傳動(dòng)教材第2章轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

1、第2章轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性采用pi調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(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，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因?yàn)樵?單閉環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流 的，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，圖2-1a）。在起動(dòng)過程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn) 行。這樣的理想起動(dòng)過程波形示于圖2-1b。為了實(shí)現(xiàn)

2、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。應(yīng)該在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，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。2.1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成系統(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， 如圖2-2所示。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)。圖2-2

3、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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)TA電流互感器UPE電力電子變換器轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，圖2-3。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Um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U cm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓U dm 。+圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理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，如圖2-4。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào) 節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因

4、此，對(duì)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。IdU*nASR U*iUi ACR Uc UPE一匕匚 興RUd0 +-IdR1/CeUn圖2-4(a)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(ASR未飽和)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)一電流反饋系數(shù)1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和* *穩(wěn)態(tài)時(shí)，Un Un n n0、Uj Uj Id，,轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。*n 乙 no，圖2-5靜特性的CA段。I d I dm，CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的I d 0一直延續(xù)到Id I dm，而I dm 般都是大于額定電流IdN的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是 水平的特性。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)到限幅值um，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，成

5、電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。*U.穩(wěn)態(tài)時(shí)Id 工 Idm， Idm為最大電流。靜特性是圖 2-5中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n0的情況，因?yàn)槿绻?n n0，則Un U；, ASR將退出飽和 狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 | dm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，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時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 Uj；，這時(shí)，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，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。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)算當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，U n U n n n0、U* Uj Id ldL、U cKsKsKs轉(zhuǎn)

6、速n由給定電壓Un決定的，ASR的輸出量Ui是由負(fù)載電流IdL決定的，而控制電壓Uc的大小則同時(shí)取決于n和I d，或者說，同時(shí)取決于U n和I dL。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)如，電流反饋系數(shù)nmaxUim。I dm2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析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)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-6所示。圖中WASr(S)和Wacr(S)分別表示+八_UnWasr(s*Wacr (s)Ks-HJUd01/RR1/Cer

7、-uJTss+1Ti s+1+T mSEUi轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖2-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.2.2起動(dòng)過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于圖2-7。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I 、 II 、 IIIASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè) 三個(gè)階段。圖2-7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速第I階段（Oti ）是電流上升階段。突加給定電壓U：后，Uc、Udo、Id都上升， 在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id IdL后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī) 電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增

8、長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓Un U； Un的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U m，強(qiáng)迫電流I d迅速上升。直到Id Idm , Ui U m， 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，ASR很快進(jìn)入 并保持飽和狀態(tài)，而 ACR不飽和。第II階段（ti t2 ）是恒流升速階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給 定U m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。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢E也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長，

9、才能保持ld恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓Uj Um Uj必須第川階段（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 n* no時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值UiJn，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)， 開始退出飽和狀態(tài)，U；和ld很快下降。但是，只要ld仍大于負(fù)載 電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到I d =l dL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te Tl，則dn/dt=O，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰 值（t t3時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在t3 t4時(shí)間內(nèi)，Id IdL，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠

10、好，也會(huì)有一段振蕩過程。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；。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)：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。2.2.3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、抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。KsASRACRTsS+1JdO1/RTl s+1TmS1/CeUnUi圖27抗負(fù)載擾動(dòng)2、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓

11、變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用，圖2-8。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)。圖2-8抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)2.2.4轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用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Un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. 電流調(diào)節(jié)器的作用(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給 定電壓U* (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

12、) 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。(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。2.3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法必要性：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?？赡苄裕弘娏ν蟿?dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可由低階系統(tǒng)近似，事先研究低階典型系統(tǒng)的特性，將 實(shí)際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。建立調(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

13、；(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)。2.3.1工程設(shè)計(jì)方法的基本思路調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(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。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.3.2典型系統(tǒng)mK ( jS 1)j 1控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示W(wǎng)(s)一rs(TiS 1)i 1分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，根據(jù)r 0,1,2,等不同數(shù)值，

14、分別稱作0型、I型、n型、系統(tǒng)。0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而川型和川型以上的系統(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，多用I型和II型系統(tǒng)。1、典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 w(s),T 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù);s(Ts 1)K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖2-9a，圖2-9b表示它的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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，且有足夠的穩(wěn)定裕量。1當(dāng)c或cT 1時(shí)，arctg cT 450，相角穩(wěn)定裕度2、典型n型系統(tǒng)典型n型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 W(s) 肇s

15、0，閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特 s (Ts 1)圖2 -10典型n型系統(tǒng)開環(huán)頻率特性1 1當(dāng)一 c 或 T時(shí)，相角穩(wěn)定裕度T180180 arctg c arctg cTarctg c arctg cT比T大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。2.3.3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)。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。1、跟隨性能指標(biāo)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2-11。trc（t）ctst圖2- 11動(dòng)態(tài)響應(yīng)2、抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)穩(wěn)定

16、運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量F以后,輸出量由降低到恢復(fù)的過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，如圖2-12所示。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2- 12典型的抗擾過程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)的開環(huán)傳遞函數(shù)包含兩個(gè)參數(shù)：開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T。其中，時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(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,也就是說，K是唯一的待定參數(shù)。一 一 1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，當(dāng)c 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20lgK 20(lg c lg1)

17、20lg c,所以 Kc (當(dāng) c時(shí))。K越大,截止頻率也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度90° arctg J越小，這也說明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。t-JBUtah dec圖2- 13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)不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差：在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無差的，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。表2-1 I型系統(tǒng)在不同的典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差階躍輸入斜坡輸入加速度輸入輸入信號(hào)a0t2R(t)R(t)R0R(t) V0t2穩(wěn)態(tài)誤差0V0/K(2

18、)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為Wci (s)C(s)R(s)2ns22 nSn無阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率； 一阻尼比，或稱衰減系數(shù)。參數(shù)K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)之間的換算關(guān)系如下n2鳥口1且 n。當(dāng)1時(shí)，欠阻尼的振蕩特性，當(dāng)1時(shí)，過阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)12T時(shí)，是臨界阻尼。由于過阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，一般把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即01。典型I型系統(tǒng)中，KT 1，得 0.5，因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取0.51。欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo):超調(diào)量：/ / 1)2 T% e (100%，上升時(shí)間：tr ( arccos ),出2o

19、峰值時(shí)間：tp2參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量%0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間tr6.6 T4.7 T3.3 T2.4 T峰值時(shí)間tp8.3 T6.2 T4.7 T3.6 T相角穩(wěn)定裕度76.3 °69.9 °65.5 °59.2 °51.8 °截止頻率 c0.243/ T0.367/ T0.455/ T0.596/ T0.786/ T表2-2 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系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)量F作用下

20、的典型I型系統(tǒng)，其中，W,(s)是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的K傳遞函數(shù)，后面部分是 W2(s)，于是 W1 (s)W2(s) W(s)。只討論抗擾性能時(shí),s(Ts 1)可令輸入變量 R 0，這時(shí)輸出變量可寫成C。將擾動(dòng)作用F(s)前移到輸入作用點(diǎn)上,即得圖2-14b所示的等效結(jié)構(gòu)圖。R(S 0C(s) C(s)a)WiW2(s)b)N(s)I典型I型系統(tǒng)F(s)W(s)圖 2 141W7D在擾動(dòng)作用下輸出變化量C的象函數(shù)為C(s) F(s) W(s)Wi(s) 1 W(s)，若、W2(s)K2, W,s)W2(s) W(s)，屬典型 I 型系統(tǒng)。T2s 1在階躍擾動(dòng)F（s） F下,sC(s)FW2(

21、s)s 1 W,(s)W2(s)FK2T2S 1K,K2Ts 1FK2(Ts 1)仃 2s 1)(Ts2 s K)當(dāng) KT 0.5，貝U C(s)2FK2T(Ts 1)22仃2s 1)(2T s 2Ts 1)階躍擾動(dòng)后輸出變化量的動(dòng)態(tài)過程函數(shù),2FK2mC(t) 22(1 m)e t/T2(1 m)e t/2T2m2 2m 1tcos2Tme t/2T sin 2T式中m *1控制對(duì)象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù)的比值。輸出量的最大動(dòng)態(tài)降落Cmax用基準(zhǔn)值Cb的百分?jǐn)?shù)表示，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tm用時(shí)間常數(shù)T的倍數(shù)表示，允許誤差帶為土 5%Cb時(shí)的恢復(fù)時(shí)間tv也用T的倍數(shù)表示。為了使 Cmax/51和tv

22、 /T的數(shù)值都落在合理范圍內(nèi)，將基準(zhǔn)值Cb取為CbFK 2。2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）T1T1111m 一 一T2T25102030C咚 100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4由表2-3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。2.3.5典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型II型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中時(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。令

23、h2， h是斜率為-20dB/dec的中頻段的寬度 （對(duì)T 1數(shù)坐標(biāo)），稱作“中頻寬”，圖2-16典型n型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬。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兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合,2 2h確定了 h和c之后，貝UhT，K i ch 12h2T21 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)典型n型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差表2-5n型系統(tǒng)在不同的典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)階躍輸入R(t)R。斜坡輸入R(t)Vot加速度輸入R(t)埜2穩(wěn)態(tài)誤差00a。/ K在階躍輸入和斜坡輸入下，n型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)都是無差的

24、，在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與開環(huán)增益 K成反比。(2) 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)當(dāng)h取不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)函數(shù) C(t/T),從而計(jì)算出% tr /T、ts /T和振蕩次數(shù)k。采用數(shù)字仿真計(jì)算的結(jié)果列于表2-6中。表2-6 典型n型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)(按M rmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系)h345678910%52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111K22、典型n型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和

25、參數(shù)的關(guān)系典型n型系統(tǒng)抗擾結(jié)構(gòu)圖2-17a, W1(s)K1(hTS °、W2(s)s(Ts 1)W,(s)W2(s)2sK(hTs 1) W(s)，屬典型n型系統(tǒng)。(Ts 1)在階躍擾動(dòng)下,F(s) F/s,FK2T2(Ts 1)C(s) 亠 -2h 3 3 2h 2 2.T sT s hTs 1h 1h 1取輸出量基準(zhǔn)值為Cb 2FK2T 。表2-7 典型n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2-17所示，參數(shù)關(guān)系符合Mrmin準(zhǔn)則)h345678910C max /Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/

26、T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85一般來說，h值越小，Cmax / Cb也越小，tm和tv都短，因而抗擾性能越好，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反而拖長了。由此可見，h 5是較好的選擇。典型I型系統(tǒng)和典型n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，一般來說，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，而典型n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)。2.3.6調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理一一

27、非典型系統(tǒng)的典型化1、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇確定了要采用哪一種典型系統(tǒng)之后，選擇調(diào)節(jié)器的方法就是把控制對(duì)象與調(diào)節(jié)器的傳遞 函數(shù)相乘，匹配成典型系統(tǒng)。表2-8校正成典型I型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇和參數(shù)配合控制 對(duì)象K2K2K2k2k2(s 1曲 1)T1T2Ts 1s(Ts 1)(T1S 1)(T2s 1)(T3s 1)T1、T2T3(T1S 1)(ls 1)(Tas1)T1T2、T3調(diào)節(jié)器Kpi( 1S1)KiKp(1s 1)( 21)Kpi( 1S 1)1Sss1S參數(shù)配合1T11 T1 , 2 T21T1 >TT2T3表2-9校正成典型II型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇和參數(shù)配合控制 對(duì)象K2K2k2k2K

28、2s(Ts 1)(T1S 1)(T2s 1)T1t2s(T1S 1)(T2s 1)t1,t2相近s(Ts 1)(T2s 1)t1,t2都很小(T1S 1)(T2s 1)任 s 1)T1T2、T3調(diào)節(jié)器Kpi( 1s 1)Kpi( 1s 1)(1S 1)( 21)Kp( 1s 1)Kp( 1s 1)1S1Ss1S1S參數(shù)配合1 hT1 hT 2認(rèn)為：1 11 hT12 hT21h(T1 T2)1 h(T2 T3)認(rèn)為：1 1T&1T1ST1S1T1S2、傳遞函數(shù)的近似處理(1 )高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 W(s)K(s 1)s(s 1)(T2s 1)(T31)，T2

29、和T3是小時(shí)間常數(shù)，近似為1(T?s 1)(T3S 1)(TtE '近似的條件是13 T2T3(2)高階系統(tǒng)的降階近似處理忽略特征方程的高次項(xiàng)。以三階系統(tǒng)為例， W(s)3asKbs2CTl，其中a，b，c都一個(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)Ts 1丄，近似Ts是正系數(shù)，且be a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為KW(s)，近似條件es 1(3) 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理?xiàng)l件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)器用工程設(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，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。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)

30、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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-22，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)。電流環(huán)U圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1、電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的化簡轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變，即E 0。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 3型，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)(圖2-23b )°Ts和Toi 一般都比Ti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)

31、間常數(shù)為T i Ts Toi，則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-23C。2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用 PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞K, iS 1)函數(shù)可以寫成 Wacr(S) 1，Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超iS前時(shí)間常數(shù)。3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算調(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i Tl，則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖Ki K便成為圖2-24a所示的典型形式，其中KI !，圖2-24b校正后電流環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)iR幅頻特性。希望電流超調(diào)量i%5%，可選=0.707， KiT i0.5，Kci2T iR即 Ki 2Ks T i 2kT()

32、OTiRTi4、電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖示于圖2-25。圖中Uj為電流給定電壓，I d為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓Uc。R可以導(dǎo)出KiRiRoiRC、1Toi R0C oi。42.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)Wcii (S)1、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)KiWcii (s)Id(s)s(T iS 1)Ui (s)/1s(Tis 1)1t i 2 rssKiKi忽略高次項(xiàng)，Wcli (s)可降階近似為Wcii (s)1廠sKi-,近似條件1cnoId(s)電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效

33、為Ui (s)Wcii (s)o丄s 1Ki原來是雙慣性環(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1常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。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Ki作用，這是局部閉環(huán)(內(nèi)環(huán))控制的一個(gè)重要功能。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-26a所示，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),* 1同時(shí)將給定信號(hào)改成 Un(S)/ ，再把時(shí)間常數(shù)為和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近K i2-26b。1似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 T n的慣性環(huán)節(jié)，T n Ton，轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡化成圖K|為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差， 在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積

34、分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型n型系統(tǒng)。ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器Wasr(S)Kn( nS 1)Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);nS轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為按照典型n型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系,n hT n、K nh 12h2T2,因此,nKn(h 1) CeTm2h RT n '般以選擇h 5。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為KnRnR0n Rn C n、TonR0Con。4Kn(nS 1)Kn R( nS 1)Kn ( nS1)nSCeTmS(T nS 1)n CeTmS2 (T nS 1)S2(T nS1)開環(huán)增益KN ,Knn，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖2-26c。nCeTm3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算2.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算突加給定電壓后，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n時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓變成負(fù)值，ASR退出飽和，因此在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速必