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1、* * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1 转速、电流双闭环直 流调速系统和调节器 的工程设计方法 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 第 2 章 1 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2 主要内容 1.双闭环调速系统的组成及其静特性 2.数学模型和动态性能分析 3.调节器的工程设计方法 4.双闭环系统调节器的设计 *5.转速超调的抑制 *6.弱磁控制的直流调速系统 2 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3 本节要点： 1. 介绍一般调节器的工程设计方法；
2、2. 介绍典型环节; 3. 典型、系统的参数和性能指标的关系; 4. 小惯性环节近似处理； 5. 高阶系统的降阶处理； 6. 大惯性环节的近似处理。 重点、难点： 典型系统的参数和性能指标的关系； 非典型系统的近似。 3 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统4 2.3 调节器的工程设计方法 2.3.0 问题的提出 必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准 、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求 ，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验。于 是便需要一种简单实用的方法工程设计方法。 可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系
3、统均可由低阶系统 近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表， 那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对 照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方 法的可能性。 4 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统5 l设计方法的原则 ： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参 数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给 出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈 控制系统。 5 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动
4、控制系统6 2.3.1 工程设计方法的基本思路 1. 选择调节器结构,使系统典型化并满 足稳定和稳态精度。 2. 设计调节器的参数，以满足动态性 能指标的要求。 6 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统7 3. 调节器结构的选择 l基本思路:事先将典型系统的各项性能指 标列出图表。将控制对象校正成为典型I 型系统或 II型系统，根据图表选择调节器 参数。 系统校正 控制对象 调节器 输入 输出 典型系统 输入输出 只采用少量 典型系统 7 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统8 2.3.2 典型系统 一般来
5、说，许多控制系统的开环传递函数 都可表示为 (2 -8) R(s)C(s) 分母中的 sr 项表示该系统在原点处 有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据 r=0，1，2， 等不同数值，分别称作0型、I 型、型、系统 自动控制理论已经证明，0型系 统稳态精度低，而型和型以上的 系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的 稳态精度，多选用I型和II型系统 8 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统9 1. 典型I型系统 l结构图与传递函数 式中 T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。 （2-9） O 9 * * 电力拖动自动控制系
6、统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统10 l性能特性 典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性 的中频段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线， 只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系 统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即 选择参数满足 或 于是，相角稳定裕度 10 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统11 2. 典型型系统 l结构图和传递函数 （2-10） O 11 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统12 l 性能特性 典型的型系统也是以 20dB/dec 的斜率 穿越零分
7、贝线。由于分母中s 2 项对应的相频特 性是 180，后面还有一个惯性环节，在分子 添上一个比例微分环节（s +1），是为了把相 频特性抬到 180线以上，以保证系统稳定， 即应选择参数满足 或 且 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。 12 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统13 1. 跟随性能指标： 在给定信号或参考输入信号的作用 下，系统输出量的变化情况可用跟随性 能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性 能指标有: ltr 上升时间 l 超调量 lts 调节时间 2.3.3 控制系统的动态性能指标 13 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动
8、控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统14 5%（或2%） 0 O trts 图2-12 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标 上升时间 超调量 调节时间 14 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统15 2. 抗扰性能指标 抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动 的能力。常用的抗扰性能指标有 lCmax 动态降落 ltv 恢复时间 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性 能为主，而随动系统的动态指标则以跟随 性能为主。 15 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统16 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 图2-13 突加
9、扰动的动态过程和抗扰性能指标 5%（或2%） O tm tv Cb 动态降落 恢复时间 16 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统17 2.3.4 典型I型系统性能指标和参数的关系 典型I型系统包含两个参数：开环增益 K 和 时间常数 T 。 T 是控制对象本身固有的； 能够由调节器改变的只有开环增益 K ，即，K 是唯一的待定参数。 设计时，需要按照性能指标选择参数 K 的大 小。 17 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统18 K 与开环对数频率特性的关系 图2-13绘出了在不同 K 值时典型 I 型系
10、统的 开环对数频率特性。 18 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统19 K 与截止频率 c 的关系 当 c1/T 时，特性以20dB/dec斜率穿 越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图 中的特性可知 所以 K = c （当 c 时） (2-12) 19 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统20 K 值越大，截止频 率c 也越大，系统 响应越快， 但相角稳定裕度 = 90arctgcT 越小， 这也说明快速性与稳定 性之间的矛盾。 20 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传
11、动控制系统21 表2-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差 输入信号 阶跃输入斜坡输入加速度输入 稳态误差 0v0 / K 1. 典型I型系统跟随性能指标与参数的关系 （1）稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标 可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。 21 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统22 由表可见： l在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无静差的； l但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值成 反比； l在加速度输入下稳态误差为 。 因此，I型系统不能用于具有加速度输入的 随动系统。 22 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动
12、自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统23 （2）动态跟随性能指标 l闭环传递函数：典型 I 型系统是一种二阶系 统，其闭环传递函数的一般形式为 （2-13） 式中 n 无阻尼时的自然振荡角频率，或称 固有角频率； 阻尼比，或称衰减系数。 23 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统24 lK、T与标准形式中的参数的换算关系 (2-15) (2-16) (2-17) 且有 24 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统25 l二阶系统的性质 l当 1时，系统动态响应是欠阻尼的振荡 特性； l当 1时，系统动
13、态响应是过阻尼的单调 特性； l当 =1时，系统动态响应是临界阻尼。 25 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统26 由于在典型 I 型系统中 KT 0.5。因此在典型 I 型系统中 应取 (2-18) 由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一 般常把系统设计成欠阻尼状态，即 0 1 26 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统27 l性能指标和系统参数之间的关系 (2-19) (2-20) (2-21) 超调量 上升时间 峰值时间 27 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制
14、系统28 表2-2 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系 （ 与KT的关系服从于式2-16） 具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参 数以满足性能指标。 参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0 阻尼比 超调调量 上升时间时间 tr 峰值时间值时间 tp 相角稳稳定裕度 截止频频率c 1.0 0 % 76.3 0.243/T 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 69.9 0.367/T 0.707 4.3 % 4.7T 6.2T 65.5 0.455/T 0.6 9.5 % 3.3T 4.7T 59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T 3.2T 51.
15、8 0.786/T 28 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统29 2. 典型 I 型系统抗扰性能指标与参数的关系 图2-14a是在扰动 F 作用下的典型 I 型系 统，其中，W1(s)是扰动作用点前面部分的 传递函数，后面部分是W2(s) ，于是 只讨论抗扰性能时，令输入作用 R = 0，得 到图2-14b所示的等效结构图。 (2-25) 29 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统30 图2-14 扰动作用下的典型 I 型系统 典型I型系统 30 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控
16、制系统电力传动控制系统31 图2-15 典型 I 型系统在一种扰动作用下的等效框图 a) 31 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统32 阶跃扰动作用下的输出变化量 阶跃扰动： 输出变化量： 当 时: 32 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统33 55.5%33.2%18.5%12.9% tm / T2.83.43.84.0 tv / T14.721.728.730.4 表2-3 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 (控制结构和扰动作用点如图2-15所示，已选定的参数关系KT=0.5) 当控制对象的两个时间常 数相距较大时，动态降落 减小，但恢复时间却拖得 较长 Cb=FK2/2 33 * * 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电
