第3章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動電力拖動自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(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仿真軟件對轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 3.1 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問題的提出 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。前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差

2、。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。滿足需要。1. 主要原因單閉環(huán)系統(tǒng)僅是以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)僅是以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)的控制，沒有考慮對決定系統(tǒng)動態(tài)行為的轉(zhuǎn)矩（電流）實(shí)施有效的動態(tài)控制。 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，但它只能是一種“門限控制”，即在超過臨界電流值 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態(tài)波形。 單閉系統(tǒng)環(huán)啟動過程n單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖動過程如圖 所示，起所示，起動電流達(dá)到最大值動電流達(dá)到最大值 Idm

3、后，受電流負(fù)反饋的作后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，電機(jī)的電用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。速過程延長。 圖2-1 a) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)IdLntIdOIdmIdcr最佳啟動過程（期望）n理想起動過程波形如圖，理想起動過程波形如圖，這時(shí)，起動電流呈方形這時(shí)，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。獲得的最快的起動過程。IdLntIdOIdm整個(gè)啟動過程電流保持最大整個(gè)啟動過程電流保持最大b) 期望的起動過程IdLntIdOIdma) 單

4、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（帶電流截止負(fù)反饋的）啟動過程2. 起動過程比較IdLntIdOIdmIdcr3. 我們的目標(biāo)與解決的思路啟動和動態(tài)過程：啟動和動態(tài)過程：主要考核指標(biāo)：主要考核指標(biāo)：快速性和超調(diào)控制能力快速性和超調(diào)控制能力理由：理由：電流是決定電機(jī)拖動能力的重要因素，因電流是決定電機(jī)拖動能力的重要因素，因此動態(tài)過程的主要控制量應(yīng)該是電流此動態(tài)過程的主要控制量應(yīng)該是電流做法：做法：動態(tài)過程只針對電流進(jìn)行控制。保證動態(tài)動態(tài)過程只針對電流進(jìn)行控制。保證動態(tài)過程電流始終最大過程電流始終最大3. 我們的目標(biāo)與解決的思路（續(xù)）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（終級目標(biāo)）：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（終級目標(biāo)）：主要考核指標(biāo)：主要考核指標(biāo)：無靜差和抗擾

5、動能力無靜差和抗擾動能力理由：理由：最終目標(biāo)是轉(zhuǎn)速的無靜差，抗擾能力通過轉(zhuǎn)最終目標(biāo)是轉(zhuǎn)速的無靜差，抗擾能力通過轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制來實(shí)現(xiàn)矩的實(shí)時(shí)控制來實(shí)現(xiàn)做法：做法：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流均采取隨動控制穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流均采取隨動控制問題是：問題是： 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們能在不同的階段里分別起作用呢？3.1.1 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) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別為了實(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，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)速分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)

6、速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接。套（或稱串級）聯(lián)接。1. 系統(tǒng)的組成圖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測速發(fā)電機(jī) 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)。 形成了形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 P

7、I 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器。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 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出均帶限幅，其作用：n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；n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。3.1.2 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 為

8、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. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性1）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE2） 限幅作用 存在兩種狀況：n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使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸

9、出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。n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 作用使輸入偏輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。 事實(shí)上，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是可以運(yùn)行在以事實(shí)上，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是可以運(yùn)行在以上兩種情況，而正常情況下，電流調(diào)節(jié)上兩種情況，而正常情況下，電流調(diào)節(jié)器均工作在不飽和狀態(tài)！器均工作在不飽和狀態(tài)！3） 系統(tǒng)靜特性 由于電流調(diào)節(jié)器不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示。圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdNOnBCA（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和di*i0n*nIUUnnUU由第1式可

10、以得到：0*nnUn靜特性的靜特性的ABAB段段 (3-1) n 靜特性的水平特性由于由于ASR不飽和，不飽和，U*i U*im，從上述第二，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。Idm 一般都是大于額定一般都是大于額定電流電流 IdN 的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水水平的特性平的特性。 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 ASRASR不飽和不飽和 （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈“開環(huán)”狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(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)。此時(shí) dm*imdIUI其中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定

11、的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。(3-2) 靜特性的靜特性的BCBC段段 n 靜特性的垂直特性 式（式（3-2）所描述的靜特性是上圖中的）所描述的靜特性是上圖中的BC段，段，它是它是垂直的特性垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則，則Un U*n ，ASR將退出飽和將退出飽和狀態(tài)。狀態(tài)。 動態(tài)運(yùn)行動態(tài)運(yùn)行 ASRASR飽和飽和 3. 結(jié)論n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于雙閉環(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。要調(diào)節(jié)作用。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到

12、當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電后，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。靜差。此過程也實(shí)現(xiàn)了過電流的自動保護(hù)。此過程也實(shí)現(xiàn)了過電流的自動保護(hù)。2 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*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(3-3) (3-5) (3-4) 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓是由給定電壓U*n決定的；決定的； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，ASR的輸出量的輸出量U*i是由負(fù)載

13、電流是由負(fù)載電流 IdL 決定的（因決定的（因 ASR 的輸出是電流環(huán)的給定）；的輸出是電流環(huán)的給定）； 控制電壓控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于的大小則同時(shí)取決于 n 和和 Id，或者說，同時(shí)取決于或者說，同時(shí)取決于U*n 和和 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)的需要決定的的需要決定的?！昂竺妗毙枰狿I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 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)算與無靜差系

14、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) max*nmnUdm*imIU(3-6) (3-7) 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：nU*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；nU*im 為ASR的輸出限幅值。3.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析3.2.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)2.

15、 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 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(3.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析n對調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉(zhuǎn)速。n跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應(yīng)描述。n能否實(shí)現(xiàn)所期望的恒加速過程，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起動過程分析n電流Id從零增長到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

16、*。n起動過程分為電流上升、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)歷了進(jìn)入飽和、飽和以及退飽和三種情況。圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 電流上升恒流升速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進(jìn)入飽和ASR：飽和退飽和第階段：電流上升階段（0t1）電流從0到達(dá)最大允許值dmI。 n在t=0時(shí)，系統(tǒng)突加階躍給定信號Un*，在ASR和ACR兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的作用下， Id很快上升，在Id上升到IdL之前，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。n當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，ASR

17、輸入偏差電壓仍較大， ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而而ACR一般不飽和一般不飽和。直到Id Idm ， Ui U*im 。第階段:恒流升速階段（t1t2） Id基本保持在Idm,電動機(jī)加速到了給定值n*。 為了電流恒定，必須保證為了電流恒定，必須保證 Ud 跟隨轉(zhuǎn)速上升而上升，跟隨轉(zhuǎn)速上升而上升，因此因此ACR輸入應(yīng)保持一個(gè)輸入應(yīng)保持一個(gè)恒定偏差。使得實(shí)際電流恒定偏差。使得實(shí)際電流比給定電流固定小一個(gè)值。比給定電流固定小一個(gè)值。nASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，n電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)

18、節(jié)器的飽和值U*im，基本上保持電流Id = Idm不變，n電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機(jī)的反電動勢，它是一個(gè)線性漸增的斜坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是Id略低于Idm。 第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后） 起始時(shí)刻是n上升到了給定值n*。 nn上升到了給定值n*，Un=0。因?yàn)镮dIdm，電動機(jī)仍處于加速過程，使n超過了n* ，稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。n轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了Un0，ASR退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時(shí)，Id= Idl ，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值。n在t3t4時(shí)間內(nèi)， Id Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。n如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩的過程

19、。 n在第階段中， ASR和和ACR都不飽和都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動電流隨動子系統(tǒng)。n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個(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 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)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(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。

20、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)控制時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備物理上的允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動過程中的I、III階段，電流不能突變。 起動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。一般選擇為電動機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能最快。 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性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時(shí)，

21、只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。 2動態(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)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動性能，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n負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。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)的動態(tài)抗擾作用負(fù)載擾動（2）抗電網(wǎng)電壓擾動n電壓波動可以通過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。n在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 圖3-7 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用電

22、網(wǎng)電壓擾動1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用n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)無靜差。n對負(fù)載變化起抗擾作用。n其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。2）電流調(diào)節(jié)器的作用n在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，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。n對電網(wǎng)電壓的波動起及時(shí)抗擾的作用。n在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流。n當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(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

23、善系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。n控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。1、跟隨性能指標(biāo)n以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，n此跟隨過程的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(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)值的過渡過程就是一個(gè)抗擾過程。n常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。 圖3-

24、9 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)動態(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)校正或簡化成典典型系統(tǒng)型系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過程簡便得多。3.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法n調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計(jì)算公式簡明、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，同樣給出簡單的計(jì)算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(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)

25、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)。（1）先選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；（2）再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程：n控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成 分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在s= 0處有r重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。n1jjrm1ii)1sT(s)1s(K)s(W（3-9）n為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(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

26、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)。1典型型系統(tǒng)n作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 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。n對數(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。n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()(TssKsW（3-10）圖3-10 典型型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性n典型型系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性的幅值為 得到 (3-

27、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)） 18090arctg90arctgccTT（1）動態(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，過阻尼的單調(diào)特性；n = 1，臨界阻尼。 n過阻尼動態(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.

28、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)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (b）開環(huán)對數(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

29、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)開環(huán)頻率特性的截止頻率。111)1(1)1(/)()()(2*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli111)(sKsWIcliiIcnTK31n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：直流電動機(jī)：2

30、20V，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)：Ti=0.03s， Tm=0.18s；電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5IN）。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)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。用PI型

31、電流調(diào)節(jié)器。n檢查對電源電壓的抗擾性能： ， 參看表3-2的典型I型系統(tǒng)動態(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)開環(huán)增益：取KiTi=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)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(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

32、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0.2FkR400kRKRii52.4040013. 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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) *自學(xué)自學(xué)圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似

33、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。n系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無靜差的必要條件是：在負(fù)載擾動點(diǎn)之前必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)。n轉(zhuǎn)速開環(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)的開環(huán)傳遞函數(shù)為n令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN為 (3-62)n則 （3-63） ) 1() 1() 1()

34、 1()(2sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnnmennNTCRKK) 1() 1()(2sTssKsWnnNn圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化(c)校正后成為典型型系統(tǒng)nnhT2221nNThhKnmenRThTChK2) 1(（3-64） （3-65） （3-66） 無特殊要求時(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

35、-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)速無靜差，空載起動到額定轉(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)。 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，

36、則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： nASR的比例系數(shù)為ssKsWnnnASR) 1()(shTnn087. 00174. 05222224 .3960174. 052621sThhKnN7 .110174. 05 . 0007. 05218. 0132. 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)簡化條件 滿足簡化條件（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 .1353131onITK1s1s

37、cncn5）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 。nASR開始退飽和時(shí)，由于電動機(jī)電流Id仍大于負(fù)載電流Idl ，電動機(jī)繼續(xù)加速，直到Id I