第3章--轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng).ppt

1、第3章,轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng),電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),內(nèi) 容 提 要,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 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 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 MATLAB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,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,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(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。 在起動(dòng)（或制動(dòng)）過(guò)渡過(guò)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。 當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來(lái)，使電磁轉(zhuǎn)矩與

2、負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。,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(guò)程。,圖3-1 時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)程,3.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成,應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(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。 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， 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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控

3、制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。,3.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計(jì)算,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),1. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓， 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； 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。 對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，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) 。,圖3-3 雙閉環(huán)

4、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),（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和,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。,(3-1),（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和,ASR輸出達(dá)到限幅值時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。 雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) (3-2),AB段是兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)的靜特性，IdIdm, n=n0。 BC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,在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)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)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*i

5、m，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(wú)靜差。 采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時(shí)，Id=Idm，若負(fù)載電流減小，Idn0，n0，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和。,2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，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 (3-3) (3-4) (3-5),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) (3-6) 電流反饋系數(shù) (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。,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(guò)程分析,3.2.1 轉(zhuǎn)速、電

6、流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,3.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析,對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對(duì)象是轉(zhuǎn)速。 跟隨性能可以用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述。 能否實(shí)現(xiàn)所期望的恒加速過(guò)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(dòng)過(guò)程分析,電流Id從零增長(zhǎng)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。 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*。 起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個(gè)階段中經(jīng)歷了

7、不飽和、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(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形,第階段：電流上升階段（0t1）,電流從0到達(dá)最大允許值,。,在t=0時(shí)，系統(tǒng)突加階躍給定信號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。 當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，ASR輸入偏差電壓仍較大， ASR很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而ACR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(dòng)機(jī)加速到了給定值n*。,ASR調(diào)節(jié)器始終保

8、持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開(kāi)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， 電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)節(jié)器的飽和值U*im，基本上保持電流Id = Idm不變， 電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動(dòng)是電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，它是一個(gè)線性漸增的斜坡擾動(dòng)量，系統(tǒng)做不到無(wú)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*。,n上升到了給定值n*，Un=0。因?yàn)镮dIdm，電動(dòng)機(jī)仍處于加速過(guò)程，使n超過(guò)了n* ，稱之為起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。 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。 在t3

9、t4時(shí)間內(nèi)， Id Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。 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(guò)程。 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)。,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)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,2動(dòng)態(tài)抗擾性能分析,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。 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， 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(dòng),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(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。 在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求有較好的

10、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),（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng),電壓波動(dòng)可以通過(guò)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。 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),1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用,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(wú)靜差。 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。,2. 電流調(diào)節(jié)器的作用,在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)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。 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作

11、用。 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)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。,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(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 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。 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)。,1、跟隨性能指標(biāo),以輸出量的初始值為零，給定信號(hào)階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程作為典型的跟隨過(guò)程， 此跟隨過(guò)程的輸出量動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。 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(guò)

12、程和跟隨性能指標(biāo),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),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(guò)渡過(guò)程就是一個(gè)抗擾過(guò)程。 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3-9 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo),動(dòng)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,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)化成典型系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便得多。 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(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

13、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)。 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)。,控制系統(tǒng)的開(kāi)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(shuō)，系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。 為了使系統(tǒng)對(duì)階躍給定無(wú)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(wú)差。 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 =

14、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)。,1典型型系統(tǒng),作為典型的I型系統(tǒng)，其開(kāi)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(kāi)環(huán)增益。 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。 只包含開(kāi)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(kāi)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。,圖3-10典型型系統(tǒng) (a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性,典型型系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性的幅值為 得到 (3-11)

15、 相角裕度為 K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。 在選擇參數(shù) K時(shí)，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。,（當(dāng),時(shí)）,（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo),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。 1，欠阻尼的振蕩特性， 1，過(guò)阻尼的單調(diào)特性； = 1，臨界阻尼。 過(guò)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 1。,超調(diào)量 （3-13） 上升時(shí)間 （3-14） 峰值時(shí)間 （3-15） 當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間在 、誤差帶為 的條件下可近似計(jì)算得 （3-16） 截止頻率（按準(zhǔn)確關(guān)系計(jì)算） （3-17） 相角穩(wěn)定裕度 （3-18）,

16、表3-1 典型型系統(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）動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo),影響到參數(shù)K的選擇的第二個(gè)因素是它和抗擾性能指標(biāo)之間的關(guān)系， 典型型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析它的抗擾性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是擾動(dòng)作用點(diǎn)， 某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動(dòng)作用點(diǎn)。,圖3-11 電流環(huán)的在電壓擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,電壓擾動(dòng)作用點(diǎn)前后各有一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)， 采用PI調(diào)節(jié)器,在只討論抗擾性能時(shí)，令輸入變量R=0， 將輸出量寫(xiě)成C,圖3-12 電流環(huán)校正成一類典型型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (a)一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu) (b)等效結(jié)構(gòu)圖,在階躍擾動(dòng)下， ，得到 在選定KT=0.5時(shí)

17、， （3-19） 階躍擾動(dòng)后輸出變化量的動(dòng)態(tài)過(guò)程函數(shù)為 （3-20） 式中 為控制對(duì)象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù) 的比值。取不同m值，可計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線。,在計(jì)算抗擾性能指標(biāo)時(shí)，為了方便起見(jiàn)，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5%Cb時(shí)的恢復(fù)時(shí)間tv也用T的倍數(shù)表示。 取開(kāi)環(huán)系統(tǒng)輸出值作為基準(zhǔn)值，即 Cb=Fk2 (3-21),表3-2 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,2.典型型系統(tǒng),典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)表示為 （3-22） 典型II型系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T也是控制對(duì)象固有的，而待定的參數(shù)有兩個(gè)： K 和

18、 。 定義中頻寬： (3-23) 中頻寬表示了斜率為20dB/sec的中頻的寬度，是一個(gè)與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。,圖3-13典型型系統(tǒng) (a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性,(3-24) 改變K相當(dāng)于使開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性上下平移，此特性與閉環(huán)系統(tǒng)的快速性有關(guān)。 系統(tǒng)相角穩(wěn)定裕度為 比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就越大。,采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。 (3-25) (3-26) 在確定了h之后，可求得 (3-29) (3-30),（1）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo),按Mr最小準(zhǔn)則選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 當(dāng)

19、R(t)為單位階躍函數(shù)時(shí)， ，則,(3-31),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),以h=5的動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。,圖3-14 轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù),（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo),圖3-15 典型型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (a)一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu),在擾動(dòng)作用點(diǎn)前后各有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，用 作為一個(gè)擾動(dòng)作用點(diǎn)之前的控制對(duì)象，,取 ， 于是（3-33） （3-32）,圖3-15 典型型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,等效框圖,在階躍擾動(dòng)下， ,按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系,（3-34）,Cb = 2FK2T （3

20、-35）,取2T時(shí)間內(nèi)的累加值作為基準(zhǔn)值,（控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖3-15所示，參數(shù)關(guān)系符合 準(zhǔn)則）,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,由表3-5中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)， 值越小， 也越小， 都短，因而抗擾性能越好。 但是，當(dāng) 時(shí)，由于振蕩次數(shù)的增加， 再小，恢復(fù)時(shí)間 反而拖長(zhǎng)了。 是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間 最短的條件是一致的（見(jiàn)表3-4）。,典型I型系統(tǒng)和典型型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上有區(qū)別。 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。 典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。 這些是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。,3.控制對(duì)象的工程近似處理方法,（1）高頻段

21、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 的小慣性環(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(lái)代替。其等效時(shí)間常數(shù)為T(mén)=T1+T2+T3 + 考察一個(gè)有2個(gè)高頻段小慣性環(huán)節(jié)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù) 其中T1、T2為小時(shí)間常數(shù)。它的頻率特性為 （3-36） 近似處理后的近似傳遞函數(shù) ，其中T=T1+T2，它的頻率特性為 （3-37）,圖3-16高頻段小慣性群近似處理對(duì)頻率特性的影響,T=T1+T2,近似相等的條件是 。 在工程計(jì)算中，一般允許有10%以內(nèi)的誤差， 近似條件可寫(xiě)成 (3-38) 有三個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其近似處理的表達(dá)式是 (3-39) 近似的條件為 (3-40),（2）

22、高階系統(tǒng)的降階近似處理,三階系統(tǒng) a，b，c都是正數(shù)，且bc a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 降階處理：忽略高次項(xiàng)，得近似的一階系統(tǒng) 近似條件,(3-41),(3-42),(3-43),（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理,當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(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)。 大慣性環(huán)節(jié)的頻率特性為 近似成積分環(huán)節(jié)，其幅值應(yīng)近似為 近似條件是：,(3-44),圖3-17 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響,這種近似處理只適用于分析動(dòng)態(tài)性能,在低頻段，把特性a近似地看成特性b。,3.3.3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,用工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控

23、制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。 先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開(kāi)始，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)， 再按照控制對(duì)象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。,Toi電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)； Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù),圖3-18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì),反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。 轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考

24、慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響， 。 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是 (3-45) 式中ci電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。,圖3-19 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) (a)忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響,把給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號(hào)改成 ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。,圖3-19 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) (b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng),Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi,(3-46),簡(jiǎn)化的近似條件為,(3-47),圖3-19 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) (c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理,典型系統(tǒng)的選擇：

25、采用 I 型系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器選擇：PI型的電流調(diào)節(jié)器，,（3-48）,Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。,電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),（3-49）,因?yàn)?TiTi，選擇i= Ti ，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)， 希望電流超調(diào)量i 5%，選 =0.707， KI Ti =0.5，則,（3-50）,(3-52),(3-51),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(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性,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,(

26、3-53),(3-54),(3-55),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) 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) 降價(jià)近似條件為 (3-58) 式中，cn轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。,電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中等效為 (3-59) 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)， 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。,例題3-1,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，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，

27、允許過(guò)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）。 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,解,1）確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s。 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。 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) 要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ， 參看表3-2的典型I型系

28、統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。,3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Ti=0.03s。 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：取KiTi=0.5， ACR的比例系數(shù)為,4）校驗(yàn)近似條件 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,5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 取 取40k 取0.75F 取0.2F,2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)節(jié)代替電流環(huán),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

29、似處理,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)/， 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,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)。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)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)。 轉(zhuǎn)速開(kāi)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)。 ASR采用PI調(diào)節(jié)器,（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)。,調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益KN為 (3-62) 則 （3-63）,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),（3-

30、64）,（3-65）,（3-66）,無(wú)特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5 為好。,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,例題3-2,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）， 要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。 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) （1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。 由例題3-1，已取KITi=0.5，則 （2）轉(zhuǎn)

31、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。 （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,2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 選用PI調(diào)節(jié)器， 3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： ASR的比例系數(shù)為,4）檢驗(yàn)近似條件 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)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件,5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 取 取470k 取0.2 F 取1F 6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 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

32、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。,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,當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)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(kāi)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 。 ASR開(kāi)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。 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)”。,假定調(diào)速系統(tǒng)原來(lái)是在Idm的條件下運(yùn)行于轉(zhuǎn)速n*， 在點(diǎn)O 突然將負(fù)載由Idm降到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(guò)程，

33、突減負(fù)載的速升過(guò)程與退飽和超調(diào)過(guò)程是完全相同的。,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(guò)程,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)，,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,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(lái)，得圖 (c)，圖中Id和IdL的+、- 號(hào)都作了相應(yīng)的變化。 圖 (c)和討論典型II型系統(tǒng)抗擾過(guò)程所用的圖完全相同?？梢岳帽?-5給出的典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)來(lái)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,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) n的基準(zhǔn)值是 (3-70),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, 電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載倍數(shù)，,z負(fù)載系數(shù)，,(3-72),(3-71),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