電力拖動(dòng)系統(tǒng)第2章課件

1、第十二講 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性； 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分 析析； 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和和 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 第第 2 章章 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本 章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì) 方法，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制 系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。我們將重點(diǎn)學(xué)習(xí)： 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜 特性； 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài) 性

2、能分析； 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法； 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 弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 及其靜特性及其靜特性 問題的提出 第1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。 1. 主要原因 是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲 地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止 負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但 它只能在超

3、過臨界電流值 Idcr 以后，靠 強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并 不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 b) 理想的快速起動(dòng)過程 IdL n t Id O Idm a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 2. 理想的起動(dòng)過程 IdL n t Id O Idm Idcr 性能比較 帶電流截止負(fù)反饋的 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 起動(dòng)過程如圖 所示， 起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反 饋的作用降低下來， 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨 之減小，加速過程延 長。 IdL n t Id O Idm Idcr 圖2-1 a) 帶電流截止負(fù)反饋 的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 性能

4、比較（續(xù)） 理想起動(dòng)過程波形 如圖，這時(shí)，起動(dòng) 電流呈方形波，轉(zhuǎn) 速按線性增長。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)過程。 IdL n t Id O Idm 圖2-1 b) 理想的快速起動(dòng)過程 3. 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的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量 的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那 么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似 的恒流過程。 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制： 起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù) 反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)

5、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？ 2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別 起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器， 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌 套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。 TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + -Uc TA V M + - Ud Id UPE L - M TG + 圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 系統(tǒng)的組成 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) TA電流互感器 UPE電力

6、電子變換器 內(nèi)環(huán) 外 環(huán) 圖中，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)。 這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)。 2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 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，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個(gè) 調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們 是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為 正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放 大器的倒相作用。 系統(tǒng)原理圖 圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 + + - + -

7、 M TG + - + - RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id RiCi Ud + + - R0 R0 RnCn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM M TG UPE 圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶 限幅作用的。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定 了電流給定電壓的最大值； 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。 3. 限幅電路 二極管鉗位的外限幅電路 C1R1 R0 Rlim VD1 VD2 限幅電路（續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路 R1C1 VS1VS2 R0Rlim 4. 電流檢測(cè)電路 電流

8、檢測(cè)電路 TA電流互感器 4. 電流檢測(cè)電路 2.1.2 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 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性， 必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。 它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出 來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵 是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖2-4 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) Ks 1/Ce U*nUc Id E nUd0 Un + - ASR + U*i - R ACR - Ui UPE 2. 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

9、為恒值，輸入量的變 化不再影響輸出飽和的調(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。 3.靜特性靜特性 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和(CA段) di * i 0n * n IUU nnUU 0 * n n U n 靜特性的CA段 因?yàn)锳SR不飽和U*i U*im，Id Idm。 CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直 延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于額定 電流 IdN 的。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和（AB段） dm * im d I U I ASR輸出達(dá)到限幅值U*im

10、，轉(zhuǎn)速外環(huán) 呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再 產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流 無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 dm * im d I U I 最大電流 Idm 設(shè)計(jì)者選定，取決于電 機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的 最大加速度。 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 dm * im d I U I 這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀 態(tài)。 4. 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小 于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽 和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng) 表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自

11、動(dòng) 保護(hù)。 這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、 外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然 比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特 性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放 大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免 零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜 特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差， 如上圖中虛線所示。 2.1.3 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 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 0n * n nnUU dLdi * i IIUU s dL * ne s de s d0 c / K RIUC K RInC K U U (2-3) (

12、2-5) (2-4) 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，同時(shí)取決于U*n 和 IdL。 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 輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(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。 n 反饋系數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與無靜差系 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

13、數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) max * nm n U dm * im I U (2-6) (2-7) 兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè) 計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下： U*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電 源的限制； U*im 為ASR的輸出限幅值。 返回目錄返回目錄 第十三講 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動(dòng)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入偏差（給定與反饋 之差）是多少？它們的輸出電壓是多少？ 為什么？ 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

14、模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動(dòng)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析 本節(jié)提要 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 起動(dòng)過程分析 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué) 模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的 結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。 1. 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n Uc -IdL n Ud0 Un + - - + - Ui WASR(s)WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/

15、Ce + E 2. 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 s s KsW n n nASR 1 )( s s KsW i i iACR 1 )( 2.2.2 起動(dòng)過程分析起動(dòng)過程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重 要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過程， 因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n 由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài) 過程示于下圖。 圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 n O O t t IdL Idm n* III III

16、 t4 t3 t2 t1 1. 起動(dòng)過程 由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷 了不飽和、飽和、退飽和不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè) 動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè) 階段。 I: 0t1，電流上升階段 突加U*n Id 上升。 Id IdL 電機(jī)起動(dòng)。 ASR的輸入電壓數(shù)值較大， 輸出電壓輸出電壓=U*im。 Id 迅速上升，直到Id = Idm 。 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長。 在這一階段中，ASR很 快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般不飽和。 I 00.050.10.150.20.250.30.35 -50 0 50 100 150 200 250 II ：恒

17、流升速階段（t1 t2） ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。 系統(tǒng)在U*im 給定下電流調(diào)節(jié)， Id =Idm ，系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn) 速線性增長。 電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 線性增長， 對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，電流調(diào) 節(jié)系統(tǒng)使Ud0和 Uc 線性增長。 當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，輸出 量線性增長要求輸入偏差電壓 維持恒值，即 Id 實(shí)際上略低于 Idm。 典型值： Kn=10， Ki=1 ：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） nn* , ASR的輸入零， ASR由于積分作用仍飽和。 轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR開始退出飽 和， U*i 和 Id 很快下降。 Id = IdL時(shí)，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。 此后，電動(dòng)機(jī)開

18、始在負(fù)載的 阻力下減速，直到穩(wěn)定。 其間，ASR和ACR都不飽和， ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用， ACR使 Id 盡快跟隨U*i。 2. 分析結(jié)果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng) 過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1） 飽和非線性控制；飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)；轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 （1） 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)： 當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn) 為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)； 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) 由于ASR采用了

19、飽和非線性控制，起動(dòng)過 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)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過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)的過載能力，使起動(dòng)過 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)控制只能保證良好電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證

20、良好 的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在的起動(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，只好自制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自 由停車。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電由停車。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。阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 2.2.3 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比 較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最 重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗 負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 1/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Ks Tss+1 ACR U*i Ui - E Id 1. 抗負(fù)載擾

21、動(dòng) IdLIdL 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抵御。 在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 圖2-8 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) Ud U*n -IdL Un + - ASR 1/Ce n Ud0 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 - E n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)， n調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)） -IdLUd b)雙閉環(huán)系統(tǒng) Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 1/Ce U*n n Ud0 Un + - ASR 1/R Tl

22、s+1 R Tms Id Ks Tss+1 ACR U*i Ui - E n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 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，抗擾性能大有改善。 1. 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)允許的最大 電流。 2.2.4 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 （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)過程中，它

23、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)過程。 2.2.4 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 （4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(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。 這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重 要的。 返回目錄返回目錄 2.4 試從下述各方面來比較轉(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負(fù)反饋的單閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 1) 靜特性； 2) 動(dòng)態(tài)限流性能； 3) 起動(dòng)的快速性； 4) 抗

24、負(fù)載擾動(dòng)的性能； 5) 抗電源電壓波動(dòng)的性能； 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 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 2.3.1 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路工程設(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。 2.3.2 典型系統(tǒng)典型系統(tǒng) 所選擇的簡(jiǎn)單、性能清晰、作為實(shí)際系統(tǒng)逼近 目標(biāo)的系統(tǒng)。 )(sW R(s) C(s) 1. 典型I型系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) ) 1( )( Tss K sW )(sR ) 1(Tss K )(sC 式

25、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） 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 O 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 20 dB/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 T 1 c 1 c T或 于是，相角穩(wěn)定裕度 45arctg90arctg90180 cc TT O 2. 典型型系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) ) 1( ) 1( )( 2 Tss sK sW ) (sR) (sC ) 1( ) 1( 2 Tss sK （2-10） 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 O T 11 c 穩(wěn)定

26、條件 T 或 2.3.3 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括： 跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo) 系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線 5%（或2%） )(tC C CCmax max C C 0 t O trts 圖2-12 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo) 1. 跟隨性能指標(biāo)：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 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) 圖2-13 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) max C 1 C 2 C 5%（或2%） C N

27、 N O ttm tv Cb 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 一般來說，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。 第十四講 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動(dòng)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析 電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)整電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)整 2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 基本思路基本思路 典型系統(tǒng)、頻率特性、性能指標(biāo)典型系統(tǒng)、頻率特性、性能指標(biāo) 2.3 工程設(shè)計(jì)法工程設(shè)計(jì)法 2.4 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的按

28、工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 2.3.4 典型典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 )(sR ) 1(Tss K )(sC （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 T K n 2 nn 2 2 n cl 2)( )( )( sssR sC sW （2-13） 式中 n 無阻尼時(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)。 KT 1 2 1 性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 %100e% )1/( 2 (2-19) (2-21) 2 n p 1 t 超調(diào)量 峰值時(shí)間 n s 3.5 t

29、調(diào)整時(shí)間 (5% ) KT 1 2 1 阻尼比=0.707，KT=0.5 超調(diào)量=4.3% c=1/K )(sR ) 1(Tss K )(sC 2.3.5 典型典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(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。所不同的是， 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，引入一個(gè)新的變量 (圖2-16)，令 1 2 T h (2-32) 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 dBL/ 0 1 1 T 1 2 h Klg20 -20 40

30、-40 / s-1 c =1 20dB/dec 40dB/dec 40dB/dec 圖2-16 典型型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬 中頻寬度 中頻寬h 由圖可見，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)。 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)。 T 11 c 時(shí)間常數(shù)T是控制對(duì)象 固有的。 待定參數(shù)： K 和 。 1 2 T h dBL/ 0 1 1 T 1 2 h Klg20 -20 40 -40 / s-

31、1 c =1 20dB/dec 40dB/dec 40dB/dec )(sR)(sC ) 1( ) 1( 2 Tss sK c K1 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。 在確定了h之后，可求得 1 2 2 h h c 2 1 1 h c hT 22 22 11 2 1 2 1 ) 1 ( 2 1 Th hh hT h K c KhT c 跟隨性能與中頻寬h的關(guān)系 h=3,4,5,6,7,8 隨H增長，振蕩幅度減小。 )(sR)(sC ) 1( ) 1( 2 Tss sK 22 2 1 Th h K T=0.0174 h=3時(shí)， %=37.4

32、% 2.3.6 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似 處理處理非典型系統(tǒng)的典型化非典型系統(tǒng)的典型化 1. 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇調(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 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 ) 1)(1)(1( ) 1( )( 321 sTsTsTs sK sW 小慣性環(huán)節(jié)可以合并 當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件

33、 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。 1)( 1 ) 1)(1( 1 3232 sTTsTsT 例如： (2-47) 近似條件 32 c 3 1 TT (2-46) 圖3-16 高頻段小慣性群近似處理對(duì)頻率特性的影響 T=T1+T2 （2）高階系統(tǒng)的降階近似處理 三階系統(tǒng) a，b，c都是正數(shù)，且bc a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 降階處理：忽略高次項(xiàng)，得近似的一階系 統(tǒng) 近似條件 1 )( 23 csbsas K sW 1 )( cs K sW ), 1 min( 3 1 c a c b cj1 K )ac (j)b(1 K 1)j ()j ()j

34、( )( 2223 cba K sW 1c.a 1 .b 2 2 21 3 1 TT c 1)( 1 ) 1)(1)(1( 1 321321 sTTTsTsTsT 133221 1 3 1 TTTTTT c 1 )( 23 csbsas K sW 1 )( cs K sW), 1 min( 3 1 c a c b 1)( 1 ) 1)(1( 1 2121 sTTsTsT 2.4 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計(jì)方法來設(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 -IdL U

35、d0 Un + - - + - Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*i Uc Ks Tss+1 Id 1 Ce+ E T0is+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 T0ns+1 U*n n 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)。 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于 圖2-22，它與前述的圖2-6不同之處在于增 加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波 和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。其中 T0i 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) T0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 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)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”

36、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。 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) 2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 例題2-1 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)：Tl=0.03s， Tm=0.18s； 電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5IN）。

37、 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 Ce=0.132Vmin/r， R=0.5， Tm=0.18s； Tl=0.03s ；Ks=40，=0.05V/A %=5%，設(shè)計(jì)電流環(huán) Ce=0.132Vmin/r， R=0.5， Tm=0.18s； Tl=0.03s ；Ks=40，=0.05V/A %=5%，設(shè)計(jì)電流環(huán) R=0.5， Tl=0.03s ；Ks=40，=0.05V/A %=5%，設(shè)計(jì)電流環(huán) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s=1/2*Tsmax=1/2mf=1/600。 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和，按小時(shí)間常數(shù)近似處

38、理，取 Ti=Ts+Toi=0.0037s。 每個(gè)波頭的時(shí)間T0=3.3ms=1/300 (12)Toi=T0，Toi越大，噪聲衰減越大。 1 1/500s+1 Transfer Fcn t To Workspace1 s To Workspace Sine Wave Scope1 Clock 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05 0 1 2 3 4 5 6 K=135 013. 1 05. 040 5 . 003. 01 .135 s iI i K RK K 5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 取 取40k 取0.75F 取0.2F kR40 0

39、 kRKR ii 52.4040013. 1 0 FF R C i i i 75. 01075. 0 1040 03. 0 6 3 FF R T C i oi 2 . 0102 . 0 1040 002. 044 6 3 0 0 電源擾動(dòng)的仿真研究 1/0.5 .03s+1 Transfer Fcn9 0.05 .002s+1 Transfer Fcn2 0.03s+1 0.03s Transfer Fcn11 40 0.00174s+1 Transfer Fcn10 0.05 .002s+1 Transfer Fcn1 t To Workspace1 s To Workspace Step7

40、 Step1 Scope 1.03 Gain Clock 00.020.040.060.080.10.120.140.16 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1. 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 1 1 1 ) 1( 1 ) 1( / )( )( )( I 2 I i i I i I * i d cli s K s K T sTs K sTs K sU sI sW (2-65) 2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 傳遞函數(shù)化簡(jiǎn) 忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為 1 1 1 )( I cli s K sW i I cn 3 1 T K 近似條件可由式（2-52）求出 cn

41、轉(zhuǎn)速環(huán)剪切頻率。 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 1 1 1 )( )( )( I cli * i d s K sW sU sI (2-68) 物理意義： 這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)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)重要功能環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。 例題2-2 在例題2-1中，除已給數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速 反饋系數(shù)=0.07Vmin/r（10V/nN）， 要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí) 的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。 試按工

42、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。 1）確定時(shí)間常數(shù) （1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由例題2-1，已取KITi=0.5， 則 （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。 （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 sT K i I 0074. 00037. 022 1 sT K T on I n 0174. 001. 00074. 0 1 1460/60*19=462 hz 146/60*19=46.2 hz 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 選用PI調(diào)節(jié)器， 3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 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： ASR的比例系數(shù)為 s sK sW n nn ASR ) 1( )( shT nn 087. 00174. 05 2 222 2 4 .396 0174. 052 6 2 1 s Th h K n N 7 .11 0174. 05 . 0007. 052 18. 0132. 005. 06 2 ) 1( n me n RTh TCh K 00.10.20.30.40.50.60.7 0 0.5 1 1.5 R/Ce/Tm s