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1、目 录第一节 双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法21.1电流环、转速环双闭环直流调速系统的介绍与组成21.2转速和电流两个调节器的作用31.3按工程设计方法设计双闭环系统的调解器3第二节 电流调节器的设计42.1电流环结构图的简化42.2电流调节器结构的选择52.3电流调节器的参数计算72.4 校验近似条件72.5电流调节器的实现8第三节 转速调节器的设计83.1电流环的等效闭环传递函数83.2确定时间常数93.3转速调节其结构的选择93.4转速调节器的参数计算103.4检验近似条件113.5转速调节器的实现113.6 校核转速超调量12第四节 转速调节器退饱和和校正计算124.1转速调
2、节器退饱和设计124.2结果分析13第五节 总结14参考文献15第一节 双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法1.1电流环、转速环双闭环直流调速系统的介绍与组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，以实现转速和电流两种负反馈分别起作用。两个调节器之间实行嵌套（或称串级）联接如图1所示。图1中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获
3、得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于图2。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。1.2转速和电流两个调节器的作用 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： （1）转速调节器的作用a.转速调节器是调速系统的主导调
4、节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 b.对负载变化起抗扰作用。 c.其输出限幅值决定电机允许的最大电流。（2）电流调节器的作用a.作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。b.对电网电压的波动起及时抗扰的作用。c.在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。d.当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。1.3按工程设计方法设计双闭环系统的调解器
5、在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决，这里采用最常用的工程设计方法。（1）建立调解器工程设计方法所遵循的原则 ：a.概念清楚、易懂；b.计算公式简明、好记；c.不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；d.能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；e.适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。（2）工程设计方法的基本思路： a.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。b.设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。（3）系统设计原则 系统设计的一般原则：“先内环后外环”。 从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流
6、调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图3。除电流环和转速环外，增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中 Toi 电流反馈滤波时间常数 Ton 转速反馈滤波时间常数 第二节 电流调节器的设计2.1电流环结构图的简化（1）忽略反电动势的动态影响 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如图4所示。 （2）等效成单位负反馈系统 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图5所示
7、。 （3）小惯性环节近似处理整流装置滞后时间常数Ts。按表1选择，三相零式晶闸管整流装置的平均失控时间Ts=0.0033s电流滤波时间常数Toi。Toi=0.0025s 电流环小时间常数之和 。由于Ts 和 Toi 一般都比 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 = Ts + Toi =0.0033s+0.0025s=0.0058s 简化的近似条件为 电流环结构图最终简化成图6表1 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）2.2电流调节器结构的选择（1）典型系统的选择： 从稳态要求上看，希望电流无静差，并且电流超调量si 5%，以得到理想的堵转特性，由图6可以看出，
8、采用 I 型系统就够了。 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。 （2）电流调节器选择 图5表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： 参照表2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图7-a、7
9、-b所示的典型形式，其中 （3）校正后电流环的结构和特性 a) 动态结构图: 图7-ab) 开环对数幅频特性: 图7-b表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系55.5%33.2%18.5%12.9%2.83.43.84.014.721.728.730.42.3电流调节器的参数计算 电流调节器的参数有：Ki 和 ti， 其中 ti 已选定，剩下的只有比例系数 Ki， 可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量si 5%，由表3，可选 x =0.707，Ki =0.5，则可得到 表3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.39 0.50.69
10、1.0阻尼比z超调量s 上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 g 截止频率wc1.00 %76.30.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.90.367/T0.7074.3 %4.7T6.2T65.50.455/T0.69.5 %3.3T4.7T59.2 0.596/T0.516.3 %2.4T3.2T51.8 0.786/T2.4 校验近似条件 电流环截止频率（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件（2）忽略返电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件（3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件2.5电流调节器的实现（1）模拟式电流调节器电路如图8所示 为电
11、流给定电压； 为电流负反馈电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 图8（2）电流调节器电路参数的计算公式 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为si=4.3% 5%（见表3），满足设计要求。第三节 转速调节器的设计3.1电流环的等效闭环传递函数（1）电流环闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。 传递函数化简：忽略高次项，上式可降阶近似为 近似条件为 式中 转速环开环频率特性的截止频率。 （2）电流环等效传递函数 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为(s)，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来
12、是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 物理意义：这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。 3.2确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/，取 =0.5，则（2）转速滤波时间常数（3）转速环小时间常数3.3转速调节其结构的选择（1）转速环的动态结构 用电流环的等效环节代替图3中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图9所示。（2）系统等效和小惯性的近似处理 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / K
13、I 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转速环结构简化为 （3）转速调节器选择 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 10），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为式中 Kn 转速调节器的比例系数； t n 转速调节器的超前时间常数。 （4）调速系统的开环传递函数这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为又则校正后的系统结构 图11校正后成为典型型系统3.4转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括 Kn 和 tn。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=3，按照典型型系统的参数关系 又 因此3.4检验近似条件转速换截止频率为（1）电流环传递函数简化条件为
