電力拖動自動控制系統(tǒng)課件二

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

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：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。b)理想的快速起動過程IdLntIdOIdma)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)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2.理想的起動過程IdLntIdOIdmIdcr性能比較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。IdLntIdOIdmIdcr圖2-1a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能比較（續(xù)）理想起動過程波形如圖，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。IdLntIdOIdm圖2-1b)理想的快速起動過程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，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程?，F(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？2.1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電電流兩種負反饋分分別起作用，可在在系統(tǒng)中設置兩個個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，，即分別引入轉(zhuǎn)速速負反饋和電流負負反饋。二者之間間實行嵌套（或稱稱串級）聯(lián)接如下下圖所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+圖2-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結結構1.系統(tǒng)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)圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)器的輸出當作電電流調(diào)節(jié)器的輸入入，再用電流調(diào)節(jié)節(jié)器的輸出去控制制電力電子變換器器UPE。從閉環(huán)結構上看，，電流環(huán)在里面，，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速速環(huán)在外邊，稱作作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.系統(tǒng)電路結構為了獲得良好的靜靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)調(diào)節(jié)器一般都采用用PI調(diào)節(jié)器，這樣構成成的雙閉環(huán)直流調(diào)調(diào)速系統(tǒng)的電路原原理圖示于下圖。。圖中標出了兩個個調(diào)節(jié)器輸入輸出出電壓的實際極性性，它們是按照電電力電子變換器的的控制電壓Uc為正電壓的情況標標出的，并考慮到到運算放大器的倒倒相作用。系統(tǒng)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圖中表出，兩個調(diào)調(diào)節(jié)器的輸出都是是帶限幅作用的。。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限制了電力電子子變換器的最大大輸出電壓Udm。3.限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)））

穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim4.電流檢測電路電流檢測電路TA——電流互感器TA2.1.2穩(wěn)態(tài)結構圖和靜靜特性為了分析雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜靜特性，必須先先繪出它的穩(wěn)態(tài)態(tài)結構圖，如下下圖。它可以很很方便地根據(jù)上上圖的原理圖畫畫出來，只要注注意用帶限幅的的輸出特性表示示PI調(diào)節(jié)器就可以了了。分析靜特性性的關鍵是掌握握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特特征。1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖圖圖2-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);

—電流反饋系數(shù)Ks

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

ACR-UiUPE2.限幅作用存在兩種狀況：：飽和——輸出達到限幅值值當調(diào)節(jié)器飽和時時，輸出為恒值值，輸入量的變變化不再影響輸輸出，除非有反反向的輸入信號號使調(diào)節(jié)器退出出飽和；換句話話說，飽和的調(diào)調(diào)節(jié)器暫時隔斷斷了輸入和輸出出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和——輸出未達到限幅幅值當調(diào)節(jié)器不飽和和時，正如1.6節(jié)中所闡明的那那樣，PI作用使輸入偏差差電壓在穩(wěn)態(tài)時時總是零。3.系統(tǒng)靜特性實際上，在正常常運行時，電流流調(diào)節(jié)器是不會會達到飽和狀態(tài)態(tài)的。因此，對對于靜特性來說說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)器飽和與不不飽和兩種情況況。雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)的靜特性性如圖所示，圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdnomOnABC（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不不飽和式中，——轉(zhuǎn)速和電流反饋饋系數(shù)。由第一個關系式式可得從而得到上圖靜靜特性的CA段。(2-1)靜特性的水平特特性與此同時，由于于ASR不飽和，U*i<U*im，從上述第二個關關系式可知:Id<Idm。這就是說，CA段靜特性從理想想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都是大于額額定電流IdN的。這就是靜特特性的運行段，，它是水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器飽和這時，ASR輸出達到限幅值值U*im，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的的變化對系統(tǒng)不不再產(chǎn)生影響。。雙閉環(huán)系統(tǒng)變變成一個電流無無靜差的單電流流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時式中，最大電流流Idm是由設計者選定定的，取決于電電機的容許過載載能力和拖動系系統(tǒng)允許的最大大加速度。(2-2)靜特性的垂直特特性式（2-2）所描述的靜特特性是上圖中的的AB段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性性只適合于n<n0的情況，因為如如果n>n0，則Un>U*n，ASR將退出飽和狀態(tài)態(tài)。4.兩個調(diào)節(jié)器的作作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)的靜特性在負負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無無靜差，這時，，轉(zhuǎn)速負反饋起起主要調(diào)節(jié)作用用。當負載電流達到到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器飽和，電流調(diào)調(diào)節(jié)器起主要調(diào)調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)統(tǒng)表現(xiàn)為電流無無靜差，得到過過電流的自動保保護。這就是采用了兩兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成成內(nèi)、外兩個閉閉環(huán)的效果。這這樣的靜特性顯顯然比帶電流截截止負反饋的單單閉環(huán)系統(tǒng)靜特特性好。然而實實際上運算放大大器的開環(huán)放大大系數(shù)并不是無無窮大，特別是是為了避免零點點飄移而采用““準PI調(diào)節(jié)器”時，靜靜特性的兩段實實際上都略有很很小的靜差，如如上圖中虛線所所示。2.1.3各變量的穩(wěn)態(tài)工工作點和穩(wěn)態(tài)參參數(shù)計算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中中，當兩個調(diào)節(jié)節(jié)器都不飽和時時，各變量之間間有下列關系(2-3)(2-5)(2-4)上述關系表明，，在穩(wěn)態(tài)工作點點上，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的大小則同時取取決于n和Id，或者說，同時取取決于U*n和IdL。這些關系反映了了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。。比例環(huán)節(jié)的輸輸出量總是正比比于其輸入量，，而PI調(diào)節(jié)器則不然，，其輸出量的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)值與輸入無無關，而是由它它后面環(huán)節(jié)的需需要決定的。后后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么么大的輸出值，，它就能提供多多少，直到飽和和為止。反饋系數(shù)計算鑒于這一特點，，雙閉環(huán)調(diào)速系系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)數(shù)計算與單閉環(huán)環(huán)有靜差系統(tǒng)完完全不同，而是是和無靜差系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相相似，即根據(jù)各各調(diào)節(jié)器的給定定與反饋值計算算有關的反饋系系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)(2-6)(2-7)兩個給定電壓的的最大值U*nm和U*im由設計者選定，，設計原則如下下：U*nm受運算算放大大器允允許輸輸入電電壓和和穩(wěn)壓壓電源源的限限制；；U*im為ASR的輸出出限幅幅值。。返回目錄2.2雙閉環(huán)環(huán)直流流調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)的數(shù)數(shù)學模模型和和動動態(tài)性性能分分析本節(jié)提提要雙閉環(huán)環(huán)直流流調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)的動動態(tài)數(shù)數(shù)學模模型起動過過程分分析動態(tài)抗抗擾性性能分分析轉(zhuǎn)速和和電流流兩個個調(diào)節(jié)節(jié)器的的作用用2.2.1雙閉環(huán)環(huán)直流流調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)的動動態(tài)數(shù)數(shù)學模模型在單閉閉環(huán)直直流調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)動動態(tài)數(shù)數(shù)學模模型的的基礎礎上，，考慮慮雙閉閉環(huán)控控制的的結構構，即即可繪繪出雙雙閉環(huán)環(huán)直流流調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)的動動態(tài)結結構圖圖，如如下圖圖所示示。1.系統(tǒng)動動態(tài)結結構圖2-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E2.數(shù)學模模型圖中WASR(s)和WACR(s)分別表表示轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)器器和電電流調(diào)調(diào)節(jié)器器的傳傳遞函函數(shù)。。如果果采用用PI調(diào)節(jié)器器，則則有2.2.2起動過過程分分析前已指指出，，設置置雙閉閉環(huán)控控制的的一個個重要要目的的就是是要獲獲得接接近理理想起起動過過程，，因此此在分分析雙雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)的動動態(tài)性性能時時，有有必要要首先先探討討它的的起動動過程程。雙閉環(huán)環(huán)直流流調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)突加加給定定電壓壓U*n由靜止止狀態(tài)態(tài)起動動時，，轉(zhuǎn)速速和電電流的的動態(tài)態(tài)過程程示于于下圖圖。圖2-7雙閉環(huán)環(huán)直流流調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)起動動時的的轉(zhuǎn)速速和電電流波波形n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.起動過過程由于在在起動動過程程中轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)器器ASR經(jīng)歷了了不飽飽和、、飽和和、退退飽和和三種種情況況，整整個動動態(tài)過過程就就分成成圖中中標明明的I、II、III三個階階段。。第I階段電電流上上升的的階段段（0~t1）突加給給定電電壓U*n后，Id上升，，當Id小于負負載電電流IdL時，電電機還還不能能轉(zhuǎn)動動。當Id≥IdL后，電電機開開始起起動，，由于于機電電慣性性作用用，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不不會很很快增增長，，因而而轉(zhuǎn)速速調(diào)節(jié)節(jié)器ASR的輸入入偏差差電壓壓的數(shù)數(shù)值仍仍較大大，其其輸出出電壓壓保持持限幅幅值U*im，強迫迫電流流Id迅速上上升。。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I階段（（續(xù)））第I階段（（續(xù)））直到，，Id=Idm，Ui=U*im電流調(diào)調(diào)節(jié)器器很快快就壓壓制Id了的增增長，，標志志著這這一階階段的的結束束。在這一一階段段中，，ASR很快進進入并并保持持飽和和狀態(tài)態(tài)，而而ACR一般不飽和和。第II階段恒恒流升升速階階段（（t1~t2）在這個個階段段中，，ASR始終是是飽和和的，，轉(zhuǎn)速速環(huán)相相當于于開環(huán)環(huán)，系系統(tǒng)成成為在在恒值值電流流U*im給定下下的電電流調(diào)調(diào)節(jié)系系統(tǒng)，，基本本上保保持電電流Id恒定，，因而而系統(tǒng)統(tǒng)的加加速度度恒定定，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速呈呈線性性增長長。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第II階段（（續(xù)））第II階段（（續(xù)））與此同同時，，電機機的反反電動動勢E也按線線性增增長，，對電電流調(diào)調(diào)節(jié)系系統(tǒng)來來說，，E是一個個線性性漸增增的擾擾動量量，為為了克克服它它的擾擾動，，Ud0和Uc也必須須基本本上按按線性性增長長，才才能保保持Id恒定。。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器器時，，要使使其輸輸出量量按線線性增增長，，其輸輸入偏偏差電電壓必必須維維持一一定的的恒值值，也也就是是說，，Id應略低低于Idm。第II階段（（續(xù)））恒流升速階段是起起動過程中的主要要階段。為了保證電流環(huán)的的主要調(diào)節(jié)作用，，在起動過程中ACR是不應飽和的，電電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也也須留有余地，這這些都是設計時必必須注意的。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段段（t2以后）當轉(zhuǎn)速上升到給定定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到到零，但其輸出卻卻由于積分作用還還維持在限幅值U*im，所以電機仍在加速速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負負，使它開始退出出飽和狀態(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)上升升。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第Ⅲ階段（續(xù)）第Ⅲ階段（續(xù)）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）。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt第Ⅲ階段（續(xù)）此后，電動機開始始在負載的阻力下下減速，與此相應應，在一小段時間間內(nèi)（t3~t4），Id<IdL，直到穩(wěn)定，如果調(diào)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得得不夠好，也會有有一些振蕩過程。。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt第Ⅲ階段（續(xù)）在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)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)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id盡快地跟隨其給定定值U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)環(huán)是一個電流隨動動子系統(tǒng)。2.分析結果綜上所述，雙閉環(huán)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的的起動過程有以下下三個特點：（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)處于完完全不同的兩種狀狀態(tài)：當ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為為恒值電流調(diào)節(jié)的的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)統(tǒng)是一個無靜差調(diào)調(diào)速系統(tǒng)，而電流流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流流隨動系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性性控制，起動過程程結束進入轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)階段后，必須須使轉(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)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響響應必然有超調(diào)。。（3）準時間最優(yōu)控制起動過程中的主要要階段是第II階段的恒流升速，，它的特征是電流流保持恒定。一般般選擇為電動機允允許的最大電流，，以便充分發(fā)揮電電動機的過載能力力，使起動過程盡盡可能最快。這階段屬于有限制制條件的最短時間間控制。因此，整整個起動過程可看看作為是一個準時時間最優(yōu)控制。最后，應該指出，，對于不可逆的電電力電子變換器，，雙閉環(huán)控制只能能保證良好的起動動性能，卻不能產(chǎn)產(chǎn)生回饋制動，在在制動時，當電流流下降到零以后，，只好自由停車。。必須加快制動時時，只能采用電阻阻能耗制動或電磁磁抱閘。2.2.3動態(tài)抗擾性能分析析一般來說，雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比比較滿意的動態(tài)性性能。對于調(diào)速系系統(tǒng)，最重要的動動態(tài)性能是抗擾性性能。主要是抗負負載擾動和抗電網(wǎng)網(wǎng)電壓擾動的性能能。

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

U*iUi--EId1.抗負載擾動±?IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動動態(tài)抗負載擾作用用抗負載擾動（續(xù)）由動態(tài)結構圖中可可以看出，負載擾擾動作用在電流環(huán)環(huán)之后，因此只能能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動動的作用。在設計計ASR時，應要求有較好好的抗擾性能指標標。圖2-8直流調(diào)速系統(tǒng)的動動態(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/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E抗電網(wǎng)電壓擾動（（續(xù)）-IdL±?Udb)雙閉環(huán)系統(tǒng)△Ud—電網(wǎng)電壓壓波動在在整流電電壓上的的反映

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

U*iUi--E3.對比分析析在單閉環(huán)環(huán)調(diào)速系系統(tǒng)中，，電網(wǎng)電電壓擾動動的作用用點離被被調(diào)量較較遠，調(diào)調(diào)節(jié)作用用受到多多個環(huán)節(jié)節(jié)的延滯滯，因此此單閉環(huán)環(huán)調(diào)速系系統(tǒng)抵抗抗電壓擾擾動的性性能要差差一些。。雙閉環(huán)系系統(tǒng)中，，由于增增設了電電流內(nèi)環(huán)環(huán)，電壓壓波動可可以通過過電流反反饋得到到比較及及時的調(diào)調(diào)節(jié)，不不必等它它影響到到轉(zhuǎn)速以以后才能能反饋回回來，抗抗擾性能能大有改改善。4.分析結果果因此，在在雙閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)中中，由電電網(wǎng)電壓壓波動引引起的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速動態(tài)態(tài)變化會會比單閉閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)小得多多。2.2.4轉(zhuǎn)速和電電流兩個個調(diào)節(jié)器器的作用用綜上所述述，轉(zhuǎn)速速調(diào)節(jié)器器和電流流調(diào)節(jié)器器在雙閉閉環(huán)直流流調(diào)速系系統(tǒng)中的的作用可可以分別別歸納如如下：1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)器的作作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)器是調(diào)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)的主導導調(diào)節(jié)器器，它使使轉(zhuǎn)速n很快地跟跟隨給定定電壓變變化，穩(wěn)穩(wěn)態(tài)時可可減小轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速誤差差，如果果采用PI調(diào)節(jié)器，，則可實實現(xiàn)無靜靜差。（2）對負載載變化起起抗擾作作用。（3）其輸出出限幅值值決定電電機允許許的最大大電流。。2.電流調(diào)節(jié)節(jié)器的作作用（1）作為內(nèi)環(huán)環(huán)的調(diào)節(jié)節(jié)器，在在外環(huán)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的調(diào)調(diào)節(jié)過程程中，它它的作用用是使電電流緊緊緊跟隨其其給定電電壓（即即外環(huán)調(diào)調(diào)節(jié)器的的輸出量量）變化化。（2）對電網(wǎng)網(wǎng)電壓的的波動起起及時抗抗擾的作作用。（3）在轉(zhuǎn)速速動態(tài)過過程中，，保證獲獲得電機機允許的的最大電電流，從從而加快快動態(tài)過過程。（4）當電機過過載甚至至堵轉(zhuǎn)時時，限制制電樞電電流的最最大值，起快快速的自自動保護護作用。。一旦故故障消失失，系統(tǒng)統(tǒng)立即自自動恢復復正常。。這個作作用對系系統(tǒng)的可可靠運行行來說是是十分重重要的。返回目錄2.3調(diào)節(jié)器的的工程設設計方法法2.3.0問題的提提出必要性：：用經(jīng)典的的動態(tài)校校正方法法設計調(diào)調(diào)節(jié)器須須同時解解決穩(wěn)、、準、快快、抗干干擾等各各方面相相互有矛矛盾的靜靜、動態(tài)態(tài)性能要要求，需需要設計計者有扎扎實的理理論基礎礎和豐富富的實踐踐經(jīng)驗，，而初學學者則不不易掌握握，于是是有必要要建立實實用的設設計方法法。問題的提提出（續(xù)續(xù)）可能性：：大多數(shù)現(xiàn)現(xiàn)代的電電力拖動動自動控控制系統(tǒng)統(tǒng)均可由由低階系系統(tǒng)近似似。若事事先深入入研究低低階典型型系統(tǒng)的的特性并并制成圖圖表，那那么將實實際系統(tǒng)統(tǒng)校正或或簡化成成典型系系統(tǒng)的形形式再與與圖表對對照，設設計過程程就簡便便多了。。這樣，，就有了了建立工工程設計計方法的的可能性性。設計方法法的原則則：（1）概念清清楚、易易懂；（2）計算公公式簡明明、好記記；（3）不僅給給出參數(shù)數(shù)計算的的公式，，而且指指明參數(shù)數(shù)調(diào)整的的方向；；（4）能考慮慮飽和非非線性控控制的情情況，同同樣給出出簡單的的計算公公式；（5）適用于于各種可可以簡化化成典型型系統(tǒng)的的反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)。2.3.1工程設計計方法的的基本思思路1.選擇調(diào)節(jié)節(jié)器結構構,使系統(tǒng)典典型化并并滿足穩(wěn)穩(wěn)定和穩(wěn)穩(wěn)態(tài)精度度。2.設計調(diào)節(jié)節(jié)器的參參數(shù)，以以滿足動動態(tài)性能能指標的的要求。2.3.2典型系統(tǒng)統(tǒng)一般來說說，許多多控制系系統(tǒng)的開開環(huán)傳遞遞函數(shù)都都可表示示為(2-8)R(s)C(s)上式中，，分母中中的sr項表示該該系統(tǒng)在在原點處處有r重極點，，或者說說，系統(tǒng)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、Ⅱ型、……系統(tǒng)。自動控制理論論已經(jīng)證明，，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)統(tǒng)很難穩(wěn)定。。因此，為了保保證穩(wěn)定性和和較好的穩(wěn)態(tài)態(tài)精度，多選用I型和II型系統(tǒng)。1.典型I型系統(tǒng)結構圖與傳遞遞函數(shù)式中T—系統(tǒng)的慣性時時間常數(shù)；K—系統(tǒng)的開環(huán)增增益。（2-9）開環(huán)對數(shù)頻率特性O性能特性典型的I型系統(tǒng)結構簡簡單，其對數(shù)數(shù)幅頻特性的的中頻段以–20dB/dec的斜率穿越0dB線，只要參數(shù)數(shù)的選擇能保保證足夠的中中頻帶寬度，，系統(tǒng)就一定定是穩(wěn)定的，，且有足夠的的穩(wěn)定裕量，，即選擇參數(shù)滿足或于是，相角穩(wěn)穩(wěn)定裕度2.典型Ⅱ型系統(tǒng)結構圖和傳遞遞函數(shù)（2-10）開環(huán)對數(shù)頻率特性O性能特性典型的II型系統(tǒng)也是以以–20dB/dec的斜率穿越零零分貝線。由由于分母中s2項對應的相頻頻特性是–180°，后面還有一一個慣性環(huán)節(jié)節(jié)，在分子添添上一個比例例微分環(huán)節(jié)（（s+1），是為了把把相頻特性抬抬到–180°線以上，以保保證系統(tǒng)穩(wěn)定定，即應選擇參數(shù)滿足或且比T大得越多，系系統(tǒng)的穩(wěn)定裕裕度越大。2.3.3控制系統(tǒng)的動動態(tài)性能指標標自動控制系統(tǒng)統(tǒng)的動態(tài)性能能指標包括：：跟隨性能指標標抗擾性能指標標系統(tǒng)典型的階階躍響應曲線線±5%（或±2%）

0Otrts圖2-12典型階躍響應應曲線和跟隨隨性能指標1.跟隨性能指標標：在給定信號或或參考輸入信信號的作用下下，系統(tǒng)輸出出量的變化情情況可用跟隨隨性能指標來來描述。常用用的階躍響應應跟隨性能指指標有tr—上升時間—超調(diào)量ts—調(diào)節(jié)時間突加擾動的動動態(tài)過程和抗抗擾性能指標標圖2-13突加擾動的動動態(tài)過程和抗抗擾性能指標標±5%（或±2%）

O

tmtvCb2.抗擾性能指標標抗擾性能指標標標志著控制制系統(tǒng)抵抗擾擾動的能力。。常用的抗擾擾性能指標有有Cmax—動態(tài)降落tv—恢復時間一般來說，調(diào)調(diào)速系統(tǒng)的動動態(tài)指標以抗抗擾性能為主主，而隨動系系統(tǒng)的動態(tài)指指標則以跟隨隨性能為主。。2.3.4典型I型系統(tǒng)性能指指標和參數(shù)的的關系典型I型系統(tǒng)的開環(huán)環(huán)傳遞函數(shù)如如式（2-9）所示，它包包含兩個參數(shù)數(shù)：開環(huán)增益益K和時間常數(shù)T。其中，時間間常數(shù)T在實際系統(tǒng)中中往往是控制制對象本身固固有的，能夠夠由調(diào)節(jié)器改改變的只有開開環(huán)增益K，也就是說，，K是唯一的待定定參數(shù)。設計計時，需要按按照性能指標標選擇參數(shù)K的大小。K與開環(huán)對數(shù)頻頻率特性的關關系圖2-13繪出了在不同同K值時典型I型系統(tǒng)的開環(huán)環(huán)對數(shù)頻率特特性，箭頭表表示K值增大時特性性變化的方向向。K與截止頻率c的關系當c<1/T時，特性以–20dB/dec斜率穿越零分分貝線，系統(tǒng)統(tǒng)有較好的穩(wěn)穩(wěn)定性。由圖圖中的特性可可知所以K=c（當c時）(2-12)式（2-12）表明，K值越大，截止頻率率c也越大，系統(tǒng)響應應越快，但相角穩(wěn)穩(wěn)定裕度=90°–arctgcT越小，這也說明快快速性與穩(wěn)定性之之間的矛盾。在具具體選擇參數(shù)K時，須在二者之間間取折衷。下面將用數(shù)字定量量地表示K值與各項性能指標標之間的關系。表2-1I型系統(tǒng)在不同輸入入信號作用下的穩(wěn)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)跟隨性能指指標與參數(shù)的關系系（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指指標：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性性能指標可用不同同輸入信號作用下的的穩(wěn)態(tài)誤差來表示示。由表可見：在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無無差的；但在斜坡輸入下則則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差差，且與K值成反比；在加速度輸入下穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差為。因此，I型系統(tǒng)不能用于具具有加速度輸入的的隨動系統(tǒng)。（2）動態(tài)跟隨性能指指標閉環(huán)傳遞函數(shù)：典典型I型系統(tǒng)是一種二階階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳傳遞函數(shù)的一般形形式為（2-13）式中n—無阻尼時的自然振振蕩角頻率，或稱稱固有角頻率；—阻尼比，或稱衰減減系數(shù)。K、T與標準形式中的參參數(shù)的換算關系(2-15)(2-16)(2-17)且有二階系統(tǒng)的性質(zhì)當<1時，系統(tǒng)動態(tài)響應應是欠阻尼的振蕩蕩特性，當1時，系統(tǒng)動態(tài)響應應是過阻尼的單調(diào)調(diào)特性；當=1時，系統(tǒng)動態(tài)響應應是臨界阻尼。由于過阻尼特性動動態(tài)響應較慢，所所以一般常把系統(tǒng)統(tǒng)設計成欠阻尼狀狀態(tài)，即0<<1由于在典I系統(tǒng)中KT<1，代入式（2-16）得>0.5。因此在典型I型系統(tǒng)中應取下面列出欠阻尼二二階系統(tǒng)在零初始始條件下的階躍響響應動態(tài)指標計算算公式(2-18)性能指標和系統(tǒng)參參數(shù)之間的關系(2-19)(2-20)(2-21)超調(diào)量上升時間峰值時間表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指指標和頻域指標與與參數(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)工藝藝要求選擇參數(shù)以滿足性性能指標。參數(shù)關系KT0.250.390.50.691.0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

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%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/T2.典型I型系統(tǒng)抗擾性能指指標與參數(shù)的關系系圖2-15a是在擾動F作用下的典型I型系統(tǒng)，其中，W1(s)是擾動作用點前面面部分的傳遞函數(shù)數(shù)，后面部分是W2(s)，于是只討論抗擾性能時時，令輸入作用R=0，得到圖2-15b所示的等效結構圖圖。(2-25)圖2-15擾動作用下的典型型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)

由于抗擾性能與W1(s)有關，因此抗擾性性能指標也不定，，隨著擾動點的變變化而變化。在此此，我們針對常用用的調(diào)速系統(tǒng)，分分析圖2-16的一種情況，其他他情況可仿此處理理。經(jīng)過一系列計計算可得到表2-3所示的數(shù)據(jù)。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)抗擾性性能指標與參數(shù)的的關系(控制結構和擾動作作用點如圖2-15所示，已選定的參參數(shù)關系KT=0.5)分析結果：由表2-3中的數(shù)據(jù)可以看出出，當控制對象的的兩個時間常數(shù)相相距較大時，動態(tài)態(tài)降落減小，但恢恢復時間卻拖得較較長。2.3.5典型II型系統(tǒng)性能指標和和參數(shù)的關系可選參數(shù)：在在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞遞函數(shù)式(2-10)中，與典型I型系統(tǒng)相仿，時間間常數(shù)T也是控制對象固有有的。所不同的是是，待定的參數(shù)有有兩個：K和，這就增加了選擇擇參數(shù)工作的復雜雜性。為了分析方便起見見，引入一個新的的變量(圖2-16)，令(2-32)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)數(shù)幅頻特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec圖2-16典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)數(shù)幅頻特性和中頻頻寬中頻寬度中頻寬h由圖可見，h是斜率為–20dB/dec的中頻段的寬度（（對數(shù)坐標），稱稱作“中頻寬”。。由于中頻段的狀狀況對控制系統(tǒng)的的動態(tài)品質(zhì)起著決決定性的作用，因因此h值是一個很關鍵的的參數(shù)。只要按照動態(tài)性能能指標的要求確定定了h值，就可以代入這這兩個公式計算K和，并由此計算調(diào)節(jié)節(jié)器的參數(shù)。表2－5II型系統(tǒng)在不同輸入入信號作用下的穩(wěn)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)跟隨性能指指標Ⅱ型系統(tǒng)在不同輸入入信號作用下的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差列于表2-5中1.典型II型系統(tǒng)跟隨性能指指標和參數(shù)的關系系由表可知：在階躍和斜坡輸入入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無無差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)態(tài)誤差與開環(huán)增益益K成反比。表2-6典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟跟隨性能指標（按Mrmin準則確定關系時））

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（2）動態(tài)跟隨性能指指標圖2-17b典型II型系統(tǒng)在一種擾動動作用下的動態(tài)結結構圖+0-抗擾系統(tǒng)結構2.典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能指指標和參數(shù)的關系系擾動系統(tǒng)的輸出響響應在階躍擾動下，（2-43）由式（2-43）可以計算出對應應于不同h值的動態(tài)抗擾過程程曲線C(t)，從而求出各項動動態(tài)抗擾性能指標標，列于表2-7中。在計算中，為為了使各項指標都都落在合理的范圍圍內(nèi)，取輸出量基基準值為Cb=2FK2T（2-44）表2-7典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性性能指標與參數(shù)的的關系（控制結構和階躍躍擾動作用點如圖圖2-18，參數(shù)關系符合最最小Mr準則）

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%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由表2-7中的數(shù)數(shù)據(jù)可可見，，一般般來說說，h值越小小，Cmax/Cb也越小小，tm和tv都短，，因而而抗擾擾性能能越好好，這這個趨趨勢與與跟隨隨性能能指標標中超超調(diào)量量與h值的關關系恰恰好相相反，，反映映了快快速性性與穩(wěn)穩(wěn)定性性的矛矛盾。。但是，，當h<5時，由由于振振蕩次次數(shù)的的增加加，h再小，，恢復復時間間tv反而拖拖長了了。分析結結果由此可可見，，h=5是較好好的選選擇，，這與與跟隨隨性能能中調(diào)調(diào)節(jié)時時間最最短的的條件件是一一致的的（見見表2-6）。因此，，把典典型Ⅱ型系統(tǒng)統(tǒng)跟隨隨和抗抗擾的的各項項性能能指標標綜合合起來來看，，h=5應該是是一個個很好好的選選擇。。兩種系系統(tǒng)比比較比較分分析的的結果果可以以看出出，典典型I型系統(tǒng)統(tǒng)和典典型Ⅱ型系統(tǒng)統(tǒng)除了了在穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤誤差上上的區(qū)區(qū)別以以外，，在動動態(tài)性性能中中，典型I型系統(tǒng)統(tǒng)在跟跟隨性性能上上可以以做到到超調(diào)調(diào)小，，但抗抗擾性性能稍稍差，，典型Ⅱ型系統(tǒng)統(tǒng)的超超調(diào)量量相對對較大大，抗抗擾性性能卻卻比較較好。這是設設計時時選擇擇典型型系統(tǒng)統(tǒng)的重重要依依據(jù)。。2.3.6調(diào)節(jié)器器結構構的選選擇和和傳遞遞函數(shù)數(shù)的近近似處處理——非典型型系統(tǒng)統(tǒng)的典典型化化1.調(diào)節(jié)器器結構構的選選擇基本思思路:將控制制對象象校正正成為為典型型系統(tǒng)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)

輸入輸出選擇規(guī)規(guī)律：：幾種校校正成成典型型I型系統(tǒng)統(tǒng)和典典型II型系統(tǒng)統(tǒng)的控控制對對象和和相應應的調(diào)調(diào)節(jié)器器傳遞遞函數(shù)數(shù)列于于表2-8和表2-9中，表表中還還給出出了參參數(shù)配配合關關系。。有時時僅靠靠P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)調(diào)節(jié)器器都不不能滿滿足要要求，，就不不得不不作一一些近近似處處理，，或者者采用用更復復雜的的控制制規(guī)律律。表2-8校正成成典型型I型系統(tǒng)統(tǒng)的幾幾種調(diào)調(diào)節(jié)器器選擇擇控制對象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合T1、T2T3T1T2表2-9校正成成典型型II型系統(tǒng)統(tǒng)的幾幾種調(diào)調(diào)節(jié)器器選擇擇控制對象調(diào)節(jié)器參數(shù)配合認為：

認為：：2.傳遞函函數(shù)近近似處處理（1））高頻頻段小小慣性性環(huán)節(jié)節(jié)的近近似處處理實際系系統(tǒng)中中往往往有若若干個個小時時間常常數(shù)的的慣性性環(huán)節(jié)節(jié)，這這些小小時間間常數(shù)數(shù)所對對應的的頻率率都處處于頻頻率特特性的的高頻頻段，，形成成一組組小慣慣性群群。例例如，，系統(tǒng)統(tǒng)的開開環(huán)傳傳遞函函數(shù)為為小慣性環(huán)節(jié)可以合并當系統(tǒng)統(tǒng)有一一組小小慣性性群時時，在在一定定的條條件下下，可可以將將它們們近似似地看看成是是一個個小慣慣性環(huán)環(huán)節(jié)，，其時時間常常數(shù)等等于小小慣性性群中中各時時間常常數(shù)之之和。。例如：：(2-47)近似條條件(2-46)（2））高階階系統(tǒng)統(tǒng)的降降階近近似處處理上述小小慣性性群的的近似似處理理實際際上是是高階階系統(tǒng)統(tǒng)降階階處理理的一一種特特例，，它把把多階階小慣慣性環(huán)環(huán)節(jié)降降為一一階小小慣性性環(huán)節(jié)節(jié)。下下面討討論更更一般般的情情況，，即如如何能能忽略略特征征方程程的高高次項項。以以三階階系統(tǒng)統(tǒng)為例例，設設其中a，b，c都是正正系數(shù)數(shù)，且且bca，即系系統(tǒng)是是穩(wěn)定定的。。(2-50)降階處處理：：若能忽忽略高高次項項，可可得近近似的的一階階系統(tǒng)統(tǒng)的傳傳遞函函數(shù)為為近似條件(2-51)(2-52)（3）低頻頻段大慣性性環(huán)節(jié)的近近似處理表2-9中已經(jīng)指出出，當系統(tǒng)統(tǒng)中存在一一個時間常常數(shù)特別大大的慣性環(huán)環(huán)節(jié)時，可可以近似地地將它看成成是積分環(huán)環(huán)節(jié)，即近似條件(2-53)例如：c對頻率特性性的影響圖2-21低頻段大慣慣性環(huán)節(jié)近近似處理對對頻率特性性的影響返回目錄低頻時把特特性a近似地看成成特性b2.4按工程設計計方法設計計雙閉環(huán)系系統(tǒng)的調(diào)調(diào)節(jié)器本節(jié)將應用用前述的工工程設計方方法來設計計轉(zhuǎn)速、電電流雙閉環(huán)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)的兩個調(diào)調(diào)節(jié)器。主主要內(nèi)容為為系統(tǒng)設計對對象系統(tǒng)設計原原則系統(tǒng)設計步步驟-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速速系統(tǒng)的動動態(tài)結構圖圖轉(zhuǎn)速、電流流雙閉環(huán)調(diào)調(diào)速系統(tǒng)。。1.系統(tǒng)設計對對象雙閉環(huán)調(diào)速速系統(tǒng)的實實際動態(tài)結結構圖繪于于圖2-22，它與前述述的圖2-6不同之處在在于增加了了濾波環(huán)節(jié)節(jié)，包括電電流濾波、、轉(zhuǎn)速濾波波和兩個給給定信號的的濾波環(huán)節(jié)節(jié)。其中T0i—電流反饋濾濾波時間常常數(shù)T0n—轉(zhuǎn)速反饋濾濾波時間常常數(shù)2.系統(tǒng)設計原原則系統(tǒng)設計的的一般原則則：“先內(nèi)環(huán)后后外環(huán)”從內(nèi)環(huán)開始始，逐步向向外擴展。。在這里，，首先設計計電流調(diào)節(jié)節(jié)器，然后后把整個電電流環(huán)看作作是轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中中的一個環(huán)環(huán)節(jié)，再設設計轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)器。設計分為以以下幾個步步驟：1.電流環(huán)結構構圖的簡化化2.電流調(diào)節(jié)器器結構的選選擇3.電流調(diào)節(jié)器器的參數(shù)計計算4.電流調(diào)節(jié)器器的實現(xiàn)2.4.1電流調(diào)節(jié)器器的設計1.電流環(huán)結構構圖的簡化化簡化內(nèi)容：：忽略反電動動勢的動態(tài)態(tài)影響等效成單位位負反饋系系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)節(jié)近似處理理忽略反電動動勢的動態(tài)態(tài)影響在按動態(tài)性性能設計電電流環(huán)時，，可以暫不不考慮反電電動勢變化化的動態(tài)影影響，即E≈0。這時，電電流環(huán)如下下圖所示。。Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

T0is+11

T0is+1圖2-23電流環(huán)的動動態(tài)結構圖圖及其化簡簡等效成單位位負反饋系系統(tǒng)如果把給定定濾波和反反饋濾波兩兩個環(huán)節(jié)都都等效地移移到環(huán)內(nèi)，，同時把給給定信號改改成U*i(s)/，則電流環(huán)環(huán)便等效成成單位負反反饋系統(tǒng)（（圖2-23b）。+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

T0is+1圖2-23b小慣性環(huán)節(jié)節(jié)近似處理理最后，由于于Ts和T0i一般都比Tl小得多，可可以當作小小慣性群而而近似地看看作是一個個慣性環(huán)節(jié)節(jié)，其時間間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi(2-55)簡化的近似似條件為(2-56)電流環(huán)結構構圖最終簡簡化成圖2-23c。+-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2-23c2.電流調(diào)節(jié)器器結構的選選擇典型系統(tǒng)的的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求求上看，希希望電流無無靜差，以以得到理想想的堵轉(zhuǎn)特特性，由圖圖2-23c可以看出，，采用I型系統(tǒng)就夠夠了。從動態(tài)要求求上看，實實際系統(tǒng)不不允許電樞樞電流在突突加控制作作用時有太太大的超調(diào)調(diào)，以保證證電流在動動態(tài)過程中中不超過允允許值，而而對電網(wǎng)電電壓波動的的及時抗擾擾作用只是是次要的因因素，為此此，電流環(huán)環(huán)應以跟隨隨性能為主主，應選用用典型I型系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器器選擇圖2-23c表明，電流流環(huán)的控制制對象是雙雙慣性型的的，要校正正成典型I型系統(tǒng)，顯顯然應采用用PI型的電流調(diào)調(diào)節(jié)器，其其傳遞函數(shù)數(shù)可以寫成成（2-57）式中Ki—電流調(diào)節(jié)器器的比例系系數(shù)；i—電流調(diào)節(jié)器器的超前時時間常數(shù)。。為了讓調(diào)節(jié)節(jié)器零點與與控制對象象的大時間間常數(shù)極點點對消，選選擇則電流環(huán)的的動態(tài)結構構圖便成為為圖2-24a所示的典型型形式，其其中（2-58）（2-59）KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)校正后電流流環(huán)的結構構和特性圖2-24校正成典型型I型系統(tǒng)的電電流環(huán)a)動態(tài)結構圖圖:b)開環(huán)對數(shù)幅幅頻特性:0L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i3.電流調(diào)節(jié)器器的參數(shù)計計算式（2-57）給出，電電流調(diào)節(jié)器器的參數(shù)有有：Ki和i，其中i已選定，見見式（2-58），剩下的的只有比例例系數(shù)Ki，可根據(jù)據(jù)所需要的的動態(tài)性能能指標選取取。參數(shù)選擇在一般情況況下，希望望電流超調(diào)調(diào)量i<5%，由表2-2，可選=0.707，KITi=0.5，則(2-60)(2-61)再利用式（（2-59）和式（2-58）得到注意：如果實際系系統(tǒng)要求的的跟隨性能能指標不同同，式（2-60）和式（2-61）當然應作作相應的改改變。此外，如果果對電流環(huán)環(huán)的抗擾性性能也有具具體的要求求，還得再再校驗一下下抗擾性能能指標是否否滿足。4.電流調(diào)節(jié)器器的實現(xiàn)模擬式電流流調(diào)節(jié)器電電路圖中U*i—為電流給定定電壓；–Id—為電流負反反饋電壓；；Uc—電力電子變變換器的控控制電壓。。圖2-25含給定濾波波與反饋濾濾波的PI型電流調(diào)節(jié)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器器電路參數(shù)數(shù)的計算公公式(2-62)(2-63)(2-64)設計分為以以下幾個步步驟：1.電流環(huán)的等等效閉環(huán)傳傳遞函數(shù)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器結構的選選擇3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器參數(shù)的選選擇4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器的實現(xiàn)2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器的設計1.電流環(huán)的等等效閉環(huán)傳傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)環(huán)傳遞函數(shù)數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡簡化后可視視作轉(zhuǎn)速環(huán)環(huán)中的一個個環(huán)節(jié)，為為此，須求求出它的閉閉環(huán)傳遞函函數(shù)。由圖圖2-24a可知(2-65)傳遞函數(shù)化化簡忽略高次項項，上式可可降階近似似為(2-66)近似條件可可由式（2-52）求出(2-67)式中cn—轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)環(huán)頻率特性性的截止頻頻率。電流環(huán)等等效傳遞遞函數(shù)接入轉(zhuǎn)速速環(huán)內(nèi)，，電流環(huán)環(huán)等效環(huán)環(huán)節(jié)的輸輸入量應應為U*i(s)，因此電流流環(huán)在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速環(huán)中中應等效效為(2-68)這樣，原原來是雙雙慣性環(huán)環(huán)節(jié)的電電流環(huán)控控制對象象，經(jīng)閉閉環(huán)控制制后，可可以近似似地等效效成只有有較小時時間常數(shù)數(shù)的一階階慣性環(huán)環(huán)節(jié)。物理意義義：這就表明明，電流的閉閉環(huán)控制制改造了了控制對對象，加加快了電電流的跟跟隨作用用，這是是局部閉閉環(huán)（內(nèi)內(nèi)環(huán)）控控制的一一個重要要功能。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)器結構構的選擇擇轉(zhuǎn)速環(huán)的的動態(tài)結結構用電流環(huán)環(huán)的等效效環(huán)節(jié)代代替圖2-22中的電流流環(huán)后，，整個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制制系統(tǒng)的的動態(tài)結結構圖便便如圖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)結構圖及其簡化

電流環(huán)系統(tǒng)等效和小小慣性的近似似處理和電流環(huán)中一一樣，把轉(zhuǎn)速速給定濾波和和反饋濾波環(huán)環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)內(nèi)，同時將給給定信號改成成U*n(s)/，再把時間常常數(shù)為1/KI和T0n的兩個小慣性性環(huán)節(jié)合并起起來，近似成成一個時間常常數(shù)為的慣性性環(huán)節(jié)，其中中（2-69）轉(zhuǎn)速環(huán)結構簡簡化n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)/

Tns+1U*n(s)+-IdL

(s)b)等效成單位負負反饋系統(tǒng)和和小慣性的近近似處理轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速速無靜差，在在負載擾動作作用點前面必必須有一個積積分環(huán)節(jié)，它它應該包含在在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器ASR中（見圖2-26b），現(xiàn)在在擾擾動作用點后后面已經(jīng)有了了一個積分環(huán)環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳傳遞函數(shù)應共共有兩個積分分環(huán)節(jié)，所以以應該設計成成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣樣的系統(tǒng)同時時也能滿足動動態(tài)抗擾性能能好的要求。。由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳傳遞函數(shù)為（2-70）式中Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的的比例系數(shù)；；n—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的的超前時間常常數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的開開環(huán)傳遞函數(shù)數(shù)這樣，調(diào)速系系統(tǒng)的開環(huán)傳傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)環(huán)增益為（2-72）則（2-71）校正后的系統(tǒng)統(tǒng)結構n

(s)+-U*n(s)c)校正后成為典典型II型系統(tǒng)3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的的參數(shù)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的的參數(shù)包括Kn和n。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)關系，由式式(2-38)（2-74）再由式（2-39）（2-75）（2-76）因此參數(shù)選擇至于中頻寬h應選擇多少，，要看動態(tài)性性能的要求決決定。無特殊要求時時，一般可選選擇4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的的實現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)節(jié)器電路圖2-27含給定濾波與與反饋濾波的的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器圖中U*n—為轉(zhuǎn)速給定電電壓，-n—為轉(zhuǎn)速負反饋饋電壓，U*i—調(diào)節(jié)器的輸出出是電流調(diào)節(jié)節(jié)器的給定電電壓。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參參數(shù)計算(2-77)(2-78)(2-79)轉(zhuǎn)速環(huán)與電流流環(huán)的關系：：外環(huán)的響應比比內(nèi)環(huán)慢，這這是按上述工工程設計方法法設計多環(huán)控控制系統(tǒng)的特特點。這樣做做，雖然不利利于快速性，，但每個控制制環(huán)本身都是是穩(wěn)定的，對對系統(tǒng)的組成成和調(diào)試工作作非常有利。設計舉例：請見教材例題題2-1和例題2-2。返回目錄*2.6弱磁控制的直直流調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)本節(jié)提要調(diào)壓與弱磁的的配合控制非獨立控制勵勵磁的調(diào)速系系統(tǒng)弱磁過程的直直流電機數(shù)學學模型和弱磁磁控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的的設計*2.6.1調(diào)壓與弱磁的的配合控制概述在他勵直流電電動機的調(diào)速速方法中，前前面討論的調(diào)調(diào)電壓方法是是從基速（即即額定轉(zhuǎn)速nN）向下調(diào)速。。如果需要從基基速向上調(diào)速速，則要采用用弱磁調(diào)速的的方法，通過過降低勵磁電電流，以減弱弱磁通來提高高轉(zhuǎn)速。兩種調(diào)速方式式1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方方式按照電力拖動動原理，在不不同轉(zhuǎn)速下長長期運行時，，為了充分利利用電機，都都應使電樞電電流達到其額額定值IN。于是，由于電電磁轉(zhuǎn)矩Te=KmId，在調(diào)壓調(diào)速速范圍內(nèi)，因因為勵磁磁通通不變，容許許的轉(zhuǎn)矩也不不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方方式”。2.恒功率調(diào)速方方式而在弱磁調(diào)速速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越高，磁磁通越弱，容容許的轉(zhuǎn)矩不不得不減少，，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速速的乘積則不不變，即容許許功率不變，，是為“恒功率調(diào)速方方式”。由此可見，所所謂“恒轉(zhuǎn)矩矩”和“恒功功率”調(diào)速方方式，是指在在不同運行條條件下，當電電樞電流達到到其額定值IN時，所容許的的轉(zhuǎn)矩或功率率不變，是電電機能長期承承受的限度。。實際的轉(zhuǎn)矩矩和功率究竟竟有多少，還還要由其具體體的負載來決決定。恒轉(zhuǎn)矩類型的的負載適合于于采用恒轉(zhuǎn)矩矩調(diào)速方式，，而恒功率類類型的負載更更適合于恒功功率的調(diào)速方方式。但是，，直流電機允允許的弱磁調(diào)調(diào)速范圍有限限，一般電機機不超過1:2，專用的“調(diào)速電機””也不過是1:3或1:4。調(diào)壓和弱磁配配合控制當負載要求的的調(diào)速范圍更更大時，就不不得不采用調(diào)調(diào)壓和弱磁配配合控制的辦辦法，即在基基速以下保持持磁通為額定定值不變，只只調(diào)節(jié)電樞電電壓，而在基基速以上則把把電壓保持為為額定值，減減弱磁通升速速，這樣的配配合控制特性性示于下圖。。電樞電壓與勵勵磁配合控制制特性TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO圖2-35變壓與弱磁配配合控制特性性從圖中可知：：調(diào)壓與弱磁磁配合控制只只能在基速以以上滿足恒功功率調(diào)速的要要求，在基速速以下，輸出出功率不得不不有所降低。。*2.6.2非獨立控制勵勵磁的調(diào)速系系統(tǒng)1.系統(tǒng)設計要點點：在基速以下調(diào)調(diào)壓調(diào)速時，，保持磁通為為額定值不變變；在基速以上弱弱磁升速時，，保持電壓為為額定值不變變；弱磁升速時，，由于轉(zhuǎn)速升升高，使轉(zhuǎn)速速反饋電壓也也隨著升高Un，因此必須同時提高高轉(zhuǎn)速給定電壓Un*，否則轉(zhuǎn)速不能上上升。2.獨立控制勵磁的調(diào)調(diào)速系統(tǒng)獨立控制勵磁的調(diào)調(diào)速系統(tǒng)結構-AFR+GTFCUif-VFCU*ifRP2MTGnASRACRU*nRP1-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE+TGM系統(tǒng)部件說明圖中RP2——給定電位器；AFR——勵磁電流調(diào)節(jié)器；；VFC——勵磁電流可控整流流裝置。工作原理在基速以下調(diào)壓調(diào)調(diào)速時，RP2不變保持磁通為額額定值，用RP1調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時，，轉(zhuǎn)速、電流雙閉閉環(huán)系統(tǒng)起控制作作用；在基速以上弱磁升升速時，通過RP2減少勵磁電流給定定電壓，從而減少少勵磁磁通，以