第3章(觀摩01)轉速電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)

第3章轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)主講教師:張今朝所在單位:機電工程學院《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課堂實踐式教學改革順藤子摸瓜，順瓜摸藤子照葫蘆畫瓢，照瓢畫葫蘆3.1轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)組成及其靜特性圖3-1時間最優(yōu)的理想過渡過程難度系數★★☆☆☆3.1.1轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)組成圖3-2轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)原理圖3.1.2穩(wěn)態(tài)結構圖與參數計算（1）轉速調節(jié)器不飽和（2）轉速調節(jié)器飽和圖3-3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖難度系數★★☆☆☆《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課堂實踐式教學改革圖3-4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性二極管鉗位的外限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課堂實踐式教學改革圖3-4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課堂實踐式教學改革2各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數的計算1)當兩個調節(jié)器都不飽和的情況下2)兩個調節(jié)器都飽和《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課堂實踐式教學改革3.2轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的數學模型與動態(tài)過程分析圖3-5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課堂實踐式教學改革圖3-6雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程的轉速和電流波形第I階段電流上升階段第II階段恒流升速階段第III階段轉速調節(jié)階段雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程三個特點：1）飽和非線性控制2）轉速超調3）準時間最優(yōu)控制2.動態(tài)抗擾性能分析（1）抗負載擾動（2）抗電網電壓擾動圖3-7直流調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用（a）單閉環(huán)系統(tǒng)（b）雙閉環(huán)系統(tǒng)（a）（b）1）轉速調節(jié)器的作用2）電流調節(jié)器的作用創(chuàng)新互動與知識延伸1.在恒流起動過程中，電樞電流能否達到最大值？為什么？能否達到呢？2.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)調試時，遇到下列情況會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

（1）電流反饋極性接反；（2）轉速極性接反；創(chuàng)新互動與知識延伸3.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，給定電壓不變，增加轉速負反饋系數，系統(tǒng)穩(wěn)定后轉速反饋電壓和實際轉速是增加、減小還是不變？4.由于機械原因，造成轉軸堵死，試分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖3-6雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程的轉速和電流波形第I階段電流上升階段第II階段恒流升速階段第III階段轉速調節(jié)階段總結雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程三個特點：1）飽和非線性控制2）轉速超調3）準時間最優(yōu)控制3.3轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的設計3.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標1.跟隨性能指標±5%（或±2%）

0Otrts（1）上升時間tr（2）超調量與峰值時間tptp（3）調節(jié)時間ts圖3-8典型的階躍響應過程和跟隨性能指標2.抗擾性能指標±5%（或±2%）

O

tmtvCb（1）動態(tài)降落（2）恢復時間tv3.3.2調節(jié)器的工程設計方法R(s)C(s)調節(jié)器結構的選擇 基本思路:將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。系統(tǒng)校正控制對象

調節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出1.典型的I型系統(tǒng)（1）結構圖與傳遞函數

式中T—系統(tǒng)的慣性時間常數；

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。（3-10）K

與截止頻率c

的關系

當c

<1/T時，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：所以

K=c

（當

c

時）

(3-11)

dB/decdB/dec典型I型系統(tǒng)開環(huán)對數頻率特性

系統(tǒng)結構簡單，對數幅頻特性–20dB/dec的斜率穿越0dB線，只要參數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，當或相角穩(wěn)定裕度（1）動態(tài)跟隨性能指標（3-12）

式中n—無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；

—阻尼比，或稱衰減系數。二階系統(tǒng)的動態(tài)響應性質

<1，欠阻尼的振蕩特性，

1，過阻尼的單調特性；

=1，臨界阻尼。過阻尼動態(tài)響應較慢，一般把系統(tǒng)設計成欠阻尼，即

0<

<1過渡時間

超調量

上升時間

峰值時間

性能指標和系統(tǒng)參數之間的關系（只許查不許記）截止頻率

相角穩(wěn)定裕度《自動控制原理》補充（P70）表3-1典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系參數關系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超調量上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率c1.00%

76.3°0.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.6T

51.8°0.786/T1。當

，時，超調量為，，穩(wěn)定性和快速性都較好－－西門子把它稱為“二階最佳系統(tǒng)”；2。在工程上，根據不同的工藝要求，可以有不同的最佳參數選擇，根據要求選擇參數；3。列表的目：為參數的選擇提供了簡便的途徑，當不能滿足所需的全部性能指標時，說明典型Ⅰ型系統(tǒng)已不能適用，須采用其它控制方法。注意典型Ⅰ型系統(tǒng)已經規(guī)定了系統(tǒng)的結構，分析它的抗擾性能指標的關鍵因素是擾動作用點，某種定量的抗擾性能指標只適用于一種特定的擾動作用點。(2)動態(tài)抗擾性能指標電流環(huán)的擾動作用點：在

采用PI調節(jié)器的情況下，在擾動作用點前后各是一個一階慣性環(huán)節(jié)，其動態(tài)結構框圖為：僅考慮擾動作用R(s)=0典型I型系統(tǒng)

擾動作用下的典型I型系統(tǒng)的傳遞函數:(典型的I型系統(tǒng))

階躍擾動作用下的輸出變化量階躍擾動：輸出變化量：當P70表3-1，得到式（3-19）再用部分分式分解法27.8%16.6%9.3%6.5%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數的關系（KT=0.5,Cb=FK2/2)典型II型系統(tǒng)見N003第80頁(2-38)

(2-39)

式中為負載電流。

2）動態(tài)數學模型圖2-23轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。

由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數是

式中K=KpKs/Ce

閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖設Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數是

2.3.2比例控制的直流調速系統(tǒng)（P165）1.開環(huán)系統(tǒng)機械特性與比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)特性關系轉速降靜差率調速范圍特性對比例2-32.反饋控制規(guī)律3.比例控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定過程它的一般表達式為

根據三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數Kcr,當K

≥

Kcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于一個自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。

例題2-2~~2-5講解2.4直流調速系統(tǒng)的數字控制2.4.1微機數字控制的特殊問題2.4.2轉速檢測數字化2.3.3比例積分控制的無靜差直流調速系統(tǒng)1.積分調節(jié)器和積分控制規(guī)律積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調速。比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差的現(xiàn)狀，而積分調節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。2.比例積分控制規(guī)律比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。2.3.4直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析比例調節(jié)器開環(huán)傳遞函數為積分調節(jié)器開環(huán)傳遞函數為比例積分調節(jié)器開環(huán)傳遞函數為穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即1.階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差比例調節(jié)器誤差傳遞函數積分調節(jié)器誤差傳遞函數比例積分調節(jié)器誤差傳遞函數比例調節(jié)器穩(wěn)態(tài)誤差積分調節(jié)器穩(wěn)態(tài)誤差比例積分調節(jié)器穩(wěn)態(tài)誤差2.擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差比例調節(jié)器誤差積分調節(jié)器誤差比例積分調節(jié)器誤差比例調節(jié)器積分調節(jié)器比例積分調節(jié)器2.擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差a）利用獨立直流電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器M2.5轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)的限流保護1.電流截止負反饋環(huán)節(jié)圖2-38電流截止負反饋環(huán)節(jié)2.5.2帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的直流調速系統(tǒng)0UiId

Rs

-

Ucom圖2-40帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速穩(wěn)態(tài)結構圖2.帶電流截止負反饋比例控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖和靜特性（1）電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻KpKsRs

，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉速提高到（2-95）

一般KpKsRs>>R，因此堵轉電流3.帶電流截止的無靜差直流調速系統(tǒng)圖2-42帶電流截止的無靜差直流調速系統(tǒng)2.帶電流截止的無靜差直流調速系統(tǒng)圖2-43無靜差直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖（Id

<

Idcr）

Ks

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