直流部分復(fù)習(xí)開環(huán)機(jī)械特性；閉環(huán)靜特性閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)速度的影響PI調(diào)節(jié)器的特性及在雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用典Ⅰ，Ⅱ型系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)可逆系統(tǒng)的環(huán)流及抑制可逆系統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程（三個(gè)階段）單閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算（D，S，Kp等計(jì)算）雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)10/10/20231直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇10/10/20232根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓

U；（2）減弱勵(lì)磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R。10/10/20233第2章

轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)10/10/20234內(nèi)容提要直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真10/10/202352.1.1晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖2－1晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖10/10/20236在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：

（2-1）式中，Ud——平均整流電壓，

Uc——控制電壓，

Ks——晶閘管整流器放大系數(shù)。10/10/20237(2-2)式中E——電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)(V)；

id——整流電流瞬時(shí)值(A)；

L——主電路總電感(H)；

R——主電路總電阻(Ω),；瞬時(shí)電壓平衡方程式10/10/20238圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖10/10/202393．晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 （2-7）式中，Ce——電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)10/10/202310圖2-5電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性10/10/202311圖2－6V-M系統(tǒng)機(jī)械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機(jī)械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。10/10/202312傳遞函數(shù)的近似處理按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項(xiàng)，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)（2-16）

10/10/202313圖2－9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的10/10/2023142.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即 （2-27）nmax和nmin是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。10/10/2023152、靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落ΔnN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比： （2-28）用百分?jǐn)?shù)表示 （2-29）10/10/202316靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率特性a和b的硬度相同，特性a和b額定速降相同，特性a和b的靜差率不相同。10/10/2023173.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 （2-30）對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ΔnN值是定值。要求s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。10/10/202318圖2－15開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性10/10/202319機(jī)械特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電力電子變換器 直流電動(dòng)機(jī)

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為（2-31）

10/10/202320圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖10/10/2023212.3.1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的

數(shù)學(xué)模型圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1．轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性10/10/202322

穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

電力電子變換器

直流電動(dòng)機(jī)Kp——比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）10/10/202323靜特性方程式（2-32）式中:——閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。

10/10/202324圖2-17開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性10/10/202325KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)10/10/202326比例放大器的傳遞函數(shù)電力電子變換器的傳遞函數(shù)測(cè)速反饋的傳遞函數(shù)(2-33)（2-42）(2-43)2．轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型10/10/202327圖2-20 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，

動(dòng)態(tài)電壓方程：(2-34) 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，

電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：(2-35)10/10/202328額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

(2-36) (2-37)——包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，（N·m）

——電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量，(N·m2)——電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(N·m/A)再定義下列時(shí)間常數(shù)：

——電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)——電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s)10/10/202329直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量：一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL，是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得圖2-22。10/10/202330額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)Tm表示機(jī)電慣性時(shí)間常數(shù)Tl表示電磁慣性。圖2-22直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換10/10/202331圖2-23轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。10/10/2023322.3.2比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1．開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)機(jī)械特性為

(2-46)

式中，表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為

(2-47)

式中，表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。10/10/202333（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)

機(jī)械特性硬得多在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落它們的關(guān)系是

(2-48)10/10/202334（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)

小得多閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為當(dāng)時(shí)， （2-49）10/10/202335（3）如果所要求的靜差率一定，則

閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得開環(huán)時(shí)，

閉環(huán)時(shí)，

得到 （2-50）10/10/202336結(jié)論2：

把以上三點(diǎn)概括起來(lái)，可得下述結(jié)論：比值控制的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)與反饋裝置。

10/10/202337圖2-24閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性10/10/2023382．反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。但只要比例放大系數(shù)Kp＝常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K≠∞，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，10/10/202339（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng),服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，對(duì)于給定作用的變化唯命是從。擾動(dòng)——除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。10/10/202340調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce

變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）；檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使

變化）。

在圖2-25中，各種擾動(dòng)作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來(lái)了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。10/10/202341圖2-25閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用10/10/202342

結(jié)論3：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。10/10/202343（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動(dòng)。反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的。現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用數(shù)字給定和數(shù)字測(cè)速來(lái)提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。10/10/2023442.3.3比例積分控制的無(wú)靜差

直流調(diào)速系統(tǒng)比例與積分控制的比較

比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。比例積分控制規(guī)律比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。10/10/202345在t=0時(shí)就有Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了快速控制；隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長(zhǎng)，

在t=t1時(shí)，Uin=0，

圖2-29PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性10/10/202346在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分①和ΔUn成正比，積分部分②表示了從t=0到此時(shí)刻對(duì)ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。圖2-30閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程10/10/2023472.5轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的

限流保護(hù)2.5.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)流問(wèn)題在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時(shí)，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過(guò)流。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)被堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器來(lái)保護(hù)，過(guò)載時(shí)就跳閘。10/10/202348解決辦法系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。引入電流負(fù)反饋，可以使它不超過(guò)允許值。但這種作用只應(yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常的穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)又得取消。當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。10/10/202349圖2-40帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2．帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)10/10/202350圖2-41 帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性CA段:（2-32）

電流負(fù)反饋被截止AB段:（2-94）

電流負(fù)反饋起作用10/10/2023513．帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)10/10/202352圖2-43無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id<Idcr）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

(2-99)式中nmax——電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速；

U*nmax——相應(yīng)的最高給定電壓。10/10/202353圖2-44帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性10/10/202354第3章

轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)10/10/2023553.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成實(shí)現(xiàn)方法在系統(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，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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。10/10/2023563.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算圖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——測(cè)速發(fā)電機(jī)

10/10/202357

1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm

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；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。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)。10/10/202358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α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)β——電流反饋系數(shù)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖10/10/202359限幅作用

存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，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)開環(huán)。不飽和——輸出未達(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。10/10/202360系統(tǒng)靜特性（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdNOnABC（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和則得靜特性的CA段則得靜特性的AB段10/10/2023612.各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

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)(3-5)

(3-4)

10/10/202362

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；

ACR的輸出量: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。10/10/202363

PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。

P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。10/10/202364反饋系數(shù)計(jì)算

鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

(3-6)(3-7)

10/10/2023653.2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1.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)10/10/2023662.調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型

圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有

10/10/2023673.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對(duì)象是轉(zhuǎn)速。跟隨性能可以用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述。能否實(shí)現(xiàn)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)。10/10/202368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

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.起動(dòng)過(guò)程分析10/10/2023692）分析結(jié)果雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有三個(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）起動(dòng)過(guò)程由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I（電流上升）、II（恒流升速）

、III（轉(zhuǎn)速調(diào)整）三個(gè)階段。10/10/2023702．動(dòng)態(tài)抗擾性能分析雙閉環(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。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)性能，閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點(diǎn)的位置有關(guān)。10/10/202371（1）抗負(fù)載擾動(dòng)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。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)10/10/202372（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)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)，使抗擾性能得到改善。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。圖3-7直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用電網(wǎng)電壓擾動(dòng)10/10/202373轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(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)速很快地跟隨給定電壓變化,如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。10/10/202374電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，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。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。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。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。10/10/2023753.3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)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?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括：對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)10/10/2023761、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。通常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，此跟隨過(guò)程的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。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。10/10/202377圖3-8典型的階躍響應(yīng)過(guò)程和跟隨性能指標(biāo)上升時(shí)間峰值時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間超調(diào)量σ

1、跟隨性能指標(biāo)10/10/202378跟隨性能指標(biāo)：

tr

—上升時(shí)間：反映動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性

—超調(diào)量：反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性ts

—調(diào)節(jié)時(shí)間：反映系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性10/10/2023792．抗擾性能指標(biāo)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。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。10/10/202380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)態(tài)降落恢復(fù)時(shí)間10/10/202381抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力?？箶_性能指標(biāo)：

Cmax

—?jiǎng)討B(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。10/10/2023823.3.2調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(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)的開環(huán)增益。對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，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。只包含開環(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．典型Ⅰ型系統(tǒng)10/10/202383圖3-10 典型Ⅰ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性10/10/202384（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

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)。參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比

超調(diào)量

上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率

c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T表3-1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10/10/202385分析結(jié)果：由表3-1中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T為已知時(shí)，隨著K的增大，系統(tǒng)的快屬性增強(qiáng)，而穩(wěn)定性變差。

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)。10/10/202386（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)影響到參數(shù)K的選擇的第二個(gè)因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系，典型Ⅰ型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析它的抗擾性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是擾動(dòng)作用點(diǎn)，某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)。10/10/20238727.8%12.6%9.3%6.5%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4表3-2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3-12所示）10/10/202388分析結(jié)果：由表3-2中的數(shù)據(jù)可以看出，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)。10/10/2023892.典型Ⅱ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為 （3-22）典型II型系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的，而待定的參數(shù)有兩個(gè)：K

和

。定義中頻寬：

(3-23)中頻寬表示了斜率為-20dB/sec的中頻的寬度（對(duì)數(shù)坐標(biāo)），是一個(gè)與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。10/10/202390圖3-13 典型Ⅱ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性10/10/202391工程設(shè)計(jì)方法中典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，可以找到h和

c的最佳配合，可以得出以下公式：

只要按照動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以代入這兩個(gè)公式計(jì)算K和

，并由此計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

（3-29）

（3-30）

10/10/202392表3-4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)）

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201以h=5的動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。10/10/202393表3-5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3-15，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則）

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.8510/10/202394兩種系統(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)。10/10/2023953.控制對(duì)象的工程近似處理方法（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理

小慣性環(huán)節(jié)可以合并例如：(3-37)

近似條件(3-38)

10/10/202396（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理其中a，b，c都是正系數(shù)，且bc

a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(3-41)

降階處理：

近似條件(3-42)

(3-43)

10/10/202397（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理

近似條件(3-44)

例如：10/10/2023983.3.3 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(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10/10/202399-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+E

T0is+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖3-18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)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象Toi——電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)；Ton——轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)10/10/2023100

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。在這里，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。10/10/2023101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)5)校驗(yàn)近似條件1.

電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（3-48）

（3-）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（3-）（當(dāng)

i

<5%，則KI

T

i

=0.5）10/10/2023102電流環(huán)設(shè)計(jì)校驗(yàn)近似條件

1）電力電子變換器純滯后的近似處理

2）忽略反電勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響

3）電流環(huán)小慣性群的近似處理10/10/2023103設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化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)5.校驗(yàn)近似條件2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(3-59)

簡(jiǎn)化內(nèi)容：

電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理（3-61）

（3-64）

（3-65）

（一般可選擇

h

=5）（3-62）

10/10/2023104轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)校驗(yàn)近似條件

1）電流環(huán)閉環(huán)后近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的條件

2）轉(zhuǎn)速環(huán)二個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并的條件

10/10/2023105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。

電流環(huán)的物理意義：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。

10/10/20231063．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算當(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

。ASR開始退飽和時(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。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)，稱作“退飽和超調(diào)”。10/10/2023107圖3-24ASR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10/10/2023108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

λ——電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載倍數(shù)，z——負(fù)載系數(shù)，(3-72)10/10/2023109第4章

可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)10/10/20231104.1.4單片微機(jī)控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)圖4-6微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速給定：-n*max~0~+n*max占空比：ρ=0~?~1平均電壓系數(shù)：

=–1~0~+1

10/10/20231114.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)兩組晶閘管整流裝置同時(shí)工作時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。一般地說(shuō)，環(huán)流對(duì)系統(tǒng)無(wú)益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。2．V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問(wèn)題10/10/2023112圖4-10反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流Id—負(fù)載電流Ic—環(huán)流