第3章轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第3章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章提要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(dòng)態(tài)過程分析3.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成問題的提出采用帶PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(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。但對(duì)于要求快速起動(dòng)、制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等場合，單閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足要求。在單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(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。Id IdL =原因何在？GD2

2、 dn375Cm dt如何獲得最大加速度呢？Id nId nIdmIdcrIdmIdcrIdLIdLnn運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的理想啟動(dòng)特性在單閉環(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，但并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。難以獲得最快速的啟動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)解決思路為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(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，采用電流負(fù)反饋從理論上講應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。較理想的控制方式：啟動(dòng)過程中，希望只有電流負(fù)反饋，而沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

3、，而沒有電流負(fù)反饋。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(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。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入；電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE；6運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成兩個(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

4、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。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的兩種狀況1）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（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；即飽和的調(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)。2）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 控制器使得偏差U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零，即無靜差。進(jìn)入飽和狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性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

5、系數(shù) 電流反饋系數(shù)利用ASR的輸出限幅作用，實(shí)現(xiàn)控制策略的轉(zhuǎn)換!為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，ACR一般不運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于ASR不飽和，U*i U*im，則 Id Idm，即靜特性從理想空載狀態(tài)的Id= 0一直延續(xù)到 Id = Idm ，而Idm一般大于額定電流IdN ，這就是靜特性的運(yùn)行段（CA段）。1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和U*n =Un = n = n0Ui * =Ui = IdU*n= n0 n =Uim運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性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

6、態(tài)，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)式中，最大電流Idm由設(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。上式所描述的為靜特性AB段，它是垂直的特性。12*= IdmId =運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和注意： AB段的下垂特性只適合于n n0，則Un U*n，ASR將退出飽和狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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

7、統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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，輸入偏差為零，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，此時(shí)有：U*n =Un = n = n0Ui * =Ui = Id = IdL轉(zhuǎn)速n由給定電壓U*n決定；ASR的輸出量U*i由負(fù)載電流IdL決定；15運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算控制電壓Uc同時(shí)取決于n和IdL，或者說，同時(shí)取決于U*n和IdL 。16CeU*n/ + IdLRKs=Cen+ IdRKs=Uc =Ud0KsUim轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)U*nmnmax

8、*Idm = =給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定。17運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖18ns+1nsWASR(s) = Knis+1isWACR(s) = Kit1t2t3t4t運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程分析nn*tIdIdmIdL電流上升階段 恒流升速階段 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)

9、速系統(tǒng)啟動(dòng)過程特點(diǎn)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)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程特點(diǎn)2）轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性控制，啟動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，使ASR 的輸入偏差電壓 Un為負(fù)后，才能使ASR退出飽和；即采用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)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程特點(diǎn)3）準(zhǔn)時(shí)

10、間最優(yōu)控制啟動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，其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，使啟動(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)啟動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能分析運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能分析1）抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后；負(fù)載擾動(dòng)必然引起轉(zhuǎn)速的變化；負(fù)載擾動(dòng)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，因此，在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也是如此。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)

11、速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能分析2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)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)離被控量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。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。結(jié)論：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 25運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是雙閉環(huán)直流調(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U*n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)

12、器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差； 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用； 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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 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，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓U*i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； 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。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

13、-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)cc(t)t0trtstp超調(diào)量穩(wěn)態(tài)值允許誤差5或2%100%cmax cc% =運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。3-9 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)通常：調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，F(xiàn)tmCbtvt抗擾性能指標(biāo)CFCCCmaxO動(dòng)態(tài)降落恢復(fù)時(shí)間運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法必要性經(jīng)典校正方法設(shè)計(jì)過程復(fù)雜；且要同時(shí)滿足系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾等要求.可能性大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可由低階系統(tǒng)近似為按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工

14、程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則：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)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法工程設(shè)計(jì)方法的宗旨：簡化問題，突出主要矛盾簡化基本思路（即調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)過程）：選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)典型化，并確保系統(tǒng)穩(wěn)定和滿足穩(wěn)態(tài)精度要求；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。( s +1)(T s +1)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法Ksrmi=1n

15、j=1ij典型系統(tǒng)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為： W(s) =r 系統(tǒng)型別r = 0 0型系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)精度低；r = 1 型系統(tǒng)r = 2 型系統(tǒng)兼顧穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度r = 3 型系統(tǒng) 難以穩(wěn)定34運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)式中， T系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)Ks(Ts+1)W(s) =C(s)c1T20dB/decR(s)+L/dB120lgK0090180Ks(Ts+1)a)b)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K系統(tǒng)開環(huán)增益特點(diǎn)：只包含開環(huán)增益K 和時(shí)間常數(shù)T 兩個(gè)參數(shù)，且時(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。運(yùn)

16、動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單；中頻段斜率20dB/dec，且若中頻帶寬度足夠，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。參數(shù)選擇c 45o36 KT 1輸入信號(hào)階躍輸入R(t)=R0斜坡輸入R(t)=v0t加速度輸入2R(t)=a0t/2穩(wěn)態(tài)誤差0v0/K運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差1+s +s+= 2 n = = 1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)KT=KT1TKs(Ts +1)Ks(Ts +1)W(s)1+W(s)Wcl(s) =2二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)

17、標(biāo)準(zhǔn)形式n 2s +2ns+n 2KT1KT 2自然振蕩角頻率阻尼比運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有過阻尼的單調(diào)特性；當(dāng) = 1 時(shí)，系統(tǒng)是臨界阻尼?？紤]快速性，系統(tǒng)常設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即0 T1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)=Ks(Ts+1)K1K2s(T1s+1)K2T2s+1K1(T2s+1)s(T1s+1)W(s) =W1(s)W2(s) =令R(s) = 0F W2(s)(T2s+1)(Ts + s+ K)(T2s+1)(2T s +2Ts+1)階躍擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流

18、調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)FK2(Ts+1)2=s 1+W1(s)W2(s)C(s) =FsF(s) =2FK2T(Ts+1)2 2取KT = 0.5C(s) =C(t)L1T1Tm=T2T215110120130Cmax100%Cb27.8%16.6%9.3%6.5%tm/T2.83.43.84.0運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)取開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出值作為基準(zhǔn)值Cb，即Cb = FK2。典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)表3-2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（KT = 0.5）s (Ts+1) 21運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù) TW(

19、s) =K(s+1)2特點(diǎn)：時(shí)間常數(shù)T 往往是控制對(duì)象本身固有的，待定參數(shù)有兩個(gè)：K和。hh =中頻寬相角裕度=T = arctanc arctancT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)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 h值為關(guān)鍵參數(shù)。工程設(shè)計(jì)方法的思路：增加優(yōu)化約束引入Mr（閉環(huán)幅頻特性峰值）最小準(zhǔn)則。只需按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求確定h值，即可以代入公式計(jì)算K和 降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。按Mrmin準(zhǔn)則，得=h+122hh+1c12ch+12h2T 2K =1c = = hT輸入信號(hào)階躍輸入R(t)=R0斜坡輸入R(t)=v0t加速度輸入2R(t)=a0t/2穩(wěn)態(tài)誤

20、差00a0/K運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差T 2s2 +hTs+1輸入 R(s) = h+1T s +T s +hTs +1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)=T 3s3 +2h2h+1hTs+12h2h+1W(s)1+W(s)Wcl(s) =2 23 32h2 1s 2h2shTs+1h+1C(s) =h3456789%52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.3ts/T12

21、.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k3221111運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)表3-4 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)(按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系)注：典型型系統(tǒng)的超調(diào)量一般都比典型型系統(tǒng)大，WASR(s)RTmsWcli(s)UnIdnUn*Ui*1CeE運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)是因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)而異的。IdLPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器K1(hTs+1) K2 K1 = K pKd /11 = hT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

22、典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)=K(hTs+1)s2(Ts+1)s(Ts +1) sW(s) =W1(s)W2(s) =令R(s) = 0F W2(s)= 22h TFK2T 2(Ts +1)T 3s3 +T 2s2 +hTs+1階躍擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)FK2(Ts+1)s (Ts +1)+ K(hTs+1)s 1+W1(s)W2(s)C(s) =FsF(s) =2h2h+12h2h+12h2h+1C(s) =h+12 2K =h3456789Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%t

23、m/T2.452.702.853.003.153.253.30tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.80運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)取基準(zhǔn)值：Cb = 2FK2T表3-5 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系(按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系)注：h = 5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間ts最短運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)與典型型系統(tǒng)對(duì)比典型型系統(tǒng)和典型型系統(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：典型型系統(tǒng)的跟隨性能超調(diào)小，但抗擾性能稍差;典型型系統(tǒng)的跟隨性能超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻

24、比較好。設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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)的近似處理當(dāng)高頻段有多個(gè)小時(shí)間常數(shù)T1、T2、T3、的慣性環(huán)節(jié)時(shí)，可以等效地用一個(gè)小時(shí)間常數(shù)T 的慣性環(huán)節(jié)來代替。T = T1 + T2 + T3 + .K(T1 +T2)s+1K(T1s+1)(T2s+1)例如： W(s) =13 T1T2近似條件： c 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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K(T1 +T2 +T3)s+1K(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)若 W(s) =1 13 T1T2 +T

25、2T3 +T3T1近似條件：c c20dB/decL/dBs00dB/dec1 1T T11T240dB/decT = T1+T2as +bs +cs+1近似條件： c min(運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象的工程近似處理方法2）高階系統(tǒng)的降階近似處理實(shí)際系統(tǒng)常為高階系統(tǒng)，系統(tǒng)特征方程中存在高次項(xiàng)，工程上需降階處理。以三階系統(tǒng)為例3 2KW(s) =),13ca1b式中，a、b、c均大于0，且bc a，即系統(tǒng)穩(wěn)定。Kcs+1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象的工程近似處理方法3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理時(shí)間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)可以近似成積分環(huán)節(jié)。KTs

26、KTs +1W(s) =3近似條件： c TT1s (T2s+1)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象的工程近似處理方法3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理W(s) =T1 T2K(s+1)2K(s+1)s(T1s+1)(T2s+1)T2K2Ts+1K2s(Ts+1)K2(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)T1、T2T3K2(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)T1T2,T3調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)Kpi(1s+1)1sKisKp(1s+1)(2s+1)sKpi(1s+1)1s參數(shù)配合1=T11=T1,2=T21=T1T=T2+T3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)典型型系統(tǒng)控

27、制規(guī)律選擇校正成典型I型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇和參數(shù)配合控制對(duì)象K2s(Ts+1)K2(T1s+1)(T2s+1)T1T2K2s(T1s+1)(T2s+1)T1,T2相近K2s(T1s+1)(T2s+1)T1,T2都很小K2(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)T1T2、T3調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)Kpi(1s+1)1sKpi(1s+1)1s(1s+1)(2s+1)sKpi(1s+1)1sKpi(1s+1)1s參數(shù)配合1=hT1=hT2近似：11T1s+1T1s1=hT1(或和T2)2=T（或2T1）1=h(T1+T2)1=h(T2+T3)近似：11T1s+1T1s運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

28、典型型系統(tǒng)控制規(guī)律選擇校正成典型型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇和參數(shù)配合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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)器主要內(nèi)容：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)步驟電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟：1）先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR;2）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ASR。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)

29、步驟：1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化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)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響，令E0。1TmTl近似條件：ci 3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)1 13 TsToi近似條件：ci 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化小慣性環(huán)節(jié)近似處理其中： Ti =Ts +Toi運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇按穩(wěn)態(tài)要求：電流無靜差理想的堵轉(zhuǎn)特性典型I型系統(tǒng)按動(dòng)態(tài)要求：主要因素限制電樞電流的超調(diào)(突

30、加給定時(shí))次要因素對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)抗擾綜上所述，選用典型I型系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的控制對(duì)象Wobj(s) =Ks / R(Tls+1)(Tis+1)特點(diǎn)：雙慣性環(huán)節(jié)，且Tl Ti。校正目標(biāo)：典型型系統(tǒng)Ki(is+1)isACR結(jié)構(gòu)： WACR(s) =運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為Wopi(s) =Ks / R(Tls+1)(Tis+1)Ki(is+1)is選擇i = Tl，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去控制對(duì)象中大的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)。=KiKs / Rs(Tis+1)=KIs(Tis+1)KI+ci

31、1T i20dB/dec40dB/decL/dB0s(T is+1)a)b)Ui*(s)3-20 校正成典型型系統(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73R Tl2Ks Ti運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算在一般情況下，希望電流超調(diào)量i 5%，可選KITi = 0.5 ( = 0.707) ，則12TiKI =ci =)(=TlR2KsTiKIiRKsKi =注意：1）根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)選擇KI ；2）若對(duì)電流環(huán)抗擾性能有具體要求，需校驗(yàn)。74Ki =運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)Ui*電流給定電壓；Id電流

32、負(fù)反饋電壓；Uc電力電子變換器的控制電壓。75R0Coi14Toi =ACR電路參數(shù)RiR0i = RiCi+R02R02RiCi+RbalR02CoiR02CoiAUi*Id運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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)分為以下幾個(gè)步驟：1）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)2）轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇4）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算5）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)Ui (s)/s+1KITi 2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)化簡電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：=s+11KI1s +KIKIs(Tis+1)1+s(Tis+

33、1)Wcli(s) =Id(s)*11KI1 KI3 Ti近似條件：cn s+1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)=Id(s)Ui*(s)1/1KIWcli(s)原來是雙慣性環(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)1/KI的一階慣性環(huán)節(jié)。物理意義:電流環(huán)的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用。局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能78運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化ASRRCeTms1/(1/KI)s+1Id(s)n(s)Un *(s)Tons+1小慣性環(huán)節(jié)的近似處理及等效成單位反饋系統(tǒng)Tons+1Ui * (s)I

34、dL(s)電流環(huán)+Ton=Tn1KIKn( ns+1) ns運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇PI調(diào)節(jié)器按穩(wěn)態(tài)要求：轉(zhuǎn)速無靜差在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)之前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)典型型系統(tǒng)ASR結(jié)構(gòu)： WASR(s) =運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇=Wn(s) =KnR( ns+1)nCeTms2(Tns+1)R/CeTms(Tns+1)Kn( ns+1)nsASR轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為Wobj(s)=KN (ns+1)s2(Tns+1)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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)

35、的參數(shù)關(guān)系，得n = hTnh+12h2T 2nKN =Kn =(h+1)CeTm2hRTn根據(jù)動(dòng)態(tài)性能要求選擇中頻寬 h。若無特殊要求時(shí)，一般可選h = 5。82Kn =Un運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)Un*轉(zhuǎn)速給定電壓；n轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓；Ui*調(diào)節(jié)器的輸出為ACR的給定電壓。83TonR0Con14=n = RnCnASR電路參數(shù)RnR0+R02R02RnCnRbalConR02ConR02A*nn (Idm IdL)t2 CeTmn* 2h KnUnTn(Idm IdL)R h+1 Uim IdL+TonKI運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算 t0, t2 ，ASR飽和非線性，轉(zhuǎn)速開環(huán)；t = t2，n = n* ，Id Idm。n Id*IdmIdLOt0t2nmaxdn Rdt CeTm* ( )Kn =Tn =(h+1)CeTm2hRTn184n運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-轉(zhuǎn)速電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算t =