電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)

建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的根本步驟如下：〔1〕根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；〔2〕求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；〔3〕組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。21.電力電子器件的傳遞函數(shù)構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達式是相同的，都是只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。

條件：3TL+-MUd0+-ERLneid圖1-33他勵直流電動機等效電路

2.直流電動機的傳遞函數(shù)(1-45)

假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為

電路方程4電機軸上的動力學方程為

(1-46)

額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

(1-47)

(1-48)

—包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，N-m；TL5式中

—電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量，N-m2；

—電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N-m/A；

GD2

—電樞回路電磁時間常數(shù)，s；

—電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，s。定義以下時間常數(shù)8

動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb.式（1－52）的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)a.式（1－51）的結(jié)構(gòu)圖+圖1-34額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖9n(s)c.整個直流電動機的動態(tài)的結(jié)構(gòu)圖1/CeUd0IdL

(s)

EId(s)Un++--1/RTls+1RTms10n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)

動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a.IdL≠011n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化〔續(xù)〕b.IdL=012直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反響環(huán)節(jié)，它們的響應都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即放大器測速反響〔1-54〕〔1-53〕3.控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)13知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如以下圖所示。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)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。144.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-36反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)155.調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)由圖可見，反響控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是

〔1-55〕166.調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

設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

〔1-56〕式中K=KpKs

/Ce

171.5.2反響控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件由式〔1-57〕可知，反響控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為〔1-57〕它的一般表達式為

18

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〔1-57〕的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有或19整理后得系統(tǒng)穩(wěn)定條件：〔1-58〕式〔1-58〕右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr,當K≥Kcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于一個自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。20例題1-5在例題1-4中，R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925V·min/r，系統(tǒng)運動局部的飛輪慣量GD2=10N·m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標D=10，s≤5%計算，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應有K≥53.3，試判別這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。21解：首先應確定主電路的電感值，用以計算電磁時間常數(shù)。對于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應設置平波電抗器。例題1-4給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流時電流仍能連續(xù)，應采用式〔1-8〕計算電樞回路總電感量，即那么取=17mH=0.017H。22計算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)

對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為

Ts=0.00167s

機電時間常數(shù)23為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應滿足式〔1-59〕的穩(wěn)定條件按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標要求K≥53.3，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。24例題1-6在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，假設改用IGBT脈寬調(diào)速系統(tǒng)，電動機不變，電樞回路參數(shù)為：R=0.6，Ks=44，L=5mH，Ts=0.1ms，按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標D=10，s≤5%計算，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定。解：采用脈寬調(diào)速系統(tǒng)是，各環(huán)節(jié)時間常數(shù)為25穩(wěn)定條件應用

額定負載時閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降應為，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)速降為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應滿足系統(tǒng)完全能滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下穩(wěn)定運行。26例題1-7上題的閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)在臨界穩(wěn)定的條件下，最多能到達多大的調(diào)速范圍？〔靜差率指標不變〕閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍最多能達到比原來指標高得多解：臨界穩(wěn)定的條件下閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降可達271.5.3動態(tài)校正——PI調(diào)節(jié)器的設計1.概述在設計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況〔如例題1-5〕，這時，必須設計適宜的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標兩方面的要求。282.動態(tài)校正的方法串聯(lián)校正；并聯(lián)校正；反響校正。對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反響校正。29串聯(lián)校正方法：無源網(wǎng)絡校正——RC網(wǎng)絡；有源網(wǎng)絡校正——PID調(diào)節(jié)器。

對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。PID調(diào)節(jié)器的類型：比例微分〔PD〕比例積分〔PI〕比例積分微分〔PID〕30

PID調(diào)節(jié)器的功能由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后—超前校正那么兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復雜一些。31典型伯德圖

從圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：0L/dB

c/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-37典型的控制系統(tǒng)伯德圖

3.系統(tǒng)設計工具32

伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，那么系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；截止頻率〔或稱剪切頻率〕越高，那么系統(tǒng)的快速性越好；低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。設計時往往須在穩(wěn)、準、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。334.系統(tǒng)設計要求在實際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標是：相角裕度

和以分貝表示的增益裕度GM。一般要求：

=30°－60°；GM>6dB。345.設計步驟系統(tǒng)建?！紫葢M行總體設計，選擇根本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標計算參數(shù)，形成根本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。系統(tǒng)分析——建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動態(tài)性能。系統(tǒng)設計——如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動態(tài)性能不好，就必須配置適宜的動態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。356.設計方法試湊法——設計時往往須用多種手段，反復試湊。工程設計法——詳見第2章。367.PI調(diào)節(jié)器在模擬電子控制技術(shù)中，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如下圖。Uex++C1RbalUinR0+AR1圖1-38

比例積分（PI）調(diào)節(jié)器

37式中—PI調(diào)節(jié)器比例局部的放大系數(shù)；—PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩局部相加而成。PI調(diào)節(jié)器輸入輸出關(guān)系

按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得(1-60)38令，那么傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當初始條件為零時，取式〔1-60〕兩側(cè)的拉氏變換后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

(1-61)(1-62)391.5.4系統(tǒng)設計舉例與參數(shù)計算〔二〕系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設計例題1-8在例題1-5中，已經(jīng)判明，按照穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標設計的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。試利用伯德圖設計PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)能在保證穩(wěn)態(tài)性能要求下穩(wěn)定運行。

40解〔1〕被控對象的開環(huán)頻率特性分析式〔1-56〕已給出原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下Ts=0.00167s，Tl=0.017s，Tm=0.075s，在這里，Tm≥4Tl，因此分母中的二次項可以分解成兩個一次項之積，即41根據(jù)例題1-4的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算結(jié)果，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)已取為

于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是42其中三個轉(zhuǎn)折頻率〔或稱交接頻率〕分別為43

系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性44因此代入數(shù)據(jù)，得

由原始系統(tǒng)對數(shù)幅頻和相頻特性可知

由圖1-40可見，相角裕度

和增益裕度GM都是負值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。這和例題1-5中用代數(shù)判據(jù)得到的結(jié)論是一致的。45〔2〕PI調(diào)節(jié)器設計為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，設置PI調(diào)節(jié)器，設計時須繪出其對數(shù)頻率特性?？紤]到原始系統(tǒng)中已包含了放大系數(shù)為Kp的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的根底上新添加局部的傳遞函數(shù)應為46PI調(diào)節(jié)器對數(shù)頻率特性相應的對數(shù)頻率特性繪于圖1-41中。-20L/dB+00

2-1KP

/s-11KPi

1

1=47為了方便起見，可令，Kpi=T1使校正裝置的比例微分項〔Kpis+1〕與原始系統(tǒng)中時間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié)對消。其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應以–20dB/dec的斜率穿越0dB線，必須把圖1-42中的原始系統(tǒng)特性①壓低，使校正后特性③的截止頻率ωc2<1/T2。這樣，在ωc2處，應有

48O

系統(tǒng)校正的對數(shù)頻率特性校正后的系統(tǒng)特性校正前的系統(tǒng)特性49取Kpi

=T1=0.049s，為了使

c2<1/T2=38.5s–1，取

c2=30s–1，在特性①上查得相應的L1=31.5dB，因而L2=–31.5dB。50〔3〕調(diào)節(jié)器參數(shù)計算從圖1-42中特性②可以看出

所以51Kp=21

因此

而且于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為52最后，選擇PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。R0=40k，那么取R1=22k531.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)1.6.1問題的提出如前，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp

越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度越高；但Kp

過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。

541.6.2積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律1.積分調(diào)節(jié)器

如圖，由運算放大器可構(gòu)成一個積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程++CUexRbalUinR0+A圖1-43積分調(diào)節(jié)器a)原理圖55方程兩邊取積分，得(1-63)

式中，—積分時間常數(shù)。

當初始值為零時，在階躍輸入作用下，對式（1-63）進行積分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出(1-64)

56

UexUinUexmtUinUex0b)階躍輸入時的輸出特性Φ(ω)ωL/dB0L(ω)-20dB1/

ωΦ0-π/2c)Bode圖圖1-43積分調(diào)節(jié)器2.積分調(diào)節(jié)器的特性573.積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

(1-65)

584.轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律如果采用積分調(diào)節(jié)器，那么控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應有

如果是Un階躍函數(shù)，那么Uc按線性規(guī)律增長，每一時刻Uc的大小和Un與橫軸所包圍的面積成正比，如以下圖a所示。圖1-45積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程59圖1-45積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程如果是Un一般輸入，當Un變化時，只要其極性不變，即只要仍是Un*Un，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有到達Un*=Un，Un=0時，Uc才停止上升；不到Un變負，Uc不會下降。60

在這里，值得特別強調(diào)的是，當

Un

=0時，Uc并不是零，而是一個終值Ucf

；如果

Un

不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點。分析結(jié)果：采用積分調(diào)節(jié)器，當轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時到達與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。61

當負載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓

Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于右圖。突加負載時的動態(tài)過程5.比例與積分控制的比較

有靜差調(diào)速系統(tǒng)62無靜差調(diào)速系統(tǒng)〔續(xù)〕比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出那么包含了輸入偏差量的全部歷史。631.6.3比例積分控制規(guī)律

兩種調(diào)節(jié)器特性比較τ

UexUinUexmtUinUex0b)I調(diào)節(jié)器a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUex0兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線64PI調(diào)節(jié)器輸出特性

UexUinUexmtUinUex0KpUina)PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線?Un0t0t

UcUc121+2b)PI調(diào)節(jié)器輸出動態(tài)過程

圖1-39PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線65

分析結(jié)果由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例局部能迅速響應控制作用，積分局部那么最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。661.系統(tǒng)組成及工作原理圖1-48無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBTVSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG_1.6.4無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算672.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性當電動機電流低于其截止值時，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于以下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以說明是比例積分作用。圖1-49無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（Id

<

Idcr）

Ks

1/CeU*nUc?UnIdREnUd0Un++--68穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性〔續(xù)〕無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。當Id<Idcr時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時的一族水平線。當Id>Idcr時，電流截止負反響起作用，靜特性急劇下垂，根本上是一條垂直線。整個靜特性近似呈矩形。OIdIdcrn1n2nmaxn圖1-50帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

693.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算

無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算很簡單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時

Un=0，因而Un=Un*

，可以按式（1-67）直接計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

（1-67）—電動機調(diào)壓時的最高轉(zhuǎn)速；

—相應的最高給定電壓。

nmaxU*nmax

電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值Idcr計算出。

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kpi和τ可按動態(tài)校正的要求計算。

70++-UinR0RbalR1C1R’1AUex4.準PI調(diào)節(jié)器在實際系統(tǒng)中，為了防止運算放大器長期工作時的零點漂移，常常在R1C1兩端再并接一個電阻R’1，其值為假設干M，以便把放大系數(shù)壓低一些。這樣就成為一個近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準PI調(diào)節(jié)器〞〔見圖1-51〕，系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖1-51準比例積分調(diào)節(jié)器

711.7電壓反響電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)為什么引入電壓負反響？被調(diào)量的負反響是閉環(huán)控制系統(tǒng)的根本反響形式。要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負反響必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置，在模擬控制中就是用測速發(fā)電機。測速反響信號中含有死區(qū)、非線性、各種交流紋波，會給調(diào)試和運行帶來麻煩。電壓反響和電流補償控制正是用來解決這個問題的。72在電動機轉(zhuǎn)速不很低時，電樞電阻壓降比電樞壓降要小得多，因而可以忽略電樞壓降，那么直流電動機的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端電壓成正比，所以電壓負反響根本上能夠代替轉(zhuǎn)速負反響的作用。作為反響檢測元件的只是一個起分壓作用的電位器，當然比測速發(fā)電機要簡單得多。電壓反響信號Uu=γUd，γ稱作電壓反響系數(shù)。73圖1—52電壓負反響直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.7.1電壓負反響直流調(diào)速系統(tǒng)－74電壓負反響調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，它和轉(zhuǎn)速負反響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不同的地方僅在于負反響信號的取出處。電壓負反響取自電樞端電壓Ud，為了在結(jié)構(gòu)圖上把Ud顯示出來，須把電阻R分成兩個局部，即R=Rpe+Ra式中Rpe---電力電子變換器的內(nèi)阻(含平波電抗器電阻)；Ra為電動機電樞電阻。因而75圖1—53比例控制電壓負反響直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖76K=γKpKs77

式中式中K=γKpKs從靜特性方程式上可以看出，電壓負反響把被反響環(huán)包圍的整流裝置的內(nèi)阻等引起的靜態(tài)速降減小到1／(1+K)，由電樞電阻引起的速降RaId／Ce和開環(huán)系統(tǒng)一樣。78晶閘管整流器的輸出電壓中除了直流分量外，還含有交流分量。把交流分量引到運算放大器輸入端，不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用，反而會產(chǎn)生干擾，嚴重時會造成放大器局部飽和，破壞了它的正常工作。因此，電壓反響信號一般都應經(jīng)過濾波，這一點在圖中并沒有表示出來。電壓反響的問題：79反響電壓直接取自接在電動機電樞兩端的電位器上，這種方式雖然簡單，卻把主電路的高電壓和控制電路的低電壓串在一起了，從平安角度上看是不適宜的。對于小容量調(diào)速系統(tǒng)還可以，對于電壓較高、電機容量較大的系統(tǒng)，通常應在反響回路中參加電壓隔離變換器，使主電路和控制電路之間沒有直接電的聯(lián)系。801.7.2電流正反響和補償控制規(guī)律僅采用電壓負反響的調(diào)速系統(tǒng)固然可以省去一臺測速發(fā)電機，但是由于它不能彌補電樞壓降所造成的轉(zhuǎn)速降落，調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負反響系統(tǒng)。在采用電壓負反響的根底上，再增加一些簡單的措施，使系統(tǒng)能夠接近轉(zhuǎn)速反響系統(tǒng)的性能是完全可以的，電流正反響便是這樣的一種措施。81圖1—54附加電流正反響的電壓負反響直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖R1－82在主電路中串入取樣電阻Rs，由IdRs取電流正反響信號。要注意串接Rs的位置須使IdRs的極性與轉(zhuǎn)速給定信號Un*的極性一致，而與電壓反響信號Uu=γUd的極性相反。在運算放大器的輸入端，轉(zhuǎn)速給定和電壓負反響的輸入回路電阻都是R0，電流正反響輸入回路的電阻是R2，以便獲得適當?shù)碾娏鞣错懴禂?shù)β，其定義為83圖1－55帶電壓負反響和電流正反響的直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖84利用結(jié)構(gòu)圖運算規(guī)那么，可以直接寫出系統(tǒng)的靜特性方程式。

式中。由靜特性方程式知，表示電流正反響作用的一項能夠補償另兩項靜態(tài)速降，當然就可以減少靜差了。85

補償控制的參數(shù)配合得恰到好處時，可使靜差為零，叫做全補償。利用靜特性方程式可以求出全補償?shù)臈l件。令代入式合并整理后得86因此全補償?shù)臈l件是或其中叫做全補償?shù)呐R界電流反響系數(shù)。如果β<那么仍舊有一些靜差，叫做欠補償；如果β>那么靜特性上翹，叫做過補償。8788如果取消電壓負反響，單純采用電流正反響的補償控制，那么靜特性方程式變成：這時，全補償?shù)臈l件是：可見，無論有沒有其它負反響，只用電流正反響就足以把靜差補償?shù)搅恪?9有一種特殊的欠補償狀態(tài)。當參數(shù)配適宜當，使電流正反響作用恰好抵消掉電樞電阻產(chǎn)生的一局部速降，即：

帶電流補償控制的電壓負反響系統(tǒng)靜特性方程和轉(zhuǎn)速負反響系統(tǒng)的靜特性方程正式就完全一樣了。90反響控制只能使靜差盡量減小，補償控制卻能把靜差完全消除，這是補償控制的優(yōu)點。但是，反響控制無論環(huán)境怎么變化都能可靠地減小靜差，而補償控制那么完全依賴于參數(shù)的配合。反響控制對一切包在負反響環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動都起抑制作用，而補償控制只是針對一種擾動而言的。電流正反響只能補償負載擾動，對于電網(wǎng)電壓波動的擾動，它所起的反而是壞作用。因此全面地看，補償控制是不及反響控制的。91在實際調(diào)速系統(tǒng)中，很少單獨使用電流正反響補償控制，只是在電壓(或轉(zhuǎn)速)負反響系統(tǒng)的根底上，加上電流正反響的補償作用，作為進一步減少靜態(tài)速降的補充措施。此外，決不會用到全補償這種臨界狀態(tài)，因為如果參數(shù)變化，偏到過補償?shù)那闆r，不僅靜特性上翹，還會出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)定。921.7.3電流補償控制調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和穩(wěn)定條件從靜態(tài)上看，電流正反響代表了對負載擾動的補償控制。從動態(tài)上看，電流(代表轉(zhuǎn)矩)包含了動態(tài)電流和負載電流兩局部，電流正反響就不純粹是負載擾動的補償作用。忽略了電力電子變換器的滯后時間常數(shù)Ts，并認為TL=0，得動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖93圖1—57只有電流正反響的直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a〕b〕94圖1—57只有電流正反響的直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其等效變換U*nUin++C）nU*nd）95

最后得到圖l-57d方框內(nèi)即為整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。顯然或是該系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定條件。比較式和，不難看出，只有電流正反響的調(diào)速系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定條件正是其靜特性的全補償條件。如果過補償，系統(tǒng)便不穩(wěn)定了。96本章小結(jié)學習和掌握直流調(diào)速方法；學習和掌握直流調(diào)速電源；學習和掌握直流調(diào)速系統(tǒng)：系統(tǒng)組成；系統(tǒng)分析〔靜態(tài)性能、動態(tài)性能〕；系統(tǒng)設計〔調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設計〕。電壓反響電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)。97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98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992.1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章中說明，采用轉(zhuǎn)速負反響和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。1001.主要原因因為在單閉環(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，電流截止負反響環(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，靠強烈的負反響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。101b)理想的快速起動過程IdLntId0Idma)帶電流截止負反響的單閉環(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IdLntId0IdmIdcr1023.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。我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反響，沒有轉(zhuǎn)速負反響；穩(wěn)態(tài)時，以轉(zhuǎn)速負反響為主，電流跟隨負載變化。1032.1.1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)速和電流兩種負反響分別起作用，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，即分別引入轉(zhuǎn)速負反響和電流負反響。二者之間實行嵌套〔或稱串級〕聯(lián)接如以下圖所示。1041.系統(tǒng)的組成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPEL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)nI1052.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*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd0++-R0R0RnCnASRACRLMGTRP1UnU*iLMUPE-+106

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。1073.限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD21084.電流檢測電路電流檢測電路TA——電流互感器TA1092.1.2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，如以下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，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(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。110系統(tǒng)的組成TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPEL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)nI111++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd0++-R0R0RnCnASRACRLMGTRP1UnU*iLMUPE-+雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖1121.系統(tǒng)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+U*i-R

ACR-UiUPE1132.限幅作用存在兩種狀況：飽和——輸出到達限幅值當調(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——輸出未到達限幅值輸入無靜差。1143.系統(tǒng)靜特性實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會到達飽和狀態(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)的靜特性如下圖，圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdnom0nABC115〔1〕轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和式中，——轉(zhuǎn)速和電流反響系數(shù)。由第一個關(guān)系式可得從而得到上圖靜特性的CA段。

(2-1)

116

靜特性的水平特性由于ASR不飽和，U*i

<

U*im，從上述第二個關(guān)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。117〔2〕轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出到達限幅值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)

118

靜特性的垂直特性式〔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的情況，因為如果n>n0，那么Un>U*n，ASR將退出飽和狀態(tài)。1194.兩個調(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，這時，轉(zhuǎn)速負反響起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流到達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。1202.1.3各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)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，各變量之間有以下關(guān)系(2-3)(2-5)

(2-4)

121上述關(guān)系說明，在穩(wěn)態(tài)工作點上：轉(zhuǎn)速n是由給定電壓U*n決定的；ASR的輸出量U*i是由負載電流IdL決定的；控制電壓Uc的大小那么同時取決于n和Id，或者說，同時取決于U*n和IdL。122反響系數(shù)計算鑒于這一特點，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，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反響值計算有關(guān)的反響系數(shù)：轉(zhuǎn)速反響系數(shù)電流反響系數(shù)(2-6)(2-7)

1232.2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)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用1242.2.1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)學模型的根底上，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，如以下圖所示。1251.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)圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E1262.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)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，那么有

1272.2.2起動過程分析

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，有必要首先探討它的起動過程。

1.起動過程

由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。128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

00ttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

129圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd0++-R0R0RnCnASRACRLMGTRP1UnU*iLMUPE130第I階段電流上升的階段〔0~t1〕突加給定電壓U*n后，Id上升，當Id

小于負載電流IdL時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當Id≥IdL

后，電機開始起動，由于電機慣性作用，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*im，強迫電流Id迅速上升。131IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I階段〔續(xù)〕132第I階段〔續(xù)〕直到，Id=Idm，Ui

=U*im

電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id

的增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。133第II階段恒流升速階段〔t1~t2〕在這個階段中，ASR始終是飽和的，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)，根本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。134n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第II階段〔續(xù)〕135第II階段〔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也必須根本上按線性增長，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。136第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(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。137IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第Ⅲ階段〔續(xù)〕138第Ⅲ階段〔續(xù)〕直到Id=IdL時，轉(zhuǎn)矩Te=TL，那么dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值〔t=t3時〕。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt139第Ⅲ階段〔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

t3t2

t1

tt140第Ⅲ階段〔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起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR那么力圖使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)。1412.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。142〔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)：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)。143〔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。

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)。144〔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。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。145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

1462.2.3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。147

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

U*iUi--EId1.抗負載擾動±?IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗負載擾作用148抗負載擾動〔續(xù)〕由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，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，應要求有較好的抗擾性能指標。149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/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E150抗電網(wǎng)電壓擾動〔續(xù)〕-IdL±?Udb)雙閉環(huán)系統(tǒng)△Ud—電網(wǎng)電壓波動在整流電壓上的反映

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

U*iUi--E1513.比照分析在單閉環(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，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反響得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反響回來，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。1522.2.4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〔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，如果采用PI調(diào)節(jié)器，那么可實現(xiàn)無靜差?！?〕對負載變化起抗擾作用?！?〕其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。1532.電流調(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負載電流變化。〔2〕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)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。1542.3調(diào)節(jié)器的工程設計方法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根底和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學者那么不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法。155問題的提出〔續(xù)〕可能性：〔1〕現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)，除電動機外，都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其它電力電子器件以及集成電路調(diào)節(jié)器等組成的，經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以用低階系統(tǒng)近似?！?〕而以運算放大器為核心的有源校正網(wǎng)絡(調(diào)節(jié)器)，和由R、C等元件構(gòu)成的無源校正網(wǎng)絡相比，又可以實現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。156可能性〔續(xù)〕：〔3〕先對典型系統(tǒng)作比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預期的特性，弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表。〔4〕在設計實際系統(tǒng)時，只要能把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設計過程就要簡便得多。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。157工程設計方法的原那么：〔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〕能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；〔5〕適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反響控制系統(tǒng)。對動態(tài)性能要求更精確時，可參考“模型系統(tǒng)法〞。對于更復雜的系統(tǒng)，那么應采用高階或多變量系統(tǒng)的計算機輔助分析和設計。1582.3.1工程設計方法的根本思路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。159上述設計步驟就把穩(wěn)、準、快、抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾——動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算就行了。這樣使得設計方法標準化，大大減少了設計工作量。1602.3.2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

(2-8)R(s)C(s)161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)r=0，1，2，…等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)。自動控制理論已經(jīng)證明，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。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多項選擇用I型和II型系統(tǒng)。1621.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?！?-9〕163開環(huán)對數(shù)頻率特性0164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–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，即選擇參數(shù)滿足或于是，相角穩(wěn)定裕度

1652.典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)〔2-10〕166開環(huán)對數(shù)頻率特性O167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。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)定裕度越大。1682.3.3控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標

自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括：跟隨性能指標抗擾性能指標

1691.跟隨性指標：在給定信號(或稱參考輸入信號)R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當給定信號變化方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應又稱作階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量C(t)與其穩(wěn)態(tài)值C∞的偏差越小越好，到達C∞的時間越快越好。170跟隨性能指標〔續(xù)〕：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。常用的階躍響應跟隨性能指標有tr—上升時間—超調(diào)量ts—調(diào)節(jié)時間171系統(tǒng)典型的階躍響應曲線±5%（或±2%）

00trts圖2-12典型階躍響應曲線和跟隨性能指標172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

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n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

173（2）超調(diào)量σ

在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量：超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)?！?〕上升時間tr在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值C∞所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性。174〔3〕調(diào)節(jié)時間ts調(diào)節(jié)時間即過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的快慢。原那么上它應該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間，對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到t=∞才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取±5％(或±2％)的范圍作為允許誤差帶，以響應曲線到達并不再超出該誤差帶所需的最短時間，定義為調(diào)節(jié)時間。1752.抗擾性指標控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行中，如果受到擾動，經(jīng)歷一段動態(tài)過程后，總能到達新的穩(wěn)態(tài)。除了穩(wěn)態(tài)誤差以外，在動態(tài)過程中輸出量變化有多少?在多么長的時間內(nèi)能恢復穩(wěn)定運行？這些問題標志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力。一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中突加一個使輸出量降低的負擾動N以后的過渡過程作為典型的抗擾過程。176抗擾性能指標〔續(xù)〕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)指標那么以跟隨性能為主。177

突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標圖2-13突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標±5%（或±2%）

0tmtvCb178〔1〕動態(tài)降落ΔCmax％系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標準的負擾動量，在過渡過程中所引起的輸出量最大降落值ΔCmax一叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C∞1的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，到達新的穩(wěn)態(tài)值C∞2，(C∞1-C∞2)是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落(即靜差)。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降Δnmax％。179〔2〕恢復時間tv從階躍擾動作用開始，到輸出量根本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值C∞2之差進入某基準量Cb的±5％(或±2％)范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復時間tv，其中Cb稱為抗擾指標中輸出量的基準值，視具體情況選定。1802.3.4典型I型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式〔2-9〕所示，它包含兩個參數(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