N003章雙閉環(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

調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第3章2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

及其靜特性一。問題的提出

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)速無靜差。

如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。如何控制動(dòng)態(tài)性能？電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程：結(jié)論：要得到好的動(dòng)態(tài)性能，必須控制好轉(zhuǎn)矩，即控制好電流。1.單閉環(huán)系統(tǒng)的主要問題

單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只是用來限制電流的沖擊，并不能很好地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。a)理想的快速起動(dòng)過程IdLntIdOIdmb)帶電流截止負(fù)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(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形n2.理想的起動(dòng)過程IdLntIdOIdmIdcrn3.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程。

現(xiàn)在的問題－－希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(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？------轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG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(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)ni二。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

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、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖3-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖++--TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi++-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-限幅的作用：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im

－－電流給定電壓的最大值，即限制了最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm

－－Uc的最大值，即限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。限幅電路（外限幅，輸出限幅）二極管鉗位的外限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（內(nèi)限幅，輸出和積分限幅）圖3-3(a)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(ASR未飽和)—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電流反饋系數(shù)Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE三。雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：圖3-3(b)ASR飽和，相當(dāng)于電流閉環(huán)系統(tǒng)Ks1/CeUcIdEnUd0++U*i-IdRR

ACR-UiUPEASR飽和，相當(dāng)于電流閉環(huán)系統(tǒng)2.系統(tǒng)靜特性

設(shè)計(jì)時(shí)，ACR不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。

AB段ASR未飽和，BC段ASR飽和。

圖3-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdNOnBCA（1）ASR不飽和－轉(zhuǎn)速無靜差即

U*i>U*im，Id<Idm。（2）ASR飽和－電流無靜差U*i=U*im，穩(wěn)態(tài)時(shí)

最大電流--Idm

取決于容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。n<n0，3.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速無靜差：在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。電流無靜差：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)器起調(diào)節(jié)作用。四。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：

(3-3)(3-5)

(3-4)

PI調(diào)節(jié)器特點(diǎn)：

比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量。

PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)時(shí)：

電流調(diào)節(jié)器的輸出：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出：

反饋系數(shù)計(jì)算：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

(3-6)(3-7)

3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

和動(dòng)態(tài)性能分析雙環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)過程是怎樣的？

從動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程、動(dòng)態(tài)抗擾性能、轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。

一。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：++C1RbalUinR0+AR1ASR及ACR都采用PI調(diào)節(jié)器：U*nn系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：圖3-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

Uc-IdLUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E電機(jī)模型二。起動(dòng)過程分析

突加給定電壓U*n時(shí)，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在帶有負(fù)載IdL

條件下起動(dòng)過程的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。圖2-7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

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

1.起動(dòng)過程

在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和（I）、飽和（II）、退飽和（III）三個(gè)階段。

圖2-7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

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I階段電流上升階段（0~t1）

第I階段電流上升的階段（續(xù)）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)。當(dāng)Id≥

IdL

后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大，ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id=Idm

，Ui

=U*im

。特點(diǎn)：ASR由不飽和進(jìn)入飽和狀態(tài) 轉(zhuǎn)速增加較慢、電流快速上升到Idm。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第II階段恒流升速階段（t1~t2）

第II階段恒流升速階段（續(xù)）ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)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，直到n

=n*。電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，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，才能保持Id

恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，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(yīng)略低于Idm。第II階段恒流升速階段（續(xù)）特點(diǎn)：ASR處于飽和狀態(tài)－－轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)；電流無靜差系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速線性上升；Id略小于Idm第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）

ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)作用，ACR力圖使Id盡快地跟隨U*i

，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（續(xù)）當(dāng)n

=n*時(shí)，ASR輸入偏差為零，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n>n*。ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開始退出飽和，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。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)）。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（續(xù)）此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，在一小段時(shí)間內(nèi)（t3~t4

），Id<

IdL

，直到穩(wěn)定Id=

IdL

，n

=n*。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，會(huì)有振蕩過程。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt特點(diǎn)：ASR不飽和，起主要調(diào)節(jié)作用；ACR起跟隨作用；轉(zhuǎn)速有超調(diào)。2.起動(dòng)過程的特點(diǎn)：

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）飽和非線性控制（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制(有限制條件的最短時(shí)間控制)

三。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能分析

主要擾動(dòng)源：負(fù)載變化；電源電壓變化。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗負(fù)載擾動(dòng)±?IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)作用抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)）

擾動(dòng)作用位置：電流環(huán)之外 抗擾作用調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR

對(duì)ASR的設(shè)計(jì)要求：應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)-IdL±?Ud圖2-8直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用±△Ud—電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)

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，抗擾性能大有改善。

擾動(dòng)作用位置：電流環(huán)內(nèi)的前向通道 抗擾作用的調(diào)節(jié)器：電流調(diào)節(jié)器ACR

1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

（1）速度調(diào)節(jié)－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)無靜差。（2）抗擾作用－－對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）限制電機(jī)最大電流－－其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。四。轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的作用

2.電流調(diào)節(jié)器的作用（1）跟隨作用－－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）抗擾作用－－對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）加快動(dòng)態(tài)過程－－在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。（4）過流自動(dòng)保護(hù)作用－－當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(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)行來說是十分重要的。2.3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法必要性:

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?？赡苄?

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可由低階系統(tǒng)近似，事先研究低階典型系統(tǒng)的特性，將實(shí)際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。設(shè)計(jì)方法的原則

（1）概念清楚、易懂； （2）計(jì)算公式簡明、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，同樣給出簡單的計(jì)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)。一。工程設(shè)計(jì)方法的基本思路

選擇典型系統(tǒng) －－根據(jù)系統(tǒng)性能要求選擇合適的典型系統(tǒng)2.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。3.設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù) －－滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。二。控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：

跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)－－以抗擾性能為主；隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)－－以跟隨性能為主。

系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線±5%（或±2%）

0Otrts圖2-11典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo)

階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)：tr

—上升時(shí)間：第一次到達(dá)給定值的時(shí)間—超調(diào)量:ts

—調(diào)節(jié)時(shí)間:進(jìn)入誤差帶的時(shí)間

突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)圖2-12突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)±5%（或±2%）

O

tmtvCb抗擾性能指標(biāo)

抗擾性能指標(biāo)：Cmax

—最大動(dòng)態(tài)降落tv

—恢復(fù)時(shí)間：

三。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)典型系統(tǒng)

分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，r=0，1，2，…時(shí)，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、…系統(tǒng)。

0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。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)（1）結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)

式中T—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。（2-9）

K

與截止頻率c

的關(guān)系

當(dāng)c

<1/T時(shí)，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：所以

K=c

（當(dāng)

c

時(shí)）

(2-12)

OdB/decdB/dec典型I型系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)數(shù)幅頻特性–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，當(dāng)或相角穩(wěn)定裕度

典型I型系統(tǒng)性能特性四。典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

典型I型系統(tǒng)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，能夠改變的只有開環(huán)增益K

。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K

。

K

與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系

不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開環(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。

快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾

K值越大，截止頻率c

也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，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。

在選擇參數(shù)K時(shí)，須在二者之間取折衷。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)e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穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)。K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式參數(shù)的換算（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)（2-13）

閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，式中n—無阻尼時(shí)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)。（2-13）

二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性質(zhì)

<1，欠阻尼的振蕩特性，

1，過阻尼的單調(diào)特性；

=1，臨界阻尼。過阻尼動(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典型I型系統(tǒng)的阻尼比

在典I系統(tǒng)中KT<1，代入式得

>0.5，應(yīng)取

(2-18)

二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性質(zhì)

<1，欠阻尼的振蕩特性，

1，過阻尼的單調(diào)特性；

=1，臨界阻尼。過阻尼動(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過渡時(shí)間

超調(diào)量

上升時(shí)間

峰值時(shí)間

性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系截止頻率

相角穩(wěn)定裕度

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)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超調(diào)量上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率c1.00%

76.3°0.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T?。。。⌒阅苤笜?biāo)討論：1。當(dāng)

，時(shí)，超調(diào)量為，穩(wěn)定性和快速性都較好－－西門子把它稱為“二階最佳系統(tǒng)”；2。在工程上，根據(jù)不同的工藝要求，可以有不同的最佳參數(shù)選擇，根據(jù)要求選擇參數(shù)；3。列表的目：為參數(shù)的選擇提供了簡便的途徑，當(dāng)不能滿足所需的全部性能指標(biāo)時(shí)，說明典型Ⅰ型系統(tǒng)已不能適用，須采用其它控制方法。典型Ⅰ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)，某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)。(2)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)電流環(huán)的擾動(dòng)作用點(diǎn)：在

采用PI調(diào)節(jié)器的情況下，在擾動(dòng)作用點(diǎn)前后各是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為：（T2>T1）

僅考慮擾動(dòng)作用R(s)=0典型I型系統(tǒng)

擾動(dòng)作用下的典型I型系統(tǒng)的傳遞函數(shù):(典型的I型系統(tǒng))

階躍擾動(dòng)作用下的輸出變化量階躍擾動(dòng)：輸出變化量：當(dāng)27.8%16.6%9.3%6.5%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4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（KT=0.5,Cb=FK2)結(jié)果分析

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)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長。2.典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)

（3-22）OdB/decdB/decdB/decO1/1典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

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：(2-32)

OdB/decdB/decdB/dec典型Ⅱ型系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性O(shè)1/1典型Ⅱ型系統(tǒng)系統(tǒng)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。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，選擇參數(shù)應(yīng)滿足

或

比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中頻寬參數(shù)之間的一種最佳配合采用“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，

表3-3(P74)加大中頻寬h可以減小，從而降低超調(diào)量，但同時(shí)也將減小，使系統(tǒng)的快速性減弱參數(shù)之間的一種最佳配合則

P74（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)開環(huán)閉環(huán)

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201C（t/T）（單位階躍響應(yīng)函數(shù)）典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按Mrmin準(zhǔn)則確定關(guān)系時(shí)）(P75)表3-4h越小超調(diào)量越大－－穩(wěn)定性差轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu):(2)典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)圖3-14轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-15典型II型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)圖II型系統(tǒng)階躍擾動(dòng)下按最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin準(zhǔn)則典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.60

77.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%

3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201表3-5表3-4跟隨性能±5%（或±2%）Cb

0Otrts圖2-11典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)

突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)圖2-12突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)±5%（或±2%）

O

tmtvCb

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(gè)趨勢(shì)與跟隨性能指標(biāo)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(dāng)h<5時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，

h再小，恢復(fù)時(shí)間tv

反而拖長了。

h=5是較好的選擇兩種典型系統(tǒng)性能比較靜態(tài)誤差不同

－－典型I只對(duì)階躍輸入無差，典型Ⅱ?qū)π逼螺斎胍矡o差動(dòng)態(tài)跟隨及抗擾性能 －－典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，抗擾性能較差 －－典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。3.控制對(duì)象的工程近似處理方法（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理

小時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)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)為小慣性環(huán)節(jié)可以合并

當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和。

例如：一般工程上允許有10%的誤差,則考慮到開環(huán)頻率特性的截止頻率與閉環(huán)頻率的帶寬一般比較接近,則用截止頻率作為閉環(huán)系統(tǒng)通頻帶的標(biāo)志.近似表示為同理,如果三個(gè)小慣性環(huán)節(jié),其近擬處理表達(dá)式為或***（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理三階系統(tǒng)a，b，c都是正數(shù)，且bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。降階處理：忽略高次項(xiàng)，得近似的一階系統(tǒng)近似條件

(2-50)

(2-51)

(2-52)

（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)，可以近似為積分環(huán)節(jié)，即

近似條件

(2-53)

c對(duì)頻率特性的影響低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響

低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b

1.調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 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3.3.3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T1、T2T3T1T2控制對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合認(rèn)為：

認(rèn)為：

校正成典型II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇3.3.3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

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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。-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)圖3-18雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)E(s)增加了濾波環(huán)節(jié)

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(jì)算；4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)；5.檢驗(yàn)近似條件。一。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化簡化內(nèi)容忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

Tois+11

Tois+1（1）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響

暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，電流環(huán)如下圖所示。簡化條件：

電流環(huán)截止頻率

給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s)/

，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。

+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1圖2-23b等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)圖2-23c電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1

Ts

和T0i

一般都比Tl小得多，可以近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為

T∑i=Ts+Toi

(2-55)

簡化的近似條件為

(2-56)

（2）小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇：采用I型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器選擇：PI型的電流調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)（3-48）

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(shí)間常數(shù)。+-Uc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-Uc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算

調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消

則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為典型Ⅰ系統(tǒng)，其中+-Uc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-Uc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算(續(xù)）

如希望電流超調(diào)量i

≤5%，選

=0.707，KI

Ti=0.5，則根據(jù)性能要求查典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表,查出KT值，因T已知，計(jì)算K。KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)圖2-24校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

b)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性:

校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性O(shè)L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)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(fù)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(jì)算公式(2-62)

(2-63)

5。檢驗(yàn)近似條件：計(jì)算電流環(huán)截止頻率： （1）電力電子變換器純滯后的近似處理：（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響：

（3）電流環(huán)小慣性群的處理：

1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)(2-65)

KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)忽略高次項(xiàng)，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。電流環(huán)的傳遞函數(shù)簡化:(3-59)

電流環(huán)等效傳遞函數(shù)

原來雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)圖3-18雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

E(s)增加了濾波環(huán)節(jié)

電流閉環(huán)控制的意義

電流閉環(huán)控制改造了控制對(duì)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(gè)重要功能。

例3-1ACR設(shè)計(jì)-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)圖3-18雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

E(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

Tois+11

Tois+1+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1(2-62)

(2-63)

檢驗(yàn)近似條件：計(jì)算電流環(huán)截止頻率： （1）電力電子變換器純滯后的近似處理：（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響：

（3）電流環(huán)小慣性群的處理：

例3-1設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)；5.校驗(yàn)近似條件。二。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電