1、第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要n轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 n轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 n轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 nMATLAB仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 n問(wèn)題的提出 第2章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。3

2、.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性統(tǒng)的組成及其靜特性n對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。n在起動(dòng)（或制動(dòng)）過(guò)渡過(guò)程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。n當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來(lái)，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。起動(dòng)電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)（制動(dòng)）過(guò)程。 圖3-1 時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)程 現(xiàn)在的問(wèn)題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：n起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；

3、起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；n穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？解決思路解決思路 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程。3.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成的組成n應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG

4、測(cè)速發(fā)電機(jī) n在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖n把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。n從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)雙閉環(huán)系統(tǒng)）。n為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器。3.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算 1. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性n兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定

5、的最大值n電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)n當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。n當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。n對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài) 。（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和n兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。di

6、innIUUnnUU*0*0*nUnn(3-1) 從而得到上圖靜特性的AB段。 由于ASR不飽和，U*i U*im，可知: Id Idm。 （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和nASR輸出達(dá)到限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。n雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) (3-2)dmimdIUI* 式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。nAB段是兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)的靜特性，IdIdm, n=n0。nBC段是ASR調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性，Id=Idm, nn0。圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

7、n在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*im，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。n采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。n當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時(shí)，Id=Idm，若負(fù)載電流減小，Idn0，n0，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和。2各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 (3-3) (3-4) (3-5)0*nnUUnndLdiiIIUU*sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0

8、上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量U*i是由負(fù)載電流 IdL 決定的； 控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于 n 和 Id，或者說(shuō)，同時(shí)取決于U*n 和 IdL。0*nnUUnndLdiiIIUU*sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0 這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其飽和輸出為限幅值，而非飽和輸出的穩(wěn)態(tài)值取決于輸入量的積分，它最終將使控制對(duì)象的輸出達(dá)到其給定值，使PI調(diào)節(jié)器的輸入誤差為零，否則PI調(diào)節(jié)器仍在繼續(xù)積分，并未到達(dá)穩(wěn)態(tài)。n根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值

9、計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：n轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (3-6)n電流反饋系數(shù) (3-7)n兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定。max*nUnmdmimIU*3.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析3.2.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析n對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對(duì)象是轉(zhuǎn)速。n跟隨性能可以用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述。n能否實(shí)現(xiàn)

10、所期望的恒加速過(guò)程，最終以時(shí)間最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要的追求目標(biāo)。1起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程分析n電流Id從零增長(zhǎng)到Idm，然后在一段時(shí)間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值IdL。n轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達(dá)給定值n*。圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形n起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段，n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個(gè)階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。n突加給定電壓 U*n 后，由于慣性，U= U*n Un 的數(shù)值較大，ASR的輸出迅速上升到限幅值 U*im ，Id 上升，當(dāng) I

11、d 小于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。IL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n UctUn+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+1U*i+第第I階段階段 電流上升的階段（電流上升的階段（0 t1） IL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttn當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)迫電流 Id 迅速上升。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n UctUd0U

12、n+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1U*iId+n直到，Id = Idm ， Ui = U*im ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，在這一階段中，ASR從不飽和迅速達(dá)到飽從不飽和迅速達(dá)到飽和，而和，而ACR一般一般不飽和。不飽和。IL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttn IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 II 階段階段 恒流升速階段（恒流升速階段（t1 t2） n在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電

13、流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n UctUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1U*iId+圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n UctIdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E+-n IL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttn與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量

14、，為了克服它的擾動(dòng)， Ud0和 Uct 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定。圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n UctIdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E+-n當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， Id 應(yīng)略低于 Idm。n IL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中 ACR是不應(yīng)飽和的。IL Id n n* Idm

15、OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第 階段階段 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）以后） n當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im ，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。IL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttn轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。n直到Id = IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。IL Id n n* I

16、m OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttn此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 ttU*n UctIdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E+- 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 n

17、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1）飽和非線性控制 （2）轉(zhuǎn)速超調(diào) （3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 （1） 飽和非線性控制飽和非線性控制 根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：n當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；n當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 Un 為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。 這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間

18、最優(yōu)控制）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。 這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車(chē)。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 2動(dòng)態(tài)抗擾性能分析n雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差別在于多了一個(gè)電流反饋環(huán)和電流調(diào)節(jié)器。n調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)

19、性能，n閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點(diǎn)的位置有關(guān)。 （1）抗負(fù)載擾動(dòng)n負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。n在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 圖3-7 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用負(fù)載擾動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)UdU*n-ILUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-En在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)-ILUdb)雙閉

20、環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-En雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)n在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 （2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允

21、許的最大電流?？偨Y(jié)：總結(jié)： 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。（4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。3.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)n在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。n控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

22、性能指標(biāo)包括對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。1、跟隨性能指標(biāo)n以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程作為典型的跟隨過(guò)程，n此跟隨過(guò)程的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱(chēng)作階躍響應(yīng)。n常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。 圖3-8 典型的階躍響應(yīng)過(guò)程和跟隨性能指標(biāo)%100maxCCC上升時(shí)間 峰值時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間 超調(diào)量 2抗擾性能指標(biāo)n當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低（或上升）的擾動(dòng)量F之后，輸出量由降低（或上升）到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的過(guò)渡過(guò)程就是一個(gè)抗擾過(guò)程。n常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。 圖3-9 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)動(dòng)

23、態(tài)降落 恢復(fù)時(shí)間 3.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法n工程設(shè)計(jì)方法： 在設(shè)計(jì)時(shí)，把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便得多。n調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式；（5）適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。n在典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)出實(shí)用有效的控制系統(tǒng)。n控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成（3-9） 分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)

24、在s= 0處有r重極點(diǎn)，或者說(shuō)，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)，稱(chēng)作r型系統(tǒng)。n為了使系統(tǒng)對(duì)階躍給定無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng)（ r =0），至少是型系統(tǒng)（ r =1）；當(dāng)給定是斜坡輸入時(shí)，則要求是型系統(tǒng)（ r =2）才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)差。n選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于型（ r =3）和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。n1jjrm1ii)1sT(s)1s(K)s(W1典型型系統(tǒng)n作為典型的I型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 （3-10）式中， T系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)； K系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。n對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/dec的斜率穿越

25、零分貝線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。n只包含開(kāi)環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T兩個(gè)參數(shù)，時(shí)間常數(shù)T往往是控制對(duì)象本身固有的，唯一可變的只有開(kāi)環(huán)增益K 。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。) 1()(TssKsW圖3-10 典型型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性n典型型系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性的幅值為 得到 (3-11)n相角裕度為nK值越大，截止頻率c 也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，相角穩(wěn)定裕度 越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。n在選擇參數(shù) K時(shí)，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。 ccKlg20) 1lg(lg20lg20cK（當(dāng)Tc1時(shí)） 18090arctg90

26、arctgccTT（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)n典型型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （3-12）式中， 自然振蕩角頻率； 阻尼比。n 1，欠阻尼的振蕩特性，n 1，過(guò)阻尼的單調(diào)特性；n = 1，臨界阻尼。 n過(guò)阻尼動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，一般把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼，即 0 Ti，選擇i= Ti ，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去控制對(duì)象中大的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，n希望電流超調(diào)量i 5%，選 =0.707， KI Ti =0.5，則 ) 1() 1(/)(sTsKsTsRKKsWiIiisiopi（3-50） iciITK21)(22ilsisliTTKRTKRTK(3-52) (3-51) 圖3-20 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)(a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

27、圖 (b）開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 n模擬式電流調(diào)節(jié)器電路 U*i 電流給定電壓； Id 電流負(fù)反饋電壓； Uc 電力電子變換器的控制電壓。圖3-21 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器0RRKiiiiiCRoioiCRT041(3-53) (3-54) (3-55) n按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (3-56)n采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項(xiàng)，可降階近似為 (3-57)n降價(jià)近似條件為 (3-58) 式中，cn轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。111)1(1)1(/)()()(2*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli111)(sKsWIcliiIcn

28、TK31n電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中等效為 (3-59)n電流的閉環(huán)控制把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，n加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。111)()()(*sKsWsUsIIcliid例題3-1 n 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，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過(guò)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=0.5 ；時(shí)間常數(shù)：Ti=0.03s， Tm=0.18s；電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5IN

29、）。n設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量5%i解 1）確定時(shí)間常數(shù)n整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s。n電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。n電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)n要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。n檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ， 參看表3-2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。11. 80037. 003. 0ilTT3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)n電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Ti=0.03s。n電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：取KiTi

30、=0.5， nACR的比例系數(shù)為1 .1350037. 05 . 05 . 0iITK013. 105. 0405 . 003. 01 .135siIiKRKK4）校驗(yàn)近似條件n電流環(huán)截止頻率ci=KI=135.1s-1（1）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 （2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 （3）校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 1 .1960017. 03131sT1s1s1s 82.4003. 018. 01313lmTT 8 .180002. 00017. 0131131oisTTcicici5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容n取n 取40kn 取0.75Fn 取0.2FkR

31、400kRKRii52.4040013. 10FFRCiii75. 01075. 0104003. 063FFRTCioi2 . 0102 . 01040002. 04463002轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理n把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 U*n(s)/，n把時(shí)間常數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并onInTKT1n轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)象是由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，IdL(s)是負(fù)載擾動(dòng)。n系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的必要條

32、件是：在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)之前必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)。n轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。nASR采用PI調(diào)節(jié)器ssKsWnnnASR) 1()(（3-61） Kn 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)。 n調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為n令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益KN為 (3-62)n則 （3-63） ) 1() 1() 1() 1()(2sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnnmennNTCRKK) 1() 1()(2sTssKsWnnNn圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(c)校正后成為典型型系統(tǒng)nnhT2221nNThhKnmenRThTChK2)

33、1(（3-64） （3-65） （3-66） 無(wú)特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5 為好。n模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路 U*n 轉(zhuǎn)速給定電壓； n 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓； U*i 電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。(3-67) (3-68) (3-69) 圖3-23 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器0RRKnnnnnCRononCRT041例題3-2 n在例題3-1中，除已給數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.07Vmin/r（10V/nN），n要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。n試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。解 1）確定時(shí)間常數(shù)n（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。

34、由例題3-1，已取KITi=0.5，則 n（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01s。n（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取sTKiI0074. 00037. 0221sTKTonIn0174. 001. 00074. 012）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)n選用PI調(diào)節(jié)器，3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)n取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： nASR的比例系數(shù)為ssKsWnnnASR) 1()(shTnn087. 00174. 05222224 .3960174. 052621sThhKnN7 .110174. 05 . 0007. 05218. 013

35、2. 005. 062) 1(nmenRThTChK4）檢驗(yàn)近似條件n轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 滿足簡(jiǎn)化條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件115 .34087. 04 .396sKKnNNcn7 .630037. 01 .1353131iITK7 .3801. 01 .1353131onITK1s1scncn5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容n取n 取470kn 取0.2 F n 取1F6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量n當(dāng)h=5時(shí)，由表3-4查得，n%=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按

36、ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。kR400kRKRnn468407 .110FFRCnnn185. 010185. 010470087. 063FFRTConon1101104001. 0446303轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算n當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由飽和限幅狀態(tài)進(jìn)入線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速環(huán)由開(kāi)環(huán)進(jìn)入閉環(huán)控制，迫使電流由最大值Idm降到負(fù)載電流Idl 。nASR開(kāi)始退飽和時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)電流Id仍大于負(fù)載電流Idl ，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，直到Id Idl時(shí)，轉(zhuǎn)速才降低。n這不是按線性系統(tǒng)規(guī)律的超調(diào)，而是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū)域之后的超調(diào)，稱(chēng)作“退飽和超調(diào)”。n假定調(diào)速系統(tǒng)原來(lái)

37、是在Idm的條件下運(yùn)行于轉(zhuǎn)速n*，n在點(diǎn)O 突然將負(fù)載由Idm降到Idl ，轉(zhuǎn)速會(huì)在突減負(fù)載的情況下，產(chǎn)生一個(gè)速升與恢復(fù)的過(guò)程，n突減負(fù)載的速升過(guò)程與退飽和超調(diào)過(guò)程是完全相同的。 圖3-24 ASR飽和時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程圖3-25 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(a)以轉(zhuǎn)速n為輸出量 只考慮穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*以上的超調(diào)部分，n=n-n*，坐標(biāo)原點(diǎn)移到O點(diǎn)， 圖3-25 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(b）以轉(zhuǎn)速超調(diào)值為輸出量初始條件則轉(zhuǎn)化為dmdIIn)0(, 0)0(n把n的負(fù)反饋?zhàn)饔梅从车街魍ǖ赖谝粋€(gè)環(huán)節(jié)的輸出量上來(lái)，得圖 (c)，圖中Id和IdL的+、- 號(hào)都作了相應(yīng)的變化。

38、n圖 (c)和討論典型II型系統(tǒng)抗擾過(guò)程所用的圖完全相同?？梢岳帽?-5給出的典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)來(lái)計(jì)算退飽和超調(diào)量， 圖3-25 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(c) 圖(b)的等效變換n在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中， C的基準(zhǔn)值是 (3-35)nn的基準(zhǔn)值是(3-70)TFKCb22nmeTTTCRK2dLdmIIFmedLdmnbTCIIRTn)(2n作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n*，退飽和超調(diào)量可以由表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)值換算后求得，即 mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)%)(2%)(% 電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載倍數(shù)， z負(fù)載系數(shù)， (3-72)dNdmIIdNdLzIImnNbTTnzn)(2(3-71)edNNCRIn例題3-3 試按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法計(jì)算例題3-2中調(diào)速系統(tǒng)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，并校驗(yàn)它是否滿足設(shè)計(jì)要求。n解解