第3章(觀摩01)轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

第3章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)主講教師:張今朝所在單位:機(jī)電工程學(xué)院《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課堂實(shí)踐式教學(xué)改革順藤子摸瓜，順瓜摸藤子照葫蘆畫瓢，照瓢畫葫蘆3.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)組成及其靜特性圖3-1時(shí)間最優(yōu)的理想過渡過程難度系數(shù)★★☆☆☆3.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)組成圖3-2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖3.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和圖3-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖難度系數(shù)★★☆☆☆《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課堂實(shí)踐式教學(xué)改革圖3-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性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《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課堂實(shí)踐式教學(xué)改革圖3-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課堂實(shí)踐式教學(xué)改革2各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1)當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和的情況下2)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都飽和《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課堂實(shí)踐式教學(xué)改革3.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過程分析圖3-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課堂實(shí)踐式教學(xué)改革圖3-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段電流上升階段第II階段恒流升速階段第III階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程三個(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2.動(dòng)態(tài)抗擾性能分析（1）抗負(fù)載擾動(dòng)（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)圖3-7直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用（a）單閉環(huán)系統(tǒng)（b）雙閉環(huán)系統(tǒng)（a）（b）1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用2）電流調(diào)節(jié)器的作用創(chuàng)新互動(dòng)與知識(shí)延伸1.在恒流起動(dòng)過程中，電樞電流能否達(dá)到最大值？為什么？能否達(dá)到呢？2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，遇到下列情況會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

（1）電流反饋極性接反；（2）轉(zhuǎn)速極性接反；創(chuàng)新互動(dòng)與知識(shí)延伸3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，給定電壓不變，增加轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速反饋電壓和實(shí)際轉(zhuǎn)速是增加、減小還是不變？4.由于機(jī)械原因，造成轉(zhuǎn)軸堵死，試分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖3-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段電流上升階段第II階段恒流升速階段第III階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段總結(jié)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程三個(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3.3轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)1.跟隨性能指標(biāo)±5%（或±2%）

0Otrts（1）上升時(shí)間tr（2）超調(diào)量與峰值時(shí)間tptp（3）調(diào)節(jié)時(shí)間ts圖3-8典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)2.抗擾性能指標(biāo)±5%（或±2%）

O

tmtvCb（1）動(dòng)態(tài)降落（2）恢復(fù)時(shí)間tv3.3.2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法R(s)C(s)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1.典型的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。（3-10）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)）

(3-11)

dB/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(jiǎn)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（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)（3-12）

式中n—無(wú)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)。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（只許查不許記）截止頻率

相角穩(wěn)定裕度《自動(dòng)控制原理》補(bǔ)充（P70）表3-1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%2.4T3.6T

51.8°0.786/T1。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(jiǎn)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。注意典型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：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)P70表3-1，得到式（3-19）再用部分分式分解法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=FK2/2)典型II型系統(tǒng)見N003第80頁(yè)(2-38)

(2-39)

式中為負(fù)載電流。

2）動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2-23轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。

由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

式中K=KpKs/Ce

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是

2.3.2比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)（P165）1.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)特性關(guān)系轉(zhuǎn)速降靜差率調(diào)速范圍特性對(duì)比例2-32.反饋控制規(guī)律3.比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程它的一般表達(dá)式為

根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr,當(dāng)K

≥

Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。

例題2-2~~2-5講解2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制2.4.1微機(jī)數(shù)字控制的特殊問題2.4.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)數(shù)字化2.3.3比例積分控制的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)1.積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。2.比例積分控制規(guī)律比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。2.3.4直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析比例調(diào)節(jié)器開環(huán)傳遞函數(shù)為積分調(diào)節(jié)器開環(huán)傳遞函數(shù)為比例積分調(diào)節(jié)器開環(huán)傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即1.階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差比例調(diào)節(jié)器誤差傳遞函數(shù)積分調(diào)節(jié)器誤差傳遞函數(shù)比例積分調(diào)節(jié)器誤差傳遞函數(shù)比例調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)誤差積分調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)誤差比例積分調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)誤差2.擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差比例調(diào)節(jié)器誤差積分調(diào)節(jié)器誤差比例積分調(diào)節(jié)器誤差比例調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器2.擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差階躍擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器M2.5轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)1.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)圖2-38電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)2.5.2帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)0UiId

Rs

-

Ucom圖2-40帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs

，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到（2-95）

一般KpKsRs>>R，因此堵轉(zhuǎn)電流3.帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)2.帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-43無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（Id

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Idcr）

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