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1、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工程设计方法 电力拖动自动控制系统第第 2 2 章章 主要内容主要内容2.2.数学模型和数学模型和动态动态性能分析性能分析一、双闭环调速系统及其静特性一、双闭环调速系统及其静特性 转速单闭环系统不能随意控制电流和转速单闭环系统不能随意控制电流和转转矩的动态过程。矩的动态过程。 采用电流截止负反馈环节只能限制电采用电流截止负反馈环节只能限制电流流的冲击，并不能很好地控制电流的动态的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。波形。 理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdm带电流截止负反馈的单闭环调
2、速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrnn 起动过程起动过程 希望能实现的控制希望能实现的控制n在起动过程的主要阶段，只有在起动过程的主要阶段，只有 电流负反馈，没有转速负反馈。电流负反馈，没有转速负反馈。n达到稳态后，只要转速负反馈，达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。不让电流负反馈发挥主要作用。 +TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外 环ni 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当当ASRASR不饱和时，不饱和时，ASRASR成为主导的调节器，成为主导的调节器，转速负反
3、馈起主要作用。转速负反馈起主要作用。 Ks 1/CeUcIdEnUd0+-IdR R ACR-UiUPE当当ASRASR饱和饱和时时，相当于电流单闭环系统，相当于电流单闭环系统, ,实现实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈只有电流负反馈，没有转速负反馈”双双闭环闭环直流直流调调速系速系统统的的稳态结稳态结构框构框图图 转转速反速反馈馈系数系数 电电流反流反馈馈系数系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE 稳态结构框图稳态结构框图 调节器输出限幅的作用调节器输出限幅的作用 转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压的输出限幅电压U U
4、* *imim决决定定 电流给定电压的最大值；电流给定电压的最大值； 电流调节器电流调节器ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压U Ucmcm限制限制 了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压U Udmdm。 静特性静特性 设计时，使设计时，使ACRACR不会达到饱和状不会达到饱和状态。态。 至于至于ASRASR，在，在CACA段未饱和，在段未饱和，在ABAB段饱和。段饱和。 n0IdIdmIdNOnABC（1 1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和（U*i U*im， Id Idm） （2 2） 转速调节器饱和转速调节器饱和(n n0 )各变量的稳态工作点和稳态参数计算
5、各变量的稳态工作点和稳态参数计算稳态工作中，两个调节器都不饱和 PI PI调节器的特点调节器的特点 比例调节器的输出量总是正比于其输比例调节器的输出量总是正比于其输入量。入量。 PI PI调节器未饱和时，其输出量调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，直到输入为零，的稳态值是输入的积分，直到输入为零，才停止积分。这时，输出量与输入无关，才停止积分。这时，输出量与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。而是由它后面环节的需要决定的。 反馈系数计算转速反馈系数 电流反馈系数 U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*
6、iId1/Ce+E二、数学模型和动态性能分析二、数学模型和动态性能分析起动过程分析起动过程分析 n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 按转速调节器按转速调节器ASRASR不饱和、饱和、退不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：饱和分成三个阶段： I.电流上升阶段电流上升阶段II.恒流升速阶段恒流升速阶段III.转速调节阶段转速调节阶段 双闭环直流调速系统起动过程的特点双闭环直流调速系统起动过程的特点（1）饱和非线性控制饱和非线性控制（2）转速超调转速超调（3）准时间最优控制准时间最优控制( (有限制条件的有限制条件的最短时间控制最短时间控制) ) 动态抗扰性能分析动态抗扰性能
7、分析 调速系统的动态抗扰性能，调速系统的动态抗扰性能， 主要是主要是抗负载扰动抗负载扰动和和抗电网抗电网 电压扰动电压扰动的性能的性能 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗负载扰动IdL2. 2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动-IdLUd 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 1.1. 转速调节器的作用转速调节器的作用 （1 1）转速调节器是调速系统的主导调节器，）转速调节器是调速系统的主导调节
8、器， 它使转速它使转速 n n 很快地跟随给定电压变化，稳态很快地跟随给定电压变化，稳态 时可减小转速误差，如果采用时可减小转速误差，如果采用PIPI调节器，则调节器，则 可实现无静差。可实现无静差。 （2 2）对负载变化起抗扰作用。）对负载变化起抗扰作用。 （3 3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。）输出限幅值决定电机允许的最大电流。 2. 2. 电流调节器的作用电流调节器的作用（1 1）作为内环的调节器，在外环转速的）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调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。外环调节器的输出量变化。（2 2）对电网电压波
9、动起及时抗扰作用。）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3 3）在转速动态过程中，保证获得电机）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。允许的最大电流，从而加快动态过程。（4 4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢）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。电流的最大值，起快速的自动保护作用。三、调节器的工程设计方法三、调节器的工程设计方法（1 1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂；（2 2）计算公式简明、好记；）计算公式简明、好记；（3 3）不仅给出参数计算的公式，而且指明）不仅给出参数计算的公式，而且指明 调整参数的方向；调整参数的方向；（4 4）能
10、考虑饱和非线性控制的情况，同样）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；给出简单的计算公式；（5 5）适用于各种可以简化成典型系统的反）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。馈控制系统。工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 设计工作分两步走：设计工作分两步走：1.1.选择调节器的结构，使系统典型化，以确选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。2.2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。标的要求。调节器结构的选择调节器结构的选择系统校正控制对象 调节器 输入
11、输出典型系统 输入输出选择调节器，选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。将控制对象校正成为典型系统。 典型典型I型系统型系统 T T 系统的惯性时间常数；系统的惯性时间常数； K K 系统的开环增益。系统的开环增益。选择参数，保证选择参数，保证 或或 ，使系统足够稳定。使系统足够稳定。 典型典型型系统型系统 保证系统足够稳定保证系统足够稳定或控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 调速系统的动态指标以抗扰性调速系统的动态指标以抗扰性能能为主为主，而随动系统的动态指标，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。则以跟随性能为主。 系统典型的阶跃响应曲线系统典型的阶跃响应曲线5%（或2%） 0
12、 Otrts阶跃响应阶跃响应跟随性能指标跟随性能指标 t tr r 上升时间上升时间 超调量超调量 t ts s 调节时间调节时间突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标5%（或2%） O tmtvCb 抗扰性能指标 n C Cmaxmax 动态降落动态降落n t tv v 恢复时间恢复时间 n典型I型系统和典型型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，n典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，小，但抗扰性能稍差，n典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好能却比较好。 这是
13、设计时选择典型系统的重要依据。nI型和型和型系统型系统在稳态误差上的区别。在稳态误差上的区别。n典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，小，但抗扰性能稍差，n典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。能却比较好。 典型典型I I型系统和典型型系统和典型型系统的型系统的比较比较典型I型系统跟随性能指标与参数的关系输入信号入信号阶跃输入入斜坡斜坡输入入加速度加速度输入入 稳态误差差 0v0 / K （1）稳态跟随性能指标：不同输入信号 作用下的稳态误差 稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标n在阶跃输入下的在阶跃
14、输入下的 I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的；n但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值成反比；值成反比；n在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。 因此，因此，I型系统不能用于具有加速度输型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。入的随动系统。（2）动态跟随性能指标参数关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超超调量量 上升上升时间 tr峰峰值时间 tp 相角相角稳定裕度定裕度 截止截止频率率 c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T 69.90.367/T 0.
15、707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T 59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T典型典型I I型系统的抗扰性能指标型系统的抗扰性能指标典型I型系统 扰动作用下的典型扰动作用下的典型I I型系统型系统 只讨论抗扰性能时，输入作用只讨论抗扰性能时，输入作用 R R = 0= 0。 取取，则则阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动：阶跃扰动：输出变化量：输出变化量：当当 时时 55.5% 33.2% 18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730
16、.4典型典型I型系统动态抗扰性能指标与型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2) ) 典型典型II型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系 时间常数时间常数T T是控制对象固有的，而待是控制对象固有的，而待定的参数有两个：定的参数有两个： K K 和和 。 定义定义中频宽中频宽：典型典型型系统的开环对数幅频特性型系统的开环对数幅频特性0 -20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中频宽参数之间的一种最佳配合参数之间的一种最佳配合采用采用“振荡指标法振荡指标法”中的闭环幅频特性中的闭环幅频特性峰值最小准
17、则，可以找到和两个参数峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，之间的一种最佳配合， 则则 输入信号入信号阶跃输入入斜坡斜坡输入入加速度加速度输入入稳态误差差00 （1 1）稳态跟随性能指标）稳态跟随性能指标 不同输入信号作用下的稳态误差不同输入信号作用下的稳态误差 典型典型IIII型系统跟随性能指标和参数的关型系统跟随性能指标和参数的关系系 n在阶跃和斜坡输入下，在阶跃和斜坡输入下，IIII型系统稳型系统稳态时均无差；态时均无差；n加速度输入下稳态误差与开环增益加速度输入下稳态误差与开环增益K K成反比。成反比。 （2 2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标 h 3 4 56 7
18、8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9.55 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按Mrmin准则确定参数关系时 典型典型型系统抗扰性能指标和参数的关系型系统抗扰性能指标和参数的关系+ 0- 在阶跃扰动下，在阶跃扰动下， 阶跃扰动的输出响应阶跃扰动的输出响应Cb = 2FK2T取输出量基准值为取输出量基准值为 典型典型IIII型系统动态抗扰性能指标与参数的
19、关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 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（参数关系符合最小（参数关系符合最小M Mr r准则）准则）校正成典型I型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合T1、T2 T3T1 T2 传递函数近似处理传递函数近似处理（1 1）高频段小惯性环节的近似处理）高频段小惯
20、性环节的近似处理 小惯性环节可以合并近似条件近似条件（2 2）高阶系统的降阶近似处理）高阶系统的降阶近似处理设三阶系统设三阶系统a a，b b，c c都是正数，且都是正数，且bc bc a a，即系统是稳定的。，即系统是稳定的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件近似条件 ：（3 3）低频段大惯性环节的近似处理）低频段大惯性环节的近似处理 时间常数特别大的惯性环节，可以近似时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即为积分环节，即 近似条件：近似条件： 四、双闭环系统调节器的设计四、双闭环系统调节器的设计 用工程设计方法设计转速、电流双闭用工
21、程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。环，即从内环开始，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，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。再设计转速调节器。 -IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速
22、系统E(s)（增加了滤波环节）（增加了滤波环节）设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：1.1.电流环结构图的简化电流环结构图的简化2.2.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择3.3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算4.4.电流调节器的实现电流调节器的实现电流调节器的设计电流调节器的设计+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)简化后的电流环结构图简化后的电流环结构图按典型按典型I型系统设计，型系统设计，ACRACR选选PIPI调节器。调节器。，K
23、I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s) 动态结构框图动态结构框图 开环对数幅频特性开环对数幅频特性:OL/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi校正后电流环的结构和特性校正后电流环的结构和特性设计步骤：设计步骤：1.1.电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数2.2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择3.3.转速调节器参数的选择转速调节器参数的选择4.4.转速调节器的实现转速调节器的实现 转速调节器的设计转速调节器的设计 电流环等效传递函数 原来双惯性环节的电流环控制对象，经原来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闭环控
24、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。时间常数的一阶惯性环节。 电流闭环控制的意义电流闭环控制的意义 电流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。 转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择 n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) Tons+11 Tons+1U*i(s)+-IdL (s)电流环简化后的转速环结构n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) / Tns+1+-IdL (s)转速调节器选择ASR采用采用PI调节器调节器令令则则n (s)+-U*n(s)校正后的调速系统转速调节器的
25、参数计算 按照典型按照典型型系统的参数关系型系统的参数关系，因此因此 转速环与电流环的关系转速环与电流环的关系 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。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。 例题例题2 21 1 电流调节器设计电流调节器设计例题例题2 22 2 转速调节器设计转速调节器设计 按典型按典型II型系统设计的型系统设计的ASR使转速使转速超调量过大，难以满足设计要求。超调量过大，难以满足设计要求。 典型系统是线性的，不符合起动时典型系统是线性的，不符合起动时 ASR饱和的非线性条件，必须按实际饱和的非线性条
26、件，必须按实际条件重新计算转速超调量。条件重新计算转速超调量。 转速调节器退饱和超调转速调节器退饱和超调 起起动动时时，转转速速调调节节系系统统不不服服从从典典型型系系统统的的线线性性规规律律，超超调调量量不不等等于于典典型型II型型系系统统跟跟随随性性能能指指标标中中的的数数值值, ,而而是是经经历历了了饱饱和和非非线性过程后的超调，称作线性过程后的超调，称作“退饱和超调退饱和超调”。 分分析析表表明明，可可以以利利用用典典型型II型型系系统统抗抗扰扰性性能能指指标标中中负负载载由由 突突降降到到 的的动动态态速速升升与与恢恢复复过过程程来来计计算算退退饱饱和和超超调调量。量。n OOttI
27、dm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 退饱和转速超调退饱和转速超调 n n的基准值的基准值 在典型在典型IIII型系统抗扰性能指标中，型系统抗扰性能指标中， C C的基准的基准值：值： 换算到退饱和转速超调换算到退饱和转速超调 n n的基准值：的基准值：由于由于 ， ，则则其中其中 ， ，退饱和超调量退饱和超调量 转速超调量转速超调量 的基准值应该是的基准值应该是 经基准值换算后得经基准值换算后得 例题例题2-3 2-3 计算后表明，转速退饱计算后表明，转速退饱和的超调量满足设计要求。和的超调量满足设计要求。五、转速超调的抑制五、转速超调的抑制 在双闭环调速系统中，加入转速微分负反在
28、双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈后，可提早馈后，可提早ASR的退饱和时间和退饱和的退饱和时间和退饱和转速，从而抑制了退饱和超调。转速，从而抑制了退饱和超调。 教材中给出了转速微分负反馈参数的工教材中给出了转速微分负反馈参数的工程设计方法，以及带转速微分负反馈程设计方法，以及带转速微分负反馈双闭双闭环调速系统的抗扰性能。环调速系统的抗扰性能。 可以证明，带可以证明，带微分负反馈的转速微分负反馈的转速PI调节器调节器在结构上符合在结构上符合“全状态反馈最优控制全状态反馈最优控制”。* *六、六、 弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统n调压与弱磁的配合控制调压与弱磁的配合控制n非独立控制
29、励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统n弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计弱磁控制系统转速调节器的设计TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO 调压与弱磁的配合控制调压与弱磁的配合控制 励磁控制的调速系统励磁控制的调速系统n在基速以下调压调速时，保持磁通为额定在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变；值不变；n在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变；值不变；n弱磁升速时由于转速升高，使转速反馈电弱磁升速时由于转速升高，使转速反馈电压压U Un n也随着升高，因此必须同时提高转速也随着升高
30、，因此必须同时提高转速给定电压给定电压U Un n* *，否则转速不能上升。，否则转速不能上升。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf-非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统 工作原理工作原理 E E = = K Ke e n n ，若能使，若能使E E不变不变，则，则n n上升上升时，时， 减小。减小。 引入引入电动势调节器电动势调节器 AER AER，利用电，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中中保持电动势
31、保持电动势 E E 基本不变基本不变。 电动势的计算与电动势的计算与给定给定 直接检测电动势比较困难，采用间直接检测电动势比较困难，采用间接计算的方法接计算的方法 E = Ud RId + LdId / dt 由电动势运算器由电动势运算器 AE AE ，算出电动，算出电动势势 E E 的反馈信号的反馈信号 U Ue e 。 由由RPRP2 2提供电动势的给定电压提供电动势的给定电压U Ue e* * ，并使，并使U Ue e* * = = 95%95% U UN N。 基速以下调压调速基速以下调压调速 n n 95% 95% n nN N 时，时，E E 95% U Ue e ， AERAER
32、饱和，相当于电势环开环。饱和，相当于电势环开环。 AER AER的输出限幅值为额定励磁给定，的输出限幅值为额定励磁给定，由由AFRAFR调节保持磁通为额定值。调节保持磁通为额定值。 用用RPRP1 1调节转速，转速、电流双闭调节转速，转速、电流双闭环系统起控制作用。环系统起控制作用。 基速以上弱磁升速基速以上弱磁升速 提高转速给定电压，转速上升。提高转速给定电压，转速上升。 当当 n n 95% 95% n nN N 时，时， E E 95% 95% U UN N ， U Ue e* * U Ue e ，AERAER开始退饱和，减开始退饱和，减少励磁电流给定电压，从而减少磁通。少励磁电流给定电压，从而减少磁通。
