電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)第3章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-

1、2022-4-221第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2022-4-222內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要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(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 2022-4-2233.1 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 本節(jié)提要本節(jié)提要n3.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成n3.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算20

2、22-4-224簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)第2章內(nèi)容 2022-4-225 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)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）動(dòng)態(tài)過程。2022-4-226n 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程n如圖所示：起動(dòng)電流突破Idcr以后，受電流負(fù)反饋的作用，只能再升高一點(diǎn)達(dá)到最大值 Idm 后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長(zhǎng)。 IdLntIdOIdmIdcr圖 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)n

3、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性： 僅考慮了靜態(tài)性能，沒考慮動(dòng)態(tài)性能，在系統(tǒng)快速性要求較高的場(chǎng)合，僅考慮靜態(tài)性能是不夠的。2022-4-227n問題的提出n對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。n在起動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。n當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。2022-4-228起動(dòng)電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。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)（制動(dòng)）過程。 圖3-1 時(shí)間最優(yōu)的理想過渡過程n 理想的

4、起動(dòng)過程2022-4-2293.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制 直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：n起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；n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)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？2022-4-22103.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制 直流調(diào)速系統(tǒng)的組成實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法n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，n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。n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

5、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)）。2022-4-22113.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制 直流調(diào)速系統(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(cè)速發(fā)電機(jī) 2022-4-22123.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算 本節(jié)提要本節(jié)提要n1. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性n2. 穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算2022-4-2213 1. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性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 n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

6、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，相當(dāng)于調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 n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。n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，電流調(diào)節(jié)器不進(jìn)入飽和狀態(tài) 。2022-4-2214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)n 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2022-4-2215（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和n兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。n diinnIUUnnUU*0*dmdII0*nUnn(3-1) 2022-4-2216（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和nASR輸出達(dá)到限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速

7、的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。n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)。穩(wěn)態(tài)時(shí) (3-2)dmimdIUI*2022-4-2217n 靜特性nAB段是兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)的靜特性，IdIdm, n=n0。nBC段是ASR調(diào)節(jié)器飽和時(shí)的靜特性，Id=Idm, nn0。圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2022-4-2218n 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用n在負(fù)載電流小于Idm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。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*im，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)。2022-4-2219n采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外

8、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。n當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時(shí)，Id=Idm，若負(fù)載電流減小，Idn0，nIdm，電動(dòng)機(jī)仍處于加速過程，使n超過了n* ，稱之為起動(dòng)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(huì)有一段振蕩的過程。 n在第階段中， ASR和ACR都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。2022-4-2237n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)

9、： （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 2022-4-2238（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(dòng)系統(tǒng)。2022-4-2239（2）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于ASR采用了飽和非線性控制，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)。2022-4-2240（3）準(zhǔn)時(shí)間

10、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。2022-4-22412動(dòng)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(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)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)。 2022-4-2242（1）抗負(fù)載擾動(dòng)n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來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。n在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求有較

11、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)2022-4-2243（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)n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)，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(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)2022-4-22441. 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(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。n其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。2022-4-22452. 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（

12、即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。n對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。n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。n當(dāng)電動(dòng)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。2022-4-22463.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本節(jié)提要本節(jié)提要n3.3.1 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)n3.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法n3.3.3 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2022-4-22473.3.1 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)n在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。n控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括：u對(duì)給定輸入信號(hào)

13、的跟隨性能指標(biāo)u對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)2022-4-22481、跟隨性能指標(biāo)n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。n通常以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)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(dòng)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。 2022-4-2249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 2022-4-2250n跟隨性能指標(biāo)：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：

14、反映系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性%100maxCCC2022-4-22512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(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(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。2022-4-2252圖3-9 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)降落 恢復(fù)時(shí)間 2022-4-2253 抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。n抗擾性能指標(biāo)： 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。2022-4-22543.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法n

15、工程設(shè)計(jì)方法工程設(shè)計(jì)方法： 在設(shè)計(jì)時(shí)，把實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)典型系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便得多。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(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)。n如果要求更精確的動(dòng)態(tài)性能，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)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)。2022-4-2255 n工程設(shè)計(jì)方法的基本思路工程設(shè)計(jì)方法的基

16、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。2022-4-2256n控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成（3-9） 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)。n為了使系統(tǒng)對(duì)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)。n1jjrm

17、1ii)1sT(s)1s(K)s(W2022-4-22571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 （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。n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。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(duì)象本身固有的，唯一可變的只有開環(huán)增益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()(TssKsW2022-4-2258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(duì)數(shù)頻率特性2022-4-2259n典

18、型型系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性的幅值為 得到 (3-11)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?？焖傩耘c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)） 18090arctg90arctgccTT2022-4-2260（1）動(dòng)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(dòng)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

19、去控制對(duì)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 =0.707， KI Ti =0.5，則 ) 1() 1(/)(sTsKsTsRKKsWiIiisiopi（3-50） iciITK21)(22ilsisliTTKRTKRTK(3-52) (3-51) 2022-4-22101圖3-20 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 n 校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性2022-4-22102n 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lmciTT13sciT31oisciTT1312

20、022-4-22103n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) 2022-4-22104n 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)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*sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIid

21、cli111)(sKsWIcliiIcnTK312022-4-22105n 電流環(huán)等效傳遞函數(shù)n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(duì)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電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的電流的閉環(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。要功能。111)()()(*sKsWsUsIIcliid2022-4-22106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(dòng)機(jī)：220V，136A，

22、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%i2022-4-22107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

23、PI型電流調(diào)節(jié)器。n檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ， 參看表3-2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。11. 80037. 003. 0ilTT2022-4-221083）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 .135siIiKRKK2022-4-221094）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(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流

24、環(huán)動(dòng)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件 1 .1960017. 03131sT1s1s1s 82.4003. 018. 01313lmTT 8 .180002. 00017. 0131131oisTTcicici2022-4-221105）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. 04463002022-4-221112轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(a)用等效環(huán)

25、節(jié)代替電流環(huán) 2022-4-22112圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理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(hào)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 系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理2022-4-22113n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇n轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對(duì)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(dòng)。n系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無靜差的必要條件是：在負(fù)載擾動(dòng)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()

26、(（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)。 2022-4-22114n 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(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()1()(2sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnnmennNTCRKK) 1() 1()(2sTssKsWnnNn2022-4-22115圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(c)校正后成為典型型系統(tǒng)n 校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2022-4-22116n 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

27、的條件 iIcnTK31onIcnTK312022-4-22117n 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。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(3-29) nn hT（ 3-64 ） 2n2N21ThhKnmen2) 1(RThTChK再由式（3-30） （3-65） （3-66） 因此 2022-4-22118n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。 無特殊要求時(shí)，一般可選擇 5h2022-4-22119n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3-2

28、3 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器0RRKnnnnnCRononCRT0412022-4-22120例題3-2 n在例題3-1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(dòng)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。2022-4-22121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(cè)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.

29、 00037. 0221sTKTonIn0174. 001. 00074. 012022-4-221222）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，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(nmenRThTChK2022-4-221234）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(jiǎn)化條件 滿足簡(jiǎn)化條件（2）轉(zhuǎn)速

30、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 .1353131onITK1s1scncn2022-4-221245）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

31、. 010470087. 063FFRTConon1101104001. 0446302022-4-221253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(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。n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)”。2022-4-22126n假定調(diào)速系統(tǒng)原來是在Idm的條件下運(yùn)行于轉(zhuǎn)速n*，n在點(diǎn)O 突然將負(fù)載由Idm降到

32、Idl ，轉(zhuǎn)速會(huì)在突減負(fù)載的情況下，產(chǎn)生一個(gè)速升與恢復(fù)的過程，n突減負(fù)載的速升過程與退飽和超調(diào)過程是完全相同的。 2022-4-22127圖3-24 ASR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)過程參見抗擾過程2022-4-22128圖3-25 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(a)以轉(zhuǎn)速n為輸出量 只考慮穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*以上的超調(diào)部分，n=n-n*，坐標(biāo)原點(diǎn)移到O點(diǎn)， 2022-4-22129圖3-25 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(b）以轉(zhuǎn)速超調(diào)值為輸出量初始條件則轉(zhuǎn)化為dmdIIn)0(, 0)0(2022-4-22130n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，得圖 (c)，圖中

33、Id和IdL的+、- 號(hào)都作了相應(yīng)的變化。n圖 (c)和討論典型II型系統(tǒng)抗擾過程所用的圖3-15b完全相同?？梢岳帽?-5給出的典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)來計(jì)算退飽和超調(diào)量， 圖3-25 調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(c) 圖(b)的等效變換2022-4-22131n在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中， C的基準(zhǔn)值是 (3-35)nn的基準(zhǔn)值是(3-70)TFKCb22nmeTTTCRK2dLdmIIFmedLdmnbTCIIRTn)(22022-4-22132n作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n*，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 mnNbbbnTTnnzCCnnCC

34、*max*max)%)(2%)(% 電動(dòng)機(jī)允許的過載倍數(shù)， z負(fù)載系數(shù)， (3-72)dNdmIIdNdLzIImnNbTTnzn)(2(3-71)edNNCRIn2022-4-22133例題3-3 試按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法計(jì)算例題3-2中調(diào)速系統(tǒng)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，并校驗(yàn)它是否滿足設(shè)計(jì)要求。n解解 當(dāng)h=5時(shí)，由表2-7查得 mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)%)(2%)(%2 .81/maxbCC%10%31. 818. 00174. 01460132. 05 . 01365 . 1%2 .8122022-4-22134從例題3-1，3-2，3-3的計(jì)算結(jié)果來看，有三個(gè)問題是值得注意的。（1）轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)。n 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n%的百分?jǐn)?shù)都是一樣的。n 按照退飽和過程計(jì)算超調(diào)量，其具體數(shù)值與n*有關(guān) （2）反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響 。n反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響對(duì)于電流環(huán)來說是可以忽略的。n對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)來說，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，不考慮它并無大礙。 2022-4-22135（3）內(nèi)、外環(huán)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較n外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按