1、第五章調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)一、調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的基本思路先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖5-1，其中的濾波環(huán)節(jié) 包括電流濾波、轉(zhuǎn)圖5-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖速濾波和兩個(gè)給定。由于電流檢測信號中常含有交流分量須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時(shí)也給反饋

2、信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加人一個(gè)相同時(shí)間常數(shù) 的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延 滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾 波時(shí)間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時(shí)間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。二、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(一) 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為了提高電流

3、環(huán)對電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)的作用，又希 望把電流環(huán)校正成典型n型系統(tǒng)。究竟應(yīng)該如何選擇，要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的具體要求 來決定取舍。在一般情況下，當(dāng)控制對象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比TjT“乞10時(shí)，典型I型系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的，因此一般多按典型I型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流 環(huán)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的。要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成&+1Wacr(s)= Ki %式中K電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對消掉控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇.j二T圖5-2校正成典型I型系統(tǒng)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 , KjKsPKIiR以上的結(jié)果是在

4、一系列假定條件下得出的，現(xiàn)將所用過的假定條件歸納如下, 具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須校驗(yàn)這些條件。（二）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括時(shí)間常數(shù)-i已選定為般情況下，希望超調(diào)量因此再利用式Ti =T和K|電流濾波時(shí)間常數(shù)1"c3T：-ci -3TmT| -ciTsToi.i=T ,比例系數(shù)Ki取決于所需的 i和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)二 %V 5%時(shí)，取阻尼比'=0.707 , K | T v jK I = ciiR得到T|RKi 2Ks 下iToi 二1 RgCoi4T|KiRiRoi 二 RiCi.在0.5 ,三、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（一）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)前已指出，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)

5、，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數(shù)。電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Woli (s)s(T“1)Ki1亠s(Tu1)1B s 1KiKi轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率 3 cn 一般較低，因此 Wcli(s)可降階近似為Wcii (s)近似條件可由式C 乞 3min(bc a若按 =0. 707, K| T冷=0. 5選擇參數(shù)，則%(s) =12 22T- s2 2Tv：s 112Js 1近似條件為取整數(shù)，14.24T i-cn按照電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)式,電流環(huán)原來是一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié),其阻尼比E =0.707 ,無阻尼自然振蕩周期為、2T'j ,近似為一階慣性環(huán)節(jié)

6、。當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn較低時(shí), 對于轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性來說，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有一些差別。最后由于輸人信號是u7 3，因而上面求出來的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為(s) =ld(s)*口.Ui (s)-接在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸人信號應(yīng)該是Ui*，因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應(yīng)相應(yīng)地改成ld(s)Wci(S)Ui *(s) _12Js 1應(yīng)該注意的是，如果電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選得不是這樣，時(shí)間常數(shù)2T7的大小也要作相應(yīng)的改變。順便指出，原來電流環(huán)的控制對象可以近似看成是個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)是Ti和T、i，閉環(huán)后，整個(gè)電流環(huán)等效為一個(gè)無阻尼自然振蕩周期為、2 Tu的二階振蕩環(huán)節(jié)，或者近似為只有小時(shí)間常數(shù)2T、i的一階

7、慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流閉環(huán)后，改造了控制對象，加快了電流跟隨作用統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖H號便如圖5-3a所把給定濾波和反圖5-3轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理示。和前面一樣,饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號改為 un (s)/a ;再把時(shí)間常數(shù)為TonTz的慣性環(huán)節(jié)且和2Ti的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T'n =T°n +2T、i，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖5-3b。由圖5-3b可以看出，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)以后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要n型系統(tǒng)。再 從動(dòng)態(tài)性能上看，調(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能

8、，典型n型系統(tǒng)恰好能滿足 這個(gè)要求。至于典型n型系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量大的問題，那是線性條件下的計(jì)算數(shù) 據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在突加給定后很快就會(huì)飽和，這個(gè)非線性作用會(huì)使超調(diào) 量大大降低。因此，大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型n系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖5-3b可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型n型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(S)= KnnS 1式中K n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wn(S)Kn： R( nS 1)n GTmSWnS 1)Kn ( nS 1)S2(T、nS1)其中，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KnKR不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，

9、校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖5-3c。上述結(jié)果所需服從的假定條件歸納如下（三）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 K和。n n按照典型n型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，由式t =hT,再由式K二 22h2TKnh 12h2T、n2即得ASR的比例系數(shù)h 1 GTm2h： RT'n至于中頻寬h應(yīng)選多大，要看系統(tǒng)對動(dòng)態(tài)性能的要求來決定。如無特殊表示，一般 以選擇h=5為好。與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻和電容的關(guān)系為:KnRnRo= -RoC4on四、設(shè)計(jì)舉例某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下直流電動(dòng)機(jī)： 220V、130A、1500 r mi

10、 n ， C 0.132V mi nr，允許過載倍數(shù)，=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40電樞回路總電阻：R時(shí)間常數(shù)：T =0.03s,Tm =0.18s電流反饋系數(shù)：1 =0.062V A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：-0.008V minr設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 C, <5% ；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；二 : 10%。(一)電流環(huán)的設(shè)計(jì)1 確定時(shí)間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts三相橋式電路的平均失控時(shí)間T0.0017s。(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有(I2)T；丁 = 3.33ms，因此取

11、 T-r = 2ms = 0.002s。(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tz按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 T<Ts Toi = 0.0037s。2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：口 _5%，而且Ti0.03T'i 0.0037= 8.11 ：:10因此電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為WACR（S）二 K ii s 1 is3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：“二T| =O.O3S。電流環(huán)開環(huán)增益：要求 5 <5%時(shí)，應(yīng)取 心丁 = 0.5 (見表4-2)，因此已 ACR的比例系數(shù)為疋，KiT'i0.5135.11/s0.0037Ki0.03

12、X0.5= 135.10.8170.062X404 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率"ci =K|N35.11/s(1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:"丄3Ts1 1現(xiàn)在3TS = 3 0.0017 "96.11 $ ci滿足近似條件(2)忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)影響的條件:，ci 一3而現(xiàn)在,140.821 / s ； p0.18 0.03 s滿足近似條件。(3)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:現(xiàn)在， 1J =1 匯 J1 = 180.81 / s >ci3 TsT寸 3 0.0017 漢0.002 s滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-21，按所用

13、運(yùn)算放大器取 R =401，各電阻和電容值計(jì)算如下Ri =KjRO =1.013 40k=40.25k】，取 40kCi.iR0.0340 10310iF = 0.75,取 0.75-FC oi4Toi典型n型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)S亠1Wasr(S)二匚亠nS按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h = 5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益n =hTn =50.0174s =0.087Sh 也6_2_2Kn 學(xué)七 62sJ396.4s，2h2Txn22 25 0.01742是，ASR的比例系數(shù)L由式(4-76 )為=4 0.0°2

14、 10 =0.2F，取 0.2F40 10按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：6% =4.3% ：:5% (見表4-2), 滿足設(shè)計(jì)要求。(二)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1 確定時(shí)間常數(shù)(1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2T可=0.0074s。(2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton =0.01S(3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) T按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T勺=2Tq Ton =0.0174s2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按K _ (h 1) CeTmn 一 2h: RTy6 0.062 0.132 0.1812.72 5 0.00

15、8 0.5 0.01744 校驗(yàn)近似條件由式(4-24 ),轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:1-cn50現(xiàn)在5Tt 5 0.00371 1S 54.1 s cnKn =Kn .n =396.4 0.087sJ = 34.5s J滿足簡化條件。(2)時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: cn3 片 2TTon現(xiàn)在,32T：Ton =32 0.0037 0.01 皿75、滿足近似條件。5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-25，取R0，則Cn6 .校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量二 Kn RoC on=12.7 40k" -508k取500k'.1t 0 0876丄二 0.087 310

16、=0.174F 取0.2FRn 500 103-nRn4Ton = 4 0.01106 F =rlF 取rlF40 103R0由式(4-84 ), & =(如2(hz)仝譽(yù) T 也CbnTm當(dāng) h =5時(shí)，"ax =81.2%Cb而 LnnomIdnomR 1_ r /mi n= 492.5r/minCe0.132因此 Cn =81.2% 2 1.5 492.5 00174 =7.73% <10%15000.18能滿足設(shè)計(jì)要求。每個(gè)環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利?？傊?，多環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。如果主要追求的目標(biāo)是快速響應(yīng)，那還不如采用單閉環(huán)系統(tǒng)，只要用別的措施解決限流保護(hù)等問題就可以 了。參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)及自動(dòng)控制系統(tǒng) ，機(jī)械工業(yè)出版