錄低頻時把特性a近似地看成特性b 共一百三十七頁2.4 按工程設計(shj)方法設計(shj)雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應用(yngyng)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)設計步驟共一百三十七頁-IdLUd0Un+-+-UiACR1/R

46、Tl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn電流(dinli)內(nèi)環(huán)圖2-22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的動態(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)設計對象共一百三十七頁 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T0i 電流反饋(fnku)濾波時間常數(shù)T0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 共一百三十七頁2. 系統(tǒng)(xtng)設計原則系統(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，

47、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(y )環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。共一百三十七頁設計分為以下幾個(j )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)2.4.1 電流(dinli)調(diào)節(jié)器的設計共一百三十七頁1. 電流(dinli)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(jn s)處理 共一百三十七頁忽略反電動勢的動態(tài)影響 在按動態(tài)性能(xngnng)設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E0。這時，電流環(huán)如下圖所示。 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/R

48、Tl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1圖2-23 電流(dinli)環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡 共一百三十七頁等效成單位負反饋系統(tǒng) 如果把給定濾波和反饋(fnku)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）。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1圖2-23b共一百三十七頁小慣性(gunxng)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

49、數(shù)為 Ti = Ts + Toi (2-55) 簡化(jinhu)的近似條件為 (2-56) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-23c。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)共一百三十七頁2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)(jigu)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)特性，由圖2-23c可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。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(chogu)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)。

50、 共一百三十七頁電流調(diào)節(jié)器選擇 圖2-23c表明，電流環(huán)的控制對象(duxing)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 （2-57） 式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例(bl)系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。共一百三十七頁 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(xunz) 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 （2-58）（2-59）共一百三十七頁K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)(jigu)和特性 圖2-24 校正成典型I型系統(tǒng)(xtng)的電流環(huán) a) 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖:

51、 b) 開環(huán)對數(shù)幅頻特性: 0L/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi共一百三十七頁參數(shù)(cnsh)選擇 在一般情況下，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) 再利用(lyng)式（2-59）和式（2-58）得到 3. 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki 和 i， 其中 i 已選定，剩下的只有比例系數(shù) Ki， 可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指標選取。共一百三十七頁注意： 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(dinli)環(huán)的抗擾性能也

52、有具體的要求，還得再校驗一下抗擾性能指標是否滿足。共一百三十七頁4. 電流(dinli)調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)模擬式電流(dinli)調(diào)節(jié)器電路圖中 U*i 為電流給定電壓； Id 為電流負反饋電壓； 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 共一百三十七頁電流(dinli)調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計算公式(2-62) (2-63) (2-64) 共一百三十七頁例題(lt)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(ciyng)三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5；

53、晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40；電樞回路總電阻：R=0.5 ；時間常數(shù)：Ti=0.03s， Tm=0.18s；電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5IN）。設計要求 設計電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量共一百三十七頁解 1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s。電流濾波(lb)時間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。檢查對電源電壓的抗擾性能： ， 參看表3-2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標

54、都是可以接受的。共一百三十七頁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)：i=Ti=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：取KiTi=0.5， ACR的比例(bl)系數(shù)為共一百三十七頁4）校驗近似條件(tiojin)電流環(huán)截止頻率ci=KI=135.1s-1（1）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 （2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 （3）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 共一百三十七頁5）計算(j sun)調(diào)節(jié)器電阻和電容取 取40k 取0.75F 取0.2F共一百三十七頁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)(cnsh)的選擇4

55、.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.4.2 轉(zhuǎn)速(zhun s)調(diào)節(jié)器的設計共一百三十七頁1. 電流(dinli)環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)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(zhun s)環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-24a可知 (2-65) 共一百三十七頁傳遞函數(shù)化簡忽略(hl)高次項，上式可降階近似為 (2-66) 近似(jn s)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。 共一百三十七頁電流環(huán)等效傳遞函數(shù) 接入轉(zhuǎn)速(zhun s)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 (2-68) 這樣，原來是雙慣性環(huán)

56、節(jié)(hunji)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)(hunji)。 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。共一百三十七頁2. 轉(zhuǎn)速(zhun s)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(dinli)環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-22 中的電流(dinli)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 (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)圖2-26 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化 電流環(huán)共一百三十七頁系統(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(i dn)濾