《电力拖动自动控制系统-运动控制系统(第4版)-第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动自动控制系统-运动控制系统(第4版)-第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统（163页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第1篇篇直流调速系统直流调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统-运动控制系统运动控制系统2024/8/141第第3章章转速、电流反馈控制的直流转速、电流反馈控制的直流调速系统调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统-运动控制系统运动控制系统2024/8/142内容提要内容提要转速、电流反馈控制直流调速系统的组成转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法的工程设计方法 2024/8/14
2、33.1 转速、电流反馈控制直流调转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性速系统的组成及其静特性对于经常正、反转运行的调速系统，缩短对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而来，使电磁转矩与负
3、载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。迅速转入稳态运行。2024/8/1442024/8/145图3-1 时间最优的理想过渡过程3.1.1 转速、电流反馈控制直流转速、电流反馈控制直流调速系统的组成调速系统的组成应该在起动过程中只有电流负反馈，没有应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。作用。在系统中设置两个调节器，分别引入转速在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。2024/8/14
4、63.1.1 转速、电流反馈控制直流转速、电流反馈控制直流调速系统的组成调速系统的组成把转速调节器的输出当作电流调节器的输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入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。闭环系统）。2024/8/1473.1.2 稳态结构图与参数计算稳态结构图与参数计算2024/8/148转速、电流反馈
5、控制直流调速系统原理图1. 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器流给定的最大值，电流调节器ACR的输出的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；入信号使调节器退出饱和； 2024/8/1491. 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性当调节器不饱和时，当调节器不饱和时，PI调节器工作在
6、线性调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。态时为零。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态状态 。2024/8/14102024/8/1411双闭环直流调速系统的稳态结构图转速调节器不饱和转速调节器不饱和两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。入偏差电压都是零。2024/8/1412转速调节器饱和转速调节器饱和ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环输出达到限幅值时，转速外环呈开
7、环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。状态，转速的变化对转速环不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时闭环调节系统。稳态时2024/8/1413AB段是两个调节段是两个调节器都不饱和时的器都不饱和时的静特性，静特性，IdIdm, n=n0。BC段是段是ASR调节调节器饱和时的静特器饱和时的静特性，性，Id=Idm, nn0。2024/8/1414双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到当负载电流达到Id
8、m时，转速调节器为饱和时，转速调节器为饱和输出输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。统表现为电流无静差。2024/8/1415采用两个采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环调节器形成了内、外两个闭环的效果。的效果。当当ASR处于饱和状态时，处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电，若负载电流减小，流减小，Idn0，nIdm，电动机仍处于加速过程，使电动机仍处于加速过程，使n超过了超过了n* ，称，称之为起动过程的转速超调。之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了转速的超调造成了Un0，ASR退出饱和状退出饱和状态，态，Ui和和Id很快下降。转
9、速仍在上升，直到很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，时，Id= Idl ，转速才到达峰值。，转速才到达峰值。2024/8/1428在在t3t4时间内，时间内， Id Idl，转速由加速变为减，转速由加速变为减速，直到稳定。速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。段振荡的过程。 在第在第阶段中，阶段中， ASR和和ACR都不饱和，电都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。流内环是一个电流随动子系统。2024/8/1429双闭环直流调速系统的起动过程有以下三双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：个特点： 饱和非线性控制饱和非线性
10、控制 转速超调转速超调 准时间最优控制准时间最优控制 2024/8/14302动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。一个电流反馈环和电流调节器。调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能，扰动和抗电网电压扰动性能，闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。关。2024/8/1431抗负载扰动抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器器ASR来产生抗负载扰动的作用。来
11、产生抗负载扰动的作用。在设计在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。时，要求有较好的抗扰性能指标。 2024/8/1432直流调速系统的动态抗扰作用抗电网电压扰动抗电网电压扰动电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。节，使抗扰性能得到改善。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。变化会比单闭环系统小得多。 2024/8/1433直流调速系统的动态抗扰作用1. 转速调节器的作用转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它转速调节器是调速系统的主导调节器，它使
12、转速很快地跟随给定电压变化使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采如果采用用PI调节器，则可实现无静差。调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2024/8/14342. 电流调节器的作用电流调节器的作用在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的在转速动态过程中，保证获得电机允许
13、的最大电流。最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流当电动机过载甚至堵转时，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。故障消失，系统立即自动恢复正常。2024/8/14353.3 转速、电流反馈控制转速、电流反馈控制直流调速系统的设计直流调速系统的设计3.3.1 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。的静、动态性能。控制系统的动态性能指标包括对给定输入控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的
14、信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。抗扰性能指标。2024/8/14361、跟随性能指标、跟随性能指标以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，化下的过渡过程作为典型的跟随过程，此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。应。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。超调量和调节时间。 2024/8/14372024/8/1438上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标2抗扰性能指标抗扰性能指标当调速系统
15、在稳定运行中，突加一个使输当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。渡过程就是一个抗扰过程。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。间。 2024/8/14392024/8/1440动态降落 恢复时间 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标3.3.2 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法工程设计方法：工程设计方法：在设计时，把实际系统校正或简化成典型在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用
16、现成的公式和图表来进行系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。参数计算，设计过程简便得多。在典型系统设计的基础上，利用在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算机辅助分析进行计算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。和设计，可设计出实用有效的控制系统。2024/8/14413.3.2 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法调节器工程设计方法所遵循的原则是：调节器工程设计方法所遵循的原则是：概念清楚、易懂；概念清楚、易懂；计算公式简明、好记；计算公式简明、好记；不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调
17、整的方向；的方向；能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；的计算公式；适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。统。2024/8/14423.3.2 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法调节器工程设计过程：调节器工程设计过程：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度定，同时满足所需的稳态精度第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求能指标的要求2024/8/1443控制系统的开环传递
18、函数都可以表示成控制系统的开环传递函数都可以表示成分母中的分母中的sr项表示该系统在项表示该系统在s= 0处有处有r重极点，重极点，或者说，系统含有或者说，系统含有r个积分环节，称作个积分环节，称作r型系型系统。统。2024/8/1444为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用使用0型系统（型系统（ r =0），至少是），至少是型系统（型系统（ r =1）；当给定是斜坡输入时，则要求是）；当给定是斜坡输入时，则要求是型型系统（系统（ r =2）才能实现稳态无差。）才能实现稳态无差。选择调节器的结构，使系统能满足所需的选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精
19、度。由于稳态精度。由于型（型（ r =3）和）和型以上型以上的系统很难稳定，而的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。型系统的稳态精度低。因此常把因此常把型和型和型系统作为系统设计的目型系统作为系统设计的目标。标。2024/8/1445用频率法设计自动控制系统基本思路用频率法设计自动控制系统基本思路根据生产机械和工艺要求，确定系统动、根据生产机械和工艺要求，确定系统动、静态性能指标；静态性能指标；根据性能指标求得相应的预期开环对数频根据性能指标求得相应的预期开环对数频率特性；率特性；根据预期开环对数频率特性和控制对象固根据预期开环对数频率特性和控制对象固有特性，确定调节器的结构和参数。有特性，
20、确定调节器的结构和参数。2024/8/1446开环对数频率特性开环对数频率特性2024/8/14470L/dBc/s -1-20dB/dec低频段中频段高频段12中频段以中频段以-20dB/dec的斜率穿越的斜率穿越0dB，且应有一定，且应有一定频带宽度，以保证系统稳定性；频带宽度，以保证系统稳定性；截止频率（或称剪切频率）截止频率（或称剪切频率） 应尽可能大一些，应尽可能大一些，以提高系统快速性；以提高系统快速性；低频段的斜率陡、增益要高，以保证系统稳态准低频段的斜率陡、增益要高，以保证系统稳态准确高；确高；高频段衰减要快一些，以提高系统抗干扰能力；高频段衰减要快一些，以提高系统抗干扰能力；
21、系统要有足够的稳定余量，用相角裕度，以保证系统要有足够的稳定余量，用相角裕度，以保证系统动态过程振荡弱、超调小。系统动态过程振荡弱、超调小。2024/8/14481典型典型型系统型系统作为典型的作为典型的I型系统，其开环传递函数选择型系统，其开环传递函数选择为为 式中，式中， T系统的惯性时间常数；系统的惯性时间常数； K系统的开环增益。系统的开环增益。2024/8/14491典型典型型系统型系统对数幅频特性的中频段以对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足穿越零分贝线，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。够的中频带宽度，系
22、统就一定是稳定的。只包含开环增益只包含开环增益K和时间常数和时间常数T两个参数，两个参数，时间常数时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯往往是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益一可变的只有开环增益K 。设计时，需要按。设计时，需要按照性能指标选择参数照性能指标选择参数K的大小。的大小。2024/8/14502024/8/1451典型型系统(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性典型典型型系统的对数幅频特性的幅值为型系统的对数幅频特性的幅值为得到得到相角裕度为相角裕度为K值越大，截止频率值越大，截止频率 c 也越大，系统响应越也越大，系统响应越快，相角稳定裕度快，相角稳定裕度 越小越小
23、，快速性与稳定快速性与稳定性之间存在矛盾。性之间存在矛盾。在选择参数在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间时，须在快速性与稳定性之间取折衷。取折衷。 2024/8/1452（1）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标典型典型型系统的闭环传递函数为型系统的闭环传递函数为 自然振荡角频率；自然振荡角频率； 阻尼比。阻尼比。 1，过阻尼的单调特性；，过阻尼的单调特性； = 1，临界阻尼。，临界阻尼。 过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即 0 1。2024/8/1453超调量超调量上升时间上升时间 峰值时间峰值时间 2024/8/1454当调节时间
24、在当调节时间在 、误差带为、误差带为 的条的条件下可近似计算得件下可近似计算得截止频率（按准确关系计算）截止频率（按准确关系计算）相角稳定裕度相角稳定裕度 2024/8/14552024/8/1456参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超调量 上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0
25、.786/T典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系（2）动态抗扰性能指标）动态抗扰性能指标影响到参数影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系，扰性能指标之间的关系，典型典型型系统已经规定了系统的结构，分析型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。定的扰动作用点。2024/8/1457电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节，节， 采用采用PI调节器调节
26、器 2024/8/1458电流环的在电压扰动作用下的动态结构图在只讨论抗扰性能时，令输入变量在只讨论抗扰性能时，令输入变量R=0，将输出量写成将输出量写成C2024/8/1459在阶跃扰动下，在阶跃扰动下， ，得到，得到在选定在选定KT=0.5时，时，2024/8/1460阶跃扰动后输出变化量的动态过程函数为阶跃扰动后输出变化量的动态过程函数为式中式中 为控制对象中小时间常数为控制对象中小时间常数与大时间常数的比值。取不同与大时间常数的比值。取不同m值，可计算值，可计算出相应的动态过程曲线。出相应的动态过程曲线。 2024/8/1461在计算抗扰性能指标时，为了方便起见，在计算抗扰性能指标时，
27、为了方便起见，输出量的最大动态降落输出量的最大动态降落Cmax用基准值用基准值Cb的的百分数表示，百分数表示，所对应的时间所对应的时间tm用时间常数用时间常数T的倍数表示，的倍数表示，允许误差带为允许误差带为5%Cb时的恢复时间时的恢复时间tv也用也用T的倍数表示。的倍数表示。取开环系统输出值作为基准值，即取开环系统输出值作为基准值，即 Cb=Fk22024/8/14622024/8/146327.8%12.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系2.典型典型型系统型系统典型典型型系统的开环传递
28、函数表示为型系统的开环传递函数表示为典型典型II型系统的时间常数型系统的时间常数T也是控制对象固也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：有的，而待定的参数有两个： K 和和 。 定义中频宽：定义中频宽：中频宽表示了斜率为中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。是一个与性能指标紧密相关的参数。2024/8/14642024/8/1465典型型系统(a)闭环系统结构图 (b)开环对数频率特性 改变改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，相当于使开环对数幅频特性上下平移，此特性与闭环系统的快速性有关。此特性与闭环系统的快速性有关。系统相角稳定裕度
29、为系统相角稳定裕度为比比T大得越多，系统的稳定裕度就越大。大得越多，系统的稳定裕度就越大。2024/8/1466采用采用“振荡指标法振荡指标法”中的闭环幅频特性峰中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。一种最佳配合。2024/8/14672024/8/1468不同h值时Mrmin值及最佳频比h345678910Mrmin21.67 1.51.41.33 1.29 1.25 1.222/ c1.5 1.61.67 1.711.75 1.78 1.80 1.82c/ 12.0 2.53.03.54.04.55.05.5Mr 1.21.
30、5在确定了在确定了h之后，可求得之后，可求得2024/8/1469（1）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标按按Mr最小准则选择调节器参数，典型最小准则选择调节器参数，典型型系型系统的开环传递函数为统的开环传递函数为系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数 2024/8/1470当当R(t)为单位阶跃函数时，为单位阶跃函数时， ，则，则2024/8/14712024/8/1472典型型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mrmin准则确定参数关系) h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9
31、.55 2 33.2% 3.0 10.45 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1以h=5的动态跟随性能比较适中 （2）动态抗扰性能指标）动态抗扰性能指标2024/8/1473转速环在负载扰动作用下的动态结构框图在扰动作用点前后各有一个积分环节，用在扰动作用点前后各有一个积分环节，用作为一个扰动作用点之前的控制对象作为一个扰动作用点之前的控制对象 2024/8/1474典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图2024/8/1475典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图在阶跃扰动下，在阶跃扰动下
32、， ,按按Mrmin准则确定准则确定参数关系参数关系取取2T时间内的累加值作为基准值时间内的累加值作为基准值Cb = 2FK2T 2024/8/14762024/8/1477 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 25.85典型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3-15所示，参数关系符
33、合 准则）由表由表3-5中的数据可见，中的数据可见， 值越小，值越小， 也越小，也越小， 都短，因而抗扰性能越好。都短，因而抗扰性能越好。但是，当但是，当 时，由于振荡次数的增加，时，由于振荡次数的增加， 再小，恢复时间再小，恢复时间 反而拖长了。反而拖长了。 是较好的选择，这与跟随性能中调节是较好的选择，这与跟随性能中调节时间时间 最短的条件是一致的（见表最短的条件是一致的（见表3-4）。）。2024/8/1478典型典型I型系统和典型型系统和典型型系统在稳态误差上型系统在稳态误差上有区别。有区别。典型典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差。
34、但抗扰性能稍差。典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。却比较好。这些是设计时选择典型系统的重要依据。这些是设计时选择典型系统的重要依据。2024/8/14793.控制对象的工程近似处理方法控制对象的工程近似处理方法（1）高频段小惯性环节的近似处理）高频段小惯性环节的近似处理当高频段有多个小时间常数当高频段有多个小时间常数T1、T2、T3 的的小惯性环节时，可以等效地用一个小时间常数小惯性环节时，可以等效地用一个小时间常数T的惯性环节来代替。其等效时间常数为的惯性环节来代替。其等效时间常数为T=T1+T2+T3 +考察一个有考察一个有2个高频段小惯性环
35、节的开环传递函个高频段小惯性环节的开环传递函数数其中其中T1、T2为小时间常数。为小时间常数。2024/8/14803.控制对象的工程近似处理方法控制对象的工程近似处理方法它的频率特性为它的频率特性为近似处理后的近似传递函数近似处理后的近似传递函数 ，其中，其中T=T1+T2，它的频率特性为，它的频率特性为2024/8/14812024/8/1482T=T1+T2高频段小惯性群近似处理对频率特性的影响近似相等的条件是近似相等的条件是 。在工程计算中，一般允许有在工程计算中，一般允许有10%以内的误以内的误差，差， 近似条件可写成近似条件可写成有三个小惯性环节，其近似处理的表达式有三个小惯性环节
36、，其近似处理的表达式近似的条件为近似的条件为2024/8/1483（2）高阶系统的降阶近似处理）高阶系统的降阶近似处理三阶系统三阶系统a，b，c都是正数，且都是正数，且bc a，即系统是稳定，即系统是稳定的。的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统统近似条件近似条件2024/8/1484（3）低频段大惯性环节的近似）低频段大惯性环节的近似处理处理当系统中存在一个时间常数特别大的惯性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环节时，可以近似地将它看成是积分环节大惯性环节的频率特性为大惯性环节的频率特性为近似成积分环节，其幅值应近
37、似为近似成积分环节，其幅值应近似为 近似条件是：近似条件是： 2024/8/14852024/8/1486在低频段，把特性a近似地看成特性b。 低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响某反馈控制系统校正成典型某反馈控制系统校正成典型I型系统，已知型系统，已知时间常数时间常数T0.1s,阶跃响应超调量阶跃响应超调量10%，求系统的开环增益，计算过渡过程时间求系统的开环增益，计算过渡过程时间ts和和上升时间上升时间tr。绘制开环对数幅频特性。如果。绘制开环对数幅频特性。如果要求上升时间小于要求上升时间小于0.25s，则：，则：K=?， =?2024/8/14872024/8/1488参数关系KT0
38、.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超调量 上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系由表由表3-1知，知， 10%，应使，应使KT0.692024/8/148920lgK-20dB/dec1=1210c6.9（1/s)-40dB/dec要
39、使要使 tr0.25s，T0.1s, trTi，选择，选择i= Ti ，用调节器零点消，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，去控制对象中大的时间常数极点，希望电流超调量希望电流超调量 i 5%，选，选 =0.707， KI T i =0.5，则，则2024/8/141162024/8/14117校正成典型I型系统的电流环(a)动态结构图 (b）开环对数幅频特性 模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路U*i 电流给定电压；电流给定电压； Id 电流负反馈电压；电流负反馈电压；Uc 电力电子变换器的控制电压。电力电子变换器的控制电压。2024/8/14118按典型按典型型系统设计的电流环
40、的闭环传递函型系统设计的电流环的闭环传递函数为数为采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，可降阶近似为高次项，可降阶近似为2024/8/14119降价近似条件为降价近似条件为 式中，式中，cn转速环开环频率特性的截止转速环开环频率特性的截止频率。频率。2024/8/14120电流环在转速环中等效为电流环在转速环中等效为电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的制对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，一阶惯性环节，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环加快了电流的跟随作用，这是局部闭环
41、（内环）控制的一个重要功能。（内环）控制的一个重要功能。2024/8/14121例题例题3-1 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下采用三相桥式电路，基本数据如下直流电动机：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：时间常数：Ti=0.03s， Tm=0.18s；电流反馈系数：电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）设计要求设
42、计要求 设计电流调节器，要求电流超调量设计电流调节器，要求电流超调量2024/8/141221）确定时间常数）确定时间常数整流装置滞后时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。电流滤波时间常数电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和，按小时间常数近电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2024/8/141232）选择电流调节器结构）选择电流调节器结构要求要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用型系统设计电流调节器。用PI型电流调节型电流调节器。器。检查对电
43、源电压的抗扰性能：检查对电源电压的抗扰性能：参看表参看表3-2的典型的典型I型系统动态抗扰性能，各型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。项指标都是可以接受的。2024/8/141243）计算电流调节器参数）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流调节器超前时间常数：i=Ti=0.03s。电流环开环增益：取电流环开环增益：取KiTi=0.5， ACR的比例系数为的比例系数为2024/8/141254）校验近似条件）校验近似条件电流环截止频率电流环截止频率ci=KI=135.1s-1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态
44、影响校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件的条件2024/8/14126校验电流环小时间常数近似处理条件校验电流环小时间常数近似处理条件5）计算调节器电阻和电容）计算调节器电阻和电容2024/8/141272转速调节器的设计转速调节器的设计2024/8/14128转速环的动态结构图及其简化(a)用等效环节代替电流环 2转速调节器的设计转速调节器的设计2024/8/14129转速环的动态结构图及其简化(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，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同时将给定信号改成 U*n(s)/ ，把时间常数为把时间
45、常数为 1 / KI 和和 Ton 的两个小惯性环的两个小惯性环节合并节合并2024/8/14130转速环的控制对象是由一个积分环节和一转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，个惯性环节组成，IdL(s)是负载扰动。是负载扰动。系统实现无静差的必要条件是：在负载扰系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。动点之前必须含有一个积分环节。转速开环传递函数应有两个积分环节，按转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型典型型系统设计。型系统设计。ASR采用采用PI调节器调节器2024/8/14131Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。 调速系统
46、的开环传递函数为调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益令转速环开环增益KN为为则则2024/8/141322024/8/14133转速环的动态结构图及其简化(c)校正后成为典型型系统无特殊要求时，一般以选择h=5 为好模拟式转速调节器电路模拟式转速调节器电路U*n 转速给定电压；转速给定电压；n 转速负反馈电压；转速负反馈电压；U*i 电流调节器的给定电压。电流调节器的给定电压。2024/8/14134例题例题3-2 在例题在例题3-1中，除已给数据外，已知：转速中，除已给数据外，已知：转速反馈系数反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN），），要求转速无静差，空载起动到额定转速时要求转
47、速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量的转速超调量n10%。试按工程设计方法设计转速调节器，并校试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。验转速超调量的要求能否得到满足。2024/8/141351）确定时间常数）确定时间常数电流环等效时间常数。电流环等效时间常数。 由例题由例题3-1，已取，已取KITi=0.5，则，则 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取纹波情况，取Ton=0.01s。转速环小时间常数。按小时间常数近似处转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取理，取2024/8/141362）选择转速调节器结构）
48、选择转速调节器结构选用选用PI调节器调节器3）计算转速调节器参数）计算转速调节器参数取取h=5，则，则ASR的超前时间常数为的超前时间常数为转速环开环增益：转速环开环增益：ASR的比例系数为的比例系数为2024/8/141374）检验近似条件）检验近似条件转速环截止频率为转速环截止频率为电流环传递函数简化条件电流环传递函数简化条件转速环小时间常数近似处理条件转速环小时间常数近似处理条件2024/8/141385）计算调节器电阻和电容）计算调节器电阻和电容取取470k取取0.2 F 取取1F2024/8/141396）校核转速超调量）校核转速超调量当当h=5时，由表时，由表3-4查得，查得，n%
49、=37.6%，不，不能满足设计要求。实际上，由于表能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该饱和，不符合线性系统的前提，应该按按ASR退饱和的情况重新计算超调量。退饱和的情况重新计算超调量。2024/8/141403转速调节器退饱和时转速超转速调节器退饱和时转速超调量的计算调量的计算当转速超过给定值之后，转速调节器当转速超过给定值之后，转速调节器ASR由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时的转速环由开环进入闭环控制，迫使电流的转速环由开环进入闭环控制，迫
50、使电流由最大值由最大值Idm降到负载电流降到负载电流Idl 。ASR开始退饱和时，由于电动机电流开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大仍大于负载电流于负载电流Idl ，电动机继续加速，直到，电动机继续加速，直到Id Idl时，转速才降低。时，转速才降低。这不是按线性系统规律的超调，而是经历这不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作了饱和非线性区域之后的超调，称作“退退饱和超调饱和超调”。2024/8/14141假定调速系统原来是在假定调速系统原来是在Idm的条件下运行于的条件下运行于转速转速n*，在点在点O 突然将负载由突然将负载由Idm降到降到Idl ，转速会在，转速
51、会在突减负载的情况下，产生一个速升与恢复突减负载的情况下，产生一个速升与恢复的过程，的过程，突减负载的速升过程与退饱和超调过程是突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。完全相同的。 2024/8/141422024/8/14143ASR饱和时转速环按典型II型系统设计的调速系统起动过程只考虑稳态转速只考虑稳态转速n*以上的超调部分，以上的超调部分，n=n-n*，坐标原点移到，坐标原点移到O点，点，2024/8/14144调速系统的等效动态结构图(a)以转速n为输出量 初始条件则转化为初始条件则转化为2024/8/14145图3-25 调速系统的等效动态结构图(b）以转速超调值为输出量2
52、024/8/14146把把n的负反馈作用反映到主通道第一个环的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图节的输出量上来，得图 (c)，图中，图中Id和和IdL的的+、- 号都作了相应的变化。号都作了相应的变化。图图 (c)和讨论典型和讨论典型II型系统抗扰过程所用的型系统抗扰过程所用的图完全相同。可以利用表图完全相同。可以利用表3-5给出的典型给出的典型II型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量，型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量， 2024/8/14147在典型在典型II型系统抗扰性能指标中，型系统抗扰性能指标中， C C的基的基准值是准值是 n n的基准值是的基准值是2024/8/
53、14148作为转速超调量作为转速超调量n%，其基准值应该是，其基准值应该是n*，退饱和超调量可以由表退饱和超调量可以由表3-5列出的数据经基列出的数据经基准值换算后求得，即准值换算后求得，即 电动机允许的过载倍数，电动机允许的过载倍数， z负载系数，负载系数， 2024/8/14149例题例题3-3 试按退饱和超调量的计算方法计算例题试按退饱和超调量的计算方法计算例题3-2中调速系统空载起动到额定转速时的转速中调速系统空载起动到额定转速时的转速超调量，并校验它是否满足设计要求。超调量，并校验它是否满足设计要求。解解 当当h=5时，由表时，由表2-7查得查得2024/8/14150从例题从例题3
54、-1，3-2，3-3的计算结果来看，有的计算结果来看，有三个问题是值得注意的。三个问题是值得注意的。（1）转速的退饱和超调量与稳态转速有关）转速的退饱和超调量与稳态转速有关按线性系统计算转速超调量时，当按线性系统计算转速超调量时，当h选定后，选定后，不论稳态转速不论稳态转速n*有多大，超调量有多大，超调量n%的百分数的百分数都是一样的。都是一样的。 按照退饱和过程计算超调量，其具体数值与按照退饱和过程计算超调量，其具体数值与n*有关有关 2024/8/14151（2）反电动势对转速环和转速超调量的影）反电动势对转速环和转速超调量的影响响 。反电动势的动态影响对于电流环来说是可以忽反电动势的动态
55、影响对于电流环来说是可以忽略的。略的。对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。好在反电动势的影响只会使转速超调量立了。好在反电动势的影响只会使转速超调量更小，不考虑它并无大碍。更小，不考虑它并无大碍。 2024/8/14152（3）内、外环开环对数幅频特性的比较）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外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。法设计多环控制系统的特点。2024/8/14153双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I电流内环 n转速外环某三相零式可控硅整流装置供电的转速、某三
56、相零式可控硅整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统，基本数据如下：电流双闭环调速系统，基本数据如下：1）直流电动机：）直流电动机：60Kw，220V，305A，1000r/m，Ce=0.2Vm/r；2）主回路电阻：）主回路电阻：R=0.18；3）UPE放大倍数：放大倍数：Ks=30；4）电磁时间常数：）电磁时间常数：Tl=0.012s；机电时间常；机电时间常数：数：Tm=0.12s；2024/8/141545) 反馈滤波时间常数：反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，Ton=0.0141s；6) 额定转速时的给定电压：额定转速时的给定电压：Un*=15V；7) ASR饱和输出电压饱和输出电
57、压Uim*=12V；8) 系统的调速范围：系统的调速范围：D=10。试计算：试计算：1）假定起动电流限制在）假定起动电流限制在300A以内，求反馈以内，求反馈系数系数和和2024/8/141552）系统的静、动态指标为：）系统的静、动态指标为：无静差，无静差，i%5%；起动到额定转速时，；起动到额定转速时，n%10% 。设计设计ACR、ASR，画出电路图，并计算，画出电路图，并计算R、C参数，设调节器输入回路电阻参数，设调节器输入回路电阻R0=40K（BG305运放）；运放）；3）计算最低速起动时的超调量；）计算最低速起动时的超调量；4）计算空载起动到额定转速的时间。）计算空载起动到额定转速的时间。2024/8/14156解：1）2）ACR：，校正成典型I型系统，设三相零式整流电路：ASR：为保证系统无静差，ASR采用PI调节器，设 按照跟随性和干扰性均较好原则，速度环校正成典型II型系统，取h=5。, 取330K取30.47F，n*=1000r/m 采用以上参数，计算ASR退饱和超调量：10% 满足要求。3) 最低转速起动时，速度超调量为：4）空载起动到额定转速时的时间为：
