《运动控制章节二（借鉴教学）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动控制章节二（借鉴教学）（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、运动控制运动控制自动化教研室自动化教研室屈薇薇屈薇薇1优选知识知知识回回顾开环调速系统机械特性软闭环调速系统（P）堵转电流过大 ？加电流截止负反馈系统有静差转速无静差系统（PI）启动波形不够理想IdLntIdOIdmIdcrIdLntIdOIdm2优选知识问题当接到命令后，在机械强度、炮兵身体的承受能力和电动机过载能力等条件允许的情况下，以最短的时间起动到最高速越大越好要想起动时间最短，必须在整个起动期间内保持3优选知识(IdL为负载电流； 为电机额定励磁下的转矩系数(Nm/A)；电机轴上的动力学方程：电机轴上的动力学方程：额定励磁下的电磁转矩，(Id为电枢电流);：包括电机空载转矩在内的负载
2、转矩(Nm)GD2 ：电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(Nm2) .充分利用充分利用电机机过载能力：能力： 保证在整个起动期间电枢电流Id等于一个适当的允许值不变，就能够实现最短时间起动的问题ntId过渡稳态4优选知识仅考虑了静态性能，没考虑动态性能，不适合对系统快速性要求较高的场合。单闭环系统，转速、电流共用一个调节器，无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。 转速单闭环调速系统的局限性 解决办法： 将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器； 转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。5优选知识转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法和调节器的
3、工程设计方法 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。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。p转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性；p双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析；p调节器的工程设计方法；p按工程设计方法设计双闭环系统的调节器p弱磁控制的直流调速系统。6优选知识转速转速、电流双闭环系统的组成、电流双闭环系统的组成ASR转速速调节器器ACR电流流调节器器电流流环内内环 转速速环外外环+-+-UPE在一个控制系统中，如果有多个被反馈的物理量需要构造闭环，而且这些被反馈的物理量是同一个物理量所产生，那么延
4、迟时间最短的那个物理量的反馈环建在最里面，延迟时间最长的那个物理量的反馈环建在最外面。ASRASR的的输输出出电电压压U Ui i* *是是ACRACR的的电电流流给给定定信信号号，其其限限幅幅值值U Uimim为为最最大大电电流流给给定定值值，ASRASR的的限限幅幅值值完完全全取取决决于于电电动动机机所所允允许许的的过过载载能能力力和和系系统统对对最最大加速度的需要。大加速度的需要。ACRACR的的输输出出电电压压限限幅幅值值U Ucmcm，表表示示对对最最小小角角的的限限制制，也也表表示示对对电电力力电电子变换器输出子变换器输出电压的限制。电压的限制。ASR：在启动期间或输入给定信号幅值
5、过大时产生饱和，在其他期间不应产生饱和。ASR的饱和隔绝了外环对内环的干扰，使系统在起动期间表现为仅有一个电流环的特点，达到在起动期间恒流起动的目的。ACR：在任何时间内都不能产生饱和7优选知识系系统原理原理图双闭环直流调速系统电路原理图 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMVRP1UnU*iLMMTGUPE8优选知识n当调节器ASR不饱和时，ASR、ACR均不饱和，其输入偏差电压均为零。转速不变转速不变， 。双双闭环调速系统的稳态结构框图闭环调速系统的稳态结构框图 对于静特性来说，有两种情况 (稳态时)n当调节器ASR
6、饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，电流电流不变不变。ASR不饱和(CA段 )ASR饱和(AB段)n当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。n双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。9优选知识 稳态时 ：两个调节器均不饱和（输入偏差为零，偏差的积分使调节器 有恒定的电压输出，输出没有达到饱和值） 双双环系统稳态参数计算环系统稳态参数计算 ASR饱和时饱和时 : U*i = U*im， 反馈系数： 10优选知识PIPI调节器调节器的输出量在
7、的输出量在动态过程动态过程中决定于输入量的积分，到中决定于输入量的积分，到达达稳态稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。它后面环节的需要决定的。稳态时：稳态时： P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。 ACR的输出： ASR的输出： 双环系统PI调节器的特点：11优选知识双闭环调速系统中已知数据为：电动机：UN=220v，IN=20A，nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=1。设Unm*=Uim*=Ucm=10V，电枢回路最
8、大电流Idm=40A，Ks=40，ASR与ACR均采用PI调节器。试求：（1）电流反馈系数和转速反馈系数。（2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud，Ui*，Ui和Uc值。例题解：（1）电流反馈系数 =0.25V/A， 转速反馈系数 =0.01V.min/r。（2）当电动机在最高转速发生堵转时，看稳态结构图。转速为0，ASR饱和，Ui*= Uim*=10V。E为0，Ud0-IdR=0，此时Id=Idm=40A，R=1所以 Ud=40VKs=40，Uc=1VUi= Idm=10V。12优选知识双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器的输出限幅值分别应按什么要求整定？解：（1）转速调节器的输出限幅值
9、按最大电流Idm和电流反馈系数整定。例例题（2）电流调节器的输出限幅值应按下式整定，并保证最小控制角的限制。13优选知识双双闭环直流直流调速系速系统的的动态数学模型数学模型WASR(s)：转速调节器的传递函数WACR(s)：电流调节器的传递函数n(s)U*n (s)IdL (s) Uc(s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E直流电机14优选知识直流直流电动机的机的动态结构框构框图E(
10、s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsn(s) 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)IdL 0主电路电压的微分方程电力拖动系统运动的微分方程15优选知识具有具有限幅输出的限幅输出的PIPI调节器的动态响应调节器的动态响应 v分三种情况分析分三种情况分析PI调节器的动态响应。调节器的动态响应。(1)偏差信号偏差信号U是阶跃信号时是阶跃信号时(2)偏差信号偏差信号U最初为突加，然后随着输出最初为突
11、加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时的增长而缓慢降低时(3)偏差信号偏差信号U 最初为突加，然后随着输出最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时的迅速增长而急剧下降时采用一个PI调节器的调速系统动态结构图: 对调速系统而言，Uin为恒值。PI调节器输出Uc，由比例部分Ucp和积分部分Uci组成，即 16优选知识v图图(a)：偏差信号：偏差信号U是阶跃是阶跃信号信号v图图(b)：偏差信号：偏差信号U最初为突加，然后随着输出最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时的增长而缓慢降低时被控对象的惯性时间常数远大于调节器的积分时间常数。系统的输出Uout缓慢上升，U缓慢下降
12、。Uc的比例部分Ucp随着U的下降而下降，Uc的积分部分Uci会因U 衰减慢、积累时间长而不断增大，Uc在U衰减到零以前达限幅值。v图图(c)：偏差信号：偏差信号U 最初为突加，然后随着输出最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降的迅速增长而急剧下降时时当被控对象的时间常数较小时，U因Uout的迅速增长而急剧下降，Ucp衰减很快。Uci仍使Uc增长，但U衰减过快， U下降至零时Uc未达限幅值Ucm。此时调节器不饱和，Uc=Uci IdL,电磁转矩Te大于负载转矩TL，因而转速继续上升。在t3-t4区间内，电机在负载转矩的作用下开始减速，Id IdL ，直到进入稳定运行状态。如果调节
13、器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。 在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 22优选知识双双闭环直流直流调速系速系统起起动过程特点程特点v饱和非和非线性控制性控制（1）当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；（2）当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（3）从控制观点看，电流转速闭环系统是一个典型的变结构的线性系统，应采用分段线性化的方法来处理。v转速超速超调由于ASR采用了饱和非线性
14、控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。v准准时间最最优控制控制 起动过程的主要阶段是恒流升速阶段。即第阶段。其特征是在ASR的饱和非线性控制作用下使电流保持恒定。一般选择该电流恒定值为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。该阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称：时间最优控制。但是，由于起动过程的第、阶段电流不能突变，整个起动过程与理想快速起动过程相比还有一定差距，不过这两段时间很短只占全部起动时间的很小部分，因此双闭环调速系
15、统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中得到了普遍应用。注意注意：对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。 23优选知识动态抗抗扰性能分析性能分析UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E-IdLUd 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E负载
16、扰动负载扰动电网电压波动电网电压波动在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。24优选知识ASR和和ACR两个两个调节器的作用器的作用vASR的作用的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，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，则可实现无静差调速。（2）对负载变化起
17、抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。vACR的作用的作用（1）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。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）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。（4）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。25优选知识例例题v在转速、电流双闭环调速系统中，调节器ASR、ACR均采用PI调节器。当ASR输出达到Uim*=8V时，主电路电流达到最大电流80A。当负载电路由40A增加到70A时，试问：（1）
18、Ui*应如何变化？（2）Uc应如何变化？（3）Uc值由哪些条件决定？26优选知识调节器的工程器的工程设计方法方法KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-O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，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。电动机、晶闸管触发和整流装置：按照负载的工艺要求进行选择和设计转速和电流反馈系统：通过稳态参数计算得到转速和电流调节器的结构和参数：？27优选知识工程工程设计方法方法 直流调速系统动态参数的工程设计，包括对某些简单的典型低阶系统进行深入
19、研究，找出适合于给定性能指标的控制规律；确定系统预期的开环传递函数和开环频率特性的形式；选择调节器结构，计算调节器参数。这样将使系统的工程设计过程简便、明确且具有一定的准确性。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。现代调速控制系统，除了电机之外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成运算放大器或者数字控制系统组成，可以精确地实现PID控制，因此有可能把多种多样的控制系统简化和近似为典型的低阶系统，把典型系统的开
20、环对数幅频特性当做预期的特性。弄清楚这些典型系统参数和动态性能之间的关系，编制成简单的公式和图表，利用这些图表和公式设计调节器，大大简化设计过程。28优选知识典型系典型系统R(s)C(s)sr ：表示该系统在原点处有 r 重极点，即系统含有 r 个积分环节。开环传递函数r=1T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。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 29优选知识典型系典型系统r=2T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。典型的II型系统也是以 20dB/dec
21、 的斜率穿越零分贝线。由于分母中 s2 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 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。30优选知识控制系控制系统的的动态性能指性能指标工程工程设计的一般步的一般步骤如下：如下：（1）根据被控对象和所要求的性能指标确定预期的典型系统（典或典系统）；（2）根据典型系统，首先选择调节器的结构，然后确定调节器的工程最佳参数；（3）计算系统电路参数。自动控制系统的动态性能指标对给定输入信号的跟随性能指标在给定信号R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化
22、情况可用跟随性能指标来描述对扰动输入信号的抗扰性能指标控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量F以后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程31优选知识跟随性能指跟随性能指标5%（或2%） 0 Otrts图2-11 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标 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tr 上升时间 超调量ts 调节时间上升上升时间tr 系统输出量C(t)从零开始第一次上升到稳态值C所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。超超调量量 输出量超过稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫超调量。 超
23、调量反映系统相对稳定性。超调量越小，系统的相对稳定性越好，动态响应越平稳。调整整时间ts 指系统对阶跃响应的输出量C(t)与其稳态值C之差达到且不再超出5%或2%的允许误差范围内所需的最短时间。调整时间表示系统整个动态过程快慢。32优选知识抗抗扰性能指性能指标5%（或2%） O tmtvCb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Cmax 动态降落tv 恢复时间动态降落降落Cmax 系统稳定运行时，由阶跃扰动所引起的输出量最大降落值Cmax叫动态降落，一般用Cmax占输出量原稳态值C的百分数来表示： Cmax / C 100%。调速系统突加额定负载扰动时的动态转速降落称为
24、动态速降 nmax恢复恢复时间tv 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，且与新的稳态值C2之差进入某基准量Cb的5%或2%范围内所需的时间，定义为恢复时间tv。 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。33优选知识典型典型I型系型系统性能指性能指标和参数的关系和参数的关系T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。K = c （当 c 1/T 时） 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 = 90 arctgcT 越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数 K时，须在二者之间取折衷。输入信号阶跃输入R(t)=R0
25、斜坡输入R(t)=vot加速度输入R(t)=a0t2/2稳态误差 0v0 / KI型系统在不同输入信号作用下的稳态误差I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。34优选知识典型典型I型系型系统性能指性能指标和参数的关系和参数的关系动态跟随性能指标二阶系统，其闭环传递函数的一般形式为 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。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。 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 0.25s，则K=？，？， =？37优
26、选知识扰动作用下的典型作用下的典型I型系型系统典型I型系统 -+W1(s) W2(s) 38优选知识55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4已选定的参数关系KT=0.5典型典型I型系型系统动态抗抗扰性能指性能指标与参数的关系与参数的关系当被控对象的两个时间常数相距较大时，动态降落Cmax较小，但恢复时间tv却拖得较长。为控制对象中小时间常数与大时间常数的比值超调量较大，上升时间较短的系统，其抗扰性能越好；而超调量较小，上升时间较长的系统，其扰动响应的恢复时间也长。这就是典系统的跟随性能与抗扰性能之间的内在联系以及它
27、们之间的矛盾所在，这种矛盾在控制对象的时间常数T2较大时尤为突出。二阶“最佳”系统的跟随性能较好，适用于随动系统。若以良好的抗扰性能为主，则应将系统设计成典系统。 39优选知识待定参数： K、T K、T、0 -20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。h、c40优选知识最小最小谐振峰振峰值（Mrmin）准）准则Mrmin准则是以闭环幅频特性的谐振峰值Mr最小为准则，确定典系统的开环增益K和微分时间常数,也称为振荡指标法.典系统闭环传递函数为以、k为变量的闭
28、环幅频特性为选取不同的值，可绘出相应的幅频特性曲线M()，不同K值对应的每条M()曲线有不同的谐振峰值，将各峰值连起来的曲线呈马鞍形，其中具有最小谐振峰值Mrmin的幅频特性曲线对应于Km。若设计典系统时选取K= Km ，则系统具有最小谐振峰值。这就是Mrmin的基本思想。可得最佳频比关系式为41优选知识闭环幅幅频特性峰特性峰值Mr最小准最小准则h345678910Mmin21.671.51.41.331.291.251.222/c1.51.61.671.711.751.781.801.82c/12.02.53.03.54.04.55.05.5不同h值下的Mrmin 及最佳频比加大中频宽h，可
29、减小Mrmin，从而降低超调量，但同时c也将减小，使系统的响应速度变慢。42优选知识稳态跟随性能指跟随性能指标II型系型系统在不同在不同输入信号作用下的入信号作用下的稳态误差差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00 在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。43优选知识动态跟随性能跟随性能以中频宽h为参容量的Mrmin典系统的开环传递函数为其闭环传递函数为 在单位阶跃输入下，系统输出量的象函数为 34567891052.643.637.633.229.827.225.023.312.111.69.510.411.312.213.214.22.4
30、2.62.83.03.13.23.33.4振荡振荡次数次数 32211111由于过渡过程的衰减震荡性质，调整时间ts不是随着h而单调变化，而是在h=5时为最短；h越大，超调量越小。总的来说，典II系统的超调量都比典I型系统大，而快速性要好44优选知识动态跟随性能指跟随性能指标+ 0- 45优选知识典型典型II型系型系统动态抗抗扰性能指性能指标与参数的关系与参数的关系一般来说， h 值越小， Cmax/Cb 也越小， tm 和 tv 都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与 h 值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。 但是，当 h 5 时，由于振荡次数的增加， h 再小，
31、恢复时间 tv 反而拖长了。 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85Cb = 2FK2T46优选知识两种系两种系统比比较比比较分析的分析的结果可以看出，典型果可以看出，典型I型系型系统和典型和典型型型系系统除了在除了在稳态误差上的区差上的区别以外，在以外，在动态性能中，性能中，v典型典型 I 型系型系
32、统在跟随性能上可以做到超在跟随性能上可以做到超调小，但小，但抗抗扰性能稍差，性能稍差，v典型典型型系型系统的超的超调量相量相对较大，抗大，抗扰性能却比性能却比较好。好。 这是是设计时选择典型系典型系统的重要依据。的重要依据。47优选知识调节器器结构的构的选择和和传递函数的近似函数的近似处理理系统校正控制对象 调节器 输入输出典型系统 输入输出1.调节器器结构的构的选择基本思路：基本思路：将控制将控制对象校正成象校正成为典型系典型系统。选择依据：依据：典型典型 I 型系型系统在跟随性能上可以做到超在跟随性能上可以做到超调小，小，但抗但抗扰性能稍差，典型性能稍差，典型型系型系统的超的超调量相量相对
33、较大，大，抗抗扰性能却比性能却比较好。好。 48优选知识高高频段小段小惯性性环节的近似的近似处理理实际系统中往往有若干个小时间常数的惯性环节，例如晶闸管变流装置的滞后时间常数，电流和转速反馈环节滤波时间常数等形成的小惯性环节。只要这些小惯性环节的转角频率都远大于系统的截止频率wc，就可把它们等效成一个小惯性环节，且不会引起过大的设计误差。例如，系统的开环传递函数为 小惯性环节可以合并当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。 近似条件近似条件当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将其近似看成是一个小惯性环节，其时
34、间常数等于小惯性群中各视觉常数之和49优选知识高高阶系系统的降的降阶近似近似处理理频率特性50优选知识低低频段大段大惯性性环节的近似的近似处理理当系统中存在一个时间常数特别大的惯性环节时，可以近似地将它看成是积分环节，即 近似条件 c低频时把特性a近似地看成特性b 51优选知识校正成典校正成典系系统时调节器的器的选择若被控对象由一个大惯性环节和一个小惯性环节构成，则其传递函数为其中T1T，Kd为被控对象的放大系数。为了校正成典系统，应采用PI调节器，用调节器的微分项对消掉被控对象的大惯性环节，使校正后的系统响应更快些。相应的开环传递函数为式中K=KpiKd/ ，其大小应根据系统性能指标的要求确
35、定。 近似地，若要将传递函数是一个惯性环节，或一个积分环节加一个惯性环节，或两个大惯性环节加一个小惯性环节的被控对象校正成典系统，则应分别采用I调节器，P调节器和PID调节器，52优选知识校正成典校正成典系系统时调节器的器的选择 若被控对象由一个积分环节和一个小惯性环节组成，其传递函数为为了校正成典系统，应采用PI调节器，校正后系统的开环传递函数为若被控对象由一个大惯性环节和一个小惯性群组成，则应先将大惯性环节近似为积分环节，并选择PI调节器，将系统校正典系统，且系统的c应同时满足大惯性环节和小惯性群的近似条件；若被控对象由一个大惯性环节加一个小惯性环节和一个积分环节组成，则应选择PID调节器
36、进行串联校正。53优选知识校正成典型系校正成典型系统的几种的几种调节器器选择控制对象调节器参数配合T1、T2 T3T1 T2控制对象调节器参数配合认为： 认为： 54优选知识按工程按工程设计方法方法设计双双闭环系系统的的调节器器U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定
37、信号的滤波环节。其中T0i 电流反馈滤波时间常数T0n 转速反馈滤波时间常数 电流内环系统设计的一般原则： “先内先内环后外后外环” 从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，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。滤波给定滤波滤波给定滤波55优选知识电流流调节器的器的设计电流调节器的实现电流调节器的参数计算电流调节器结构的选择电流环结构框图的化简p忽略反电动势的动态影响在实际系统中，由于电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，电流调节过程比转速的变化过程快得多，因而也比反电势E的变化快得多。因此，反电势对电流环的影响可以看作对恒流调节系统的一种变化缓慢的扰动，在
38、电流调节器的快速调节过程中，可以认为E基本不变ci：电流环开环频率特性的截止频率Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn56优选知识电流流环结构框构框图的化的化简p等效成单位负反馈系统 利用结构图的等效变换法，将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效地置于环内，使电流环变为单位反馈系统。p小惯性环节近似处理电流调节器的调节对象由三个
39、惯性环节串联而成，其中晶闸管变流装置滞后时间常数和电流反馈滤波时间常数都比电磁时间常数小得多，可以当作小惯性环节处理，将二者等效成一个时间常数+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1其近似条件为+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s) (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+ T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn57优选
40、知识电流流调节器器结构的构的选择典型系统的选择：l从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。l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。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s) (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)Ki 电流调节器的比例系数；i 电流调节器的超前时间常数。K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(
41、s)0L/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi58优选知识电流流调节器的器的实现假设条件在一般情况下，希望电流超调量i 5%，由表2-2，可选 =0.707，KI Ti =0.5，则 U*i 为电流给定电压； Id 为电流负反馈电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。59优选知识例例题某晶闸管整流装置供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，其滞后时间常数为0.0017s，基本数据如下： 直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r,允许过载倍数=1.5； 晶闸管整流装置：Ks=50 时间常数：Tl=0.03s, Tm=0.1
42、8S 电枢回路总电阻：R=0.5 电流反馈系数=0.05V/A(10V/1.5IN)，电流滤波时间常数为0.002s设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量i=5%.60优选知识例例题讲解解1.确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s，电流滤波时间常数Toi=0.002s电流环小时间常数之和 （2-55）2.选择电流调节器结构要求电流超调量i=5%，并保证稳态电流误差，按典型I型系统设计电流调节器3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益，查表2-2，得61优选知识例例题讲解解4.检验近似条件电流截止频率：（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件（2）忽略反电动势对
43、电流环动态影响的条件（3）电流环小时间常数处理条件5.计算调节器电阻和电容，取R0=40k按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%，满足设计要求62优选知识转速速调节器的器的设计K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)转速调节器的实现转速调节器的参数计算转速调节器结构的选择电流环的等效闭环传递函数p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。作高阶的降阶处理：近似条件cn 转速环开环频率特 性的截止频率考虑到输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为Ui*(s)Id(s)双惯性环节的电流环控制对象，经闭
44、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。这就表明，电流的流的闭环控制改造了控制控制改造了控制对象，加快了象，加快了电流的跟流的跟随作用，随作用，这是局部是局部闭环（内（内环）控制的一个重要功能）控制的一个重要功能。 63优选知识转速速调节器器结构的构的选择n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) T0ns+11 T0ns+1U*i(s)+-IdL (s)电流环p等效成单位负反馈系统 利用结构图的等效变换法，将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效地置于环内，使转速环变为单位反馈系统。n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) / Tns+
45、1+-IdL (s)近似条件合并小时间常数Ton与1/KI，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，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Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。 令转速环开环增益为n (s)+-U*n(s)64优选知识转速速调节器的器的实现n (s)+-U*n(s)/一般地取h=5l U*n 为转速给定电压，l - n 为转速负反馈电压，l U*i 调节器的输出是电流调节器的给定电压。 近似条件校验设计完成后首先要校验系统的近似条
46、件，对转速环有：电流环等效简化处理转速环小惯性群的近似处理65优选知识例例题已知转速反馈系数=0.007Vmin/r(10V/nN)，转速滤波时间常数为0.01s。要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。试按工程设计方法设计转速调节器，并教研转速超调量的要求能否得到满足66优选知识例例题讲解解1.确定时间常数电流环等效时间常数：转速滤波时间常数：转速环小时间常数：2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器3.计算转速调节器参数，取h=5转速开环增益67优选知识例例题讲解解4.检验近似条件转速截止频率5.计算调节器电阻和电容，取R0=40k当h=5时，查表2-6得转速超
47、调量n=37.6%，不能满足设计要求。这是由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量68优选知识转速速调节器退器退饱和和时转速超速超调量的量的计算算0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t40U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E69优选知识转速速调节器退器退饱和和时转速超速超调量的量的计算算在这一段结束时Id=Idm,n=n*n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) / Tns+1+-IdL (s)0I
48、dnn*IdmIdLtt1t2t3t40IdLId-+n0-n-+-IdL-Id+ 0- 70优选知识因为初始条件相同，分析典系统抗扰的结果可用于分析退饱和超调。进一步地说明：考虑饱和非线性作用，跟随性能与抗扰性能是一致的而不矛盾的！+ 0- 已知开环机械特性的额定稳态速降为退饱和超调量71优选知识设理想空载起动：则满足要求。系统设计初步完成！72优选知识注意注意1）转速退饱和超调量与稳态转速有关。 n*小超调大2）反电势对转速环和转速超调量的影响。 对转速环，通常忽略反电势的条件不成立，但只会使转速超调量更小。3）内、外环开环对数幅频特性的比较： 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设
49、计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。 73优选知识例例题2-14 在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据位PN=60kW，UN=220V，IN=308A，nN=1000r/min，电动势系数Ce=0.196Vmin/r，主回路总电阻R=0.18，触发整流环节的放大倍数Ks=35。电磁时间常数Tl=0.012s，机电时间常数Tm=0.12s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.015s。额定转速时的给定电压（Un*）N=10V，调节器ASR
50、，ACR饱和输出电压Uim*=8V，Ucm=6.5V。系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量i5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%，试求：（1）确定电流反馈系数（假设起动电流限制在339A以内）和转速反馈系数；（2）试设计电流调节器ACR，计算其参数Ri、Ci、Coi。画出其电路图，调节器输入回路电阻R0=40k；（3）设计转速调节器ASR，计算其参数Rn、Cn、Con，（R0=40k ）74优选知识练习v已知：已知：电动机：机：PN=3kW、UN=220V、IN=17.5A、Ra=1.25、 nN=1500r/min 、GD2=3.53Nm2 、Idbl=2.1IN，转速速反反馈滤波波时间常数常数Ton=0.01s， =2.1，z=0 整流整流电路路:三相三相桥式式Ts=0.00167s、Rrec=1.3、Ks=37.84， 电流反流反馈滤波波时间常数常数Toi=0.002s， 平波平波电抗器抗器:RL=0.3、L=200mH Uim*=8V、Unm*=10V、运放、运放R0=20kv要求：要求：i5%、n10%、ts0.5s75优选知识
