電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第6-7課第一頁(yè)，共127頁(yè)。主要內(nèi)容1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型3.一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法4.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)第三章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第二頁(yè)，共127頁(yè)。一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法:3第三頁(yè)，共127頁(yè)。2.3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法2.3.0問(wèn)題的提出

?必要性：

用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。于是便需要一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法→工程設(shè)計(jì)方法。?可能性：大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。4第四頁(yè)，共127頁(yè)。設(shè)計(jì)方法的原則：（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)。5第五頁(yè)，共127頁(yè)。2.3.1工程設(shè)計(jì)方法的基本思路

1.選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。2.設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。6第六頁(yè)，共127頁(yè)。3.調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇基本思路:事先將典型系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)列出圖表。將控制對(duì)象校正成為典型I型系統(tǒng)或

II型系統(tǒng)，根據(jù)圖表選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)。系統(tǒng)校正控制對(duì)象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出只采用少量典型系統(tǒng)7第七頁(yè)，共127頁(yè)。2.3.2典型系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為

(2-8)R(s)C(s)分母中的sr

項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)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)。根據(jù)r=0，1，2，……等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)

自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選用I型和II型系統(tǒng)8第八頁(yè)，共127頁(yè)。1.典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)式中T—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。（2-9）O9第九頁(yè)，共127頁(yè)。性能特性

典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以–20dB/dec的斜率穿越0dB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，且有足夠的穩(wěn)定裕量，即選擇參數(shù)滿足或

于是，相角穩(wěn)定裕度

10第十頁(yè)，共127頁(yè)。2.典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)（2-10）O11第十一頁(yè)，共127頁(yè)。

性能特性

典型的Ⅱ型系統(tǒng)也是以–20dB/dec的斜率穿越零分貝線。由于分母中s2項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是–180°，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)（s+1），是為了把相頻特性抬到–180°線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足或

且比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。12第十二頁(yè)，共127頁(yè)。1.跟隨性能指標(biāo)：

在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有:tr

—

上升時(shí)間—

超調(diào)量ts

—

調(diào)節(jié)時(shí)間2.3.3控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)13第十三頁(yè)，共127頁(yè)。±5%（或±2%）

0Otrts圖2-12典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)上升時(shí)間超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間14第十四頁(yè)，共127頁(yè)。2.抗擾性能指標(biāo)

抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有Cmax

—

動(dòng)態(tài)降落tv

—

恢復(fù)時(shí)間一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。15第十五頁(yè)，共127頁(yè)。

突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)圖2-13突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)±5%（或±2%）

O

tmtvCb動(dòng)態(tài)降落恢復(fù)時(shí)間16第十六頁(yè)，共127頁(yè)。2.3.4典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

典型I型系統(tǒng)包含兩個(gè)參數(shù)：開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T

。

T

是控制對(duì)象本身固有的；能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益K

，即，K

是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K

的大小。17第十七頁(yè)，共127頁(yè)。

K

與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系

圖2-13繪出了在不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。18第十八頁(yè)，共127頁(yè)。

K

與截止頻率c

的關(guān)系

當(dāng)c<1/T時(shí)，特性以–20dB/dec斜率穿越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知所以K=c(2-12)

19第十九頁(yè)，共127頁(yè)。K值越大，截止頻率c

也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度

=90°–arctgcT

越小，這也說(shuō)明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。20第二十頁(yè)，共127頁(yè)。表2-1I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差1.典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)可用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。21第二十一頁(yè)，共127頁(yè)。

由表可見(jiàn)：在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)靜差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比；在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。

因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。22第二十二頁(yè)，共127頁(yè)。（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型I

型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為（2-13）

式中n—無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；

—阻尼比，或稱衰減系數(shù)。23第二十三頁(yè)，共127頁(yè)。K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系

(2-15)

(2-16)

(2-17)

且有

24第二十四頁(yè)，共127頁(yè)。二階系統(tǒng)的性質(zhì)當(dāng)<1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng)1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過(guò)阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)=1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。

25第二十五頁(yè)，共127頁(yè)。

由于在典型I型系統(tǒng)中KT<1，代入式（2-16）得

>0.5。因此在典型

I

型系統(tǒng)中應(yīng)取

(2-18)

由于過(guò)阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即

0<

<126第二十六頁(yè)，共127頁(yè)。性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系(2-19)

(2-20)

(2-21)

超調(diào)量

上升時(shí)間峰值時(shí)間

27第二十七頁(yè)，共127頁(yè)。表2-2典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

（與KT的關(guān)系服從于式2-16）

具體選擇參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。28第二十八頁(yè)，共127頁(yè)。2.典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

圖2-14a是在擾動(dòng)F作用下的典型I型系統(tǒng)，其中，W1(s)是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù)，后面部分是W2(s)，于是只討論抗擾性能時(shí)，令輸入作用R=0，得到圖2-14b所示的等效結(jié)構(gòu)圖。(2-25)

29第二十九頁(yè)，共127頁(yè)。圖2-14擾動(dòng)作用下的典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)

30第三十頁(yè)，共127頁(yè)。圖2-15典型I型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的等效框圖a)31第三十一頁(yè)，共127頁(yè)。表2-3典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系(控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-15所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5)當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng)Cb=FK2/232第三十二頁(yè)，共127頁(yè)。2.3.5典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

可選參數(shù)：在典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式(2-10)中，與典型

I型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的。不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè)：K和

，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見(jiàn)，引入一個(gè)新的變量h，令(2-32)

33第三十三頁(yè)，共127頁(yè)。典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec圖2-16典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬中頻寬度(2-33)34第三十四頁(yè)，共127頁(yè)。中頻寬h

由圖可見(jiàn)，h是斜率為–20dB/dec的中頻段的寬度（對(duì)數(shù)坐標(biāo)），稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此h值是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。

35第三十五頁(yè)，共127頁(yè)。參數(shù)之間的一種最佳配合

采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合為：

只要按照動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以按上述公式計(jì)算K和，并由此計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。(2-39)36第三十六頁(yè)，共127頁(yè)。（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

Ⅱ型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于表2-5中1.典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

Ⅱ型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于表2-5中1.典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無(wú)差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。37第三十七頁(yè)，共127頁(yè)。表2-6典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)

（按Mrmin準(zhǔn)則確定關(guān)系時(shí)）（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

38第三十八頁(yè)，共127頁(yè)。圖2-17典型II型系統(tǒng)在某種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系+0-+a)b)39第三十九頁(yè)，共127頁(yè)。擾動(dòng)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)

在階躍擾動(dòng)下:

（2-43）

40第四十頁(yè)，共127頁(yè)。

由式（2-43）可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于不同h值的動(dòng)態(tài)抗擾過(guò)程曲線C(t)，從而求出各項(xiàng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)，列于表2-7中。在計(jì)算中，為了使各項(xiàng)指標(biāo)都落在合理的范圍內(nèi)，取輸出量基準(zhǔn)值為Cb=2FK2T（2-44）

41第四十一頁(yè)，共127頁(yè)。表2-7典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

（控制結(jié)構(gòu)和階躍擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-18，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則）一般來(lái)說(shuō)，h值越小，Cmax/Cb

也越小，tm

和tv

都短，因而抗擾性能越好這個(gè)趨勢(shì)與跟隨性能指標(biāo)中超調(diào)量與h值的關(guān)系恰好相反，反映了快速性與穩(wěn)定性的矛盾但是，當(dāng)h<5時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加，h再小，恢復(fù)時(shí)間tv

反而拖長(zhǎng)了42第四十二頁(yè)，共127頁(yè)。分析結(jié)果

由此可見(jiàn)，h=5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間最短的條件是一致的（見(jiàn)表2-6）。因此，把典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項(xiàng)性能指標(biāo)綜合起來(lái)看，h=5應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。43第四十三頁(yè)，共127頁(yè)。兩種系統(tǒng)比較

比較分析的結(jié)果可以看出，典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動(dòng)態(tài)性能中:典型I

型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。

這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。44第四十四頁(yè)，共127頁(yè)。2.3.6調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似

處理——非典型系統(tǒng)的典型化1.調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇基本思路:

將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對(duì)象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出45第四十五頁(yè)，共127頁(yè)。選擇規(guī)律：

幾種校正成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的控制對(duì)象和相應(yīng)的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)列于表2-8和表2-9中。

46第四十六頁(yè)，共127頁(yè)。表2-8校正成典型I型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇T1、T2T3T1T247第四十七頁(yè)，共127頁(yè)。表2-9校正成典型II型系統(tǒng)的幾種調(diào)節(jié)器選擇認(rèn)為：

認(rèn)為：

48第四十八頁(yè)，共127頁(yè)。選擇規(guī)律：有時(shí)僅靠P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求，就不得不作一些近似處理，或者采用更復(fù)雜的控制規(guī)律。49第四十九頁(yè)，共127頁(yè)。2.傳遞函數(shù)近似處理（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理

實(shí)際系統(tǒng)中往往有若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。例如，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

小慣性環(huán)節(jié)可以合并50第五十頁(yè)，共127頁(yè)。

當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和。見(jiàn)教材p77例如：(2-47)

近似條件(2-46)

對(duì)應(yīng)圖2-2051第五十一頁(yè)，共127頁(yè)。（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理

上述小慣性群的近似處理實(shí)際上是高階系統(tǒng)降階處理的一種特例，它把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié)。下面討論更一般的情況，即如何能忽略特征方程的高次項(xiàng)。以三階系統(tǒng)為例，設(shè)

其中a，b，c都是正系數(shù)，且bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2-50)

52第五十二頁(yè)，共127頁(yè)。降階處理：若能忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為近似條件(2-51)

(2-52)

53第五十三頁(yè)，共127頁(yè)。（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

表2-9中已經(jīng)指出，當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時(shí)，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié)，即54第五十四頁(yè)，共127頁(yè)。近似條件

(2-53)

例如：55第五十五頁(yè)，共127頁(yè)。c對(duì)頻率特性的影響圖2-21低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響

低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b56第五十六頁(yè)，共127頁(yè)。

主要內(nèi)容

1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性

2.數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析

3.調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

4.雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)√57第五十七頁(yè)，共127頁(yè)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)：58第五十八頁(yè)，共127頁(yè)。2.4按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器

本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。主要內(nèi)容為:系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟59第五十九頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象電流內(nèi)環(huán)60第六十頁(yè)，共127頁(yè)。-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

Tois+1ASR1

Tons+1

Tons+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（增加了濾波環(huán)節(jié)）

Ton—轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi—電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)61第六十一頁(yè)，共127頁(yè)。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：

“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”

從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。

?首先設(shè)計(jì)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。62第六十二頁(yè)，共127頁(yè)。設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)63第六十三頁(yè)，共127頁(yè)。1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容：忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理64第六十四頁(yè)，共127頁(yè)。-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響

在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即E≈0?！?5第六十五頁(yè)，共127頁(yè)。忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。

Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

T0is+11

T0is+1圖2-23(a)忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響

66第六十六頁(yè)，共127頁(yè)。等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)

如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s)/

，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

T0is+1圖2-23b67第六十七頁(yè)，共127頁(yè)。小慣性環(huán)節(jié)近似處理

最后，由于Ts

和Toi

一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為

T∑i=Ts+Toi

(2-55)

簡(jiǎn)化的近似條件為

(2-56)

68第六十八頁(yè)，共127頁(yè)。電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖2-23c。

+-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)圖2-23c69第六十九頁(yè)，共127頁(yè)。2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，由圖2-23c可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。70第七十頁(yè)，共127頁(yè)。電流調(diào)節(jié)器選擇

圖2-23c表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成（2-57）

式中Ki

—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

i—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。參見(jiàn)表2-871第七十一頁(yè)，共127頁(yè)。

為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇

則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中（2-58）（2-59）72第七十二頁(yè)，共127頁(yè)。KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性

圖2-24校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖:

b)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性:

0L/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i73第七十三頁(yè)，共127頁(yè)。3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算

式（2-57）給出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki

和i，其中i

已選定，見(jiàn)式（2-58），剩下的只有比例系數(shù)Ki，可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。74第七十四頁(yè)，共127頁(yè)。參數(shù)選擇

在一般情況下，希望電流超調(diào)量i<5%，由表2-2，可選=0.707，KI

Ti=0.5，則(2-60)

(2-61)

再利用式（2-59）和式（2-58）得到

75第七十五頁(yè)，共127頁(yè)。注意：

如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式（2-60）和式（2-61）當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。

此外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗擾性能指標(biāo)是否滿足。76第七十六頁(yè)，共127頁(yè)。4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中

U*i

—為電流給定電壓；

–Id

—為電流負(fù)反饋電壓；

Uc

—電力電子變換器的控制電壓。圖2-25含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器

77第七十七頁(yè)，共127頁(yè)。電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式(2-62)

(2-63)

(2-64)

78第七十八頁(yè)，共127頁(yè)。

總結(jié)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化：

1.1忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響

1.2等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)

1.3小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)79第七十九頁(yè)，共127頁(yè)。設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)80第八十頁(yè)，共127頁(yè)。1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)

電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-24a可知(2-65)

81第八十一頁(yè)，共127頁(yè)。傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為

(2-66)

近似條件可由式（2-52）求出

(2-67)

式中cn—轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。82第八十二頁(yè)，共127頁(yè)。電流環(huán)等效傳遞函數(shù)

接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為(2-68)

這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以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)。83第八十三頁(yè)，共127頁(yè)。物理意義：

這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，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。

84第八十四頁(yè)，共127頁(yè)。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-22中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖所示。電流環(huán)85第八十五頁(yè)，共127頁(yè)。系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理

和電流環(huán)中一樣，①把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，②同時(shí)將給定信號(hào)改成U*n(s)/，③再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中（2-69）

86第八十六頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)/

Tns+1U*n(s)+-IdL

(s)b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理

87第八十七頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇

根據(jù)：由擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點(diǎn)與擾動(dòng)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。

現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)。88第八十八頁(yè)，共127頁(yè)。

由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（2-70）

式中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)。

89第八十九頁(yè)，共127頁(yè)。調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為（2-72）

則

（2-71）

90第九十頁(yè)，共127頁(yè)。校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

n

(s)+-U*n(s)c)校正后成為典型II型系統(tǒng)91第九十一頁(yè)，共127頁(yè)。3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn

和n。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(2-38)

（2-74）

再由式（2-39）

（2-75）

（2-76）

因此

92第九十二頁(yè)，共127頁(yè)。參數(shù)選擇

至于中頻寬h應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇

參見(jiàn)表2-693第九十三頁(yè)，共127頁(yè)。4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路圖2-27含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖中

U*n

—為轉(zhuǎn)速給定電壓，

-n—為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，

U*i

—調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。94第九十四頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算(2-77)

(2-78)

(2-79)

95第九十五頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系：

外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對(duì)系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。

96第九十六頁(yè)，共127頁(yè)。2.4.3

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和超調(diào)

突加給定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快就進(jìn)入飽和狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓變成負(fù)值，ASR退出飽和,在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速必然超調(diào)。

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)，稱作“退飽和超調(diào)”，不等于典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)中的超調(diào)量。97第九十七頁(yè)，共127頁(yè)。起動(dòng)過(guò)程：98第九十八頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和初值A(chǔ)SR飽和時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，電流是恒值

延續(xù)到

退飽和初始條件:

99第九十九頁(yè)，共127頁(yè)。轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖考慮實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值n

，轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-29b。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2-29c，為了保持各量間的加減關(guān)系不變，符號(hào)作相應(yīng)的變化。100第一百頁(yè)，共127頁(yè)。與典Ⅱ抗擾性能結(jié)構(gòu)圖相同圖2－29101第一百零一頁(yè)，共127頁(yè)。退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)的等價(jià)性

典型II型系統(tǒng)，在穩(wěn)定運(yùn)行，突將負(fù)載減小到

轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)速升與恢復(fù)的過(guò)程，這樣的突卸負(fù)載速升過(guò)程也就是退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)程。因此，可以利用動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)計(jì)算退飽和超調(diào)。102第一百零二頁(yè)，共127頁(yè)。退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)n的基準(zhǔn)值

在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，C的基準(zhǔn)值：這里：103第一百零三頁(yè)，共127頁(yè)。因此，退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)n的基準(zhǔn)值：－電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載倍

－負(fù)載系數(shù)z

104第一百零四頁(yè)，共127頁(yè)。退飽和超調(diào)量

轉(zhuǎn)速超調(diào)量

%，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是

經(jīng)基準(zhǔn)值換算后得

105第一百零五頁(yè)，共127頁(yè)。例2-3試按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法計(jì)算例題2-2中調(diào)速系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量，并校驗(yàn)它是否滿足設(shè)計(jì)要求。解：理想空載啟動(dòng)時(shí)Z=0，有例題2-1和例題2-2的已知數(shù)據(jù)有：λ=1.5，R=0.5Ω，IdN=136A,nN=1460r/min,Ce=0.132V.min/r,Tm=0.18s,TΣn=0.0174s。當(dāng)h=5時(shí)，由表2-7查得ΔCmax/Cb=81.2%,帶入上式得滿足設(shè)計(jì)要求106第一百零六頁(yè)，共127頁(yè)。注意事項(xiàng)轉(zhuǎn)速的退飽和量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)。按線性系統(tǒng)計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)量時(shí)，當(dāng)h選定后，不論穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*有多大，超調(diào)量σn都一樣。如果在例2-3中，啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，σn=8.31%，如果只啟動(dòng)到0.25nN由于Δnmax未變，則退飽和的超調(diào)量成為107第一百零七頁(yè)，共127頁(yè)。反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響。在計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)，將電流環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié)，并未考慮反電動(dòng)勢(shì)。然而，轉(zhuǎn)速的截止頻率wcn=34.5s-1,它并不大于因此對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)說(shuō)，忽略反電動(dòng)勢(shì)的條件就不成立了。好在反電動(dòng)勢(shì)的影響只會(huì)使轉(zhuǎn)速超調(diào)量更小，不考慮并不大礙。108第一百零八頁(yè)，共127頁(yè)。內(nèi)外環(huán)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較。nIL/dBwcnwci-20dB/dec-40dB/dec-40dB/decw/s-1oI-電流內(nèi)環(huán)n-轉(zhuǎn)速外環(huán)外環(huán)比內(nèi)環(huán)慢109第一百零九頁(yè)，共127頁(yè)。2.4.4設(shè)計(jì)舉例（p83頁(yè)）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)：

電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)，允許過(guò)載倍數(shù)；晶閘管裝置放大系數(shù)：；110第一百一十頁(yè)，共127頁(yè)。