电流双闭环直流调速系统和课件

Shanghai university转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统和和调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统第第 2 章章 Shanghai university2.1 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性及其静特性一。问题的提出一。问题的提出 Shanghai university 采用转速负反馈和采用转速负反馈和PIPI调节器的单闭环调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。提下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，单如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。闭环系统就难以满足需要。Shanghai university如何控制动态性能如何控制动态性能？电力拖动系统的运动方程：电力拖动系统的运动方程：结论：结论：要得到好的动态性能，必须控制好要得到好的动态性能，必须控制好转矩，即控制好电流。转矩，即控制好电流。Shanghai university1.1.单闭环系统的主要问题单闭环系统的主要问题 单闭环系统不能控制电流和转矩的动态单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。过程。电流截止负反馈环节只是用来限制电流电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。波形。Shanghai universitya)理想的快速起动过程IdLntIdOIdmb)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形n2.2.理想的起动过程理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcrn Shanghai university3.3.解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值是要获得一段使电流保持为最大值I Idmdm的恒流过的恒流过程。程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。Shanghai university 现在的问题希望能实现控制：现在的问题希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？用呢？-转速电流双闭环系统转速电流双闭环系统 Shanghai university+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环ni二。二。转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 Shanghai university转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 把转速调节器的输出当作电流调节器的输把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器换器UPEUPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。环；转速环在外边，称作外环。这就形成了这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流双闭环调速系统。Shanghai university 系统电路结构系统电路结构图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图+-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-Shanghai university限幅的作用：限幅的作用：转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im电流给定电压的最大值，即电流给定电压的最大值，即限制了最大电流；限制了最大电流；电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm Uc的最大值，即限制了电力的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压电子变换器的最大输出电压Udm。Shanghai university限幅电路（外限幅，输出限幅限幅电路（外限幅，输出限幅）二极管钳位的外限幅电路 Shanghai university限幅电路（内限幅，输出和积分限幅限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）Shanghai university图2-4(a)双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE三。三。双闭环系统稳态结构图和静特性双闭环系统稳态结构图和静特性1.稳态结构图：稳态结构图：Shanghai university图图2-4(b)ASR2-4(b)ASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 Ks 1/CeUcIdEnUd0+U*i-IdR R ACR-UiUPEASRASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 Shanghai university 2.2.系统静特性系统静特性 设计时，设计时，ACR不不会达到饱和状态。会达到饱和状态。CA段段ASR未饱和，未饱和，AB段段ASR饱和。饱和。图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC Shanghai university（1 1）转速调节器不饱和转速无静差）转速调节器不饱和转速无静差即即 U*i U*im，Id Idm。Shanghai university（2 2）转速调节器饱和电流无静差转速调节器饱和电流无静差U*i=U*im，稳态时稳态时 最大电流最大电流-I Idmdm 取决于容许过载取决于容许过载能力和拖动系统允许的最大加速能力和拖动系统允许的最大加速度。度。n nnn*。ASRASR输入偏差电压变负，开始退出饱和，输入偏差电压变负，开始退出饱和，U U*i i 和和 I Id d 很快下降。但是，只要很快下降。但是，只要 I Id d 仍大于负载电流仍大于负载电流 I IdLdL ，转速就继续上升。转速就继续上升。直到直到I Id d =I IdLdL时，转时，转矩矩T Te e=T TL L ，则，则d dn/n/d dt t =0=0，转速转速n n才到达峰才到达峰值（值（t t=t t3 3时）。时）。Shanghai university第第 阶段阶段 转速调节阶段（续）转速调节阶段（续）此后，电动机在负载的阻此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间力下减速，在一小段时间内（内（t3 t4），），Id IdL，直到稳定直到稳定Id=IdL，n=n*。如果调节器参数整定得不如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。够好，会有振荡过程。IdL Id n n*Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt特点：特点：ASR不饱和，起主要调节作用；不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；起跟随作用；转速有超调。转速有超调。Shanghai university2.2.起动过程的特点：起动过程的特点：双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1 1）饱和非线性控制饱和非线性控制 （2 2）转速超调转速超调 （3 3）准时间最优控制）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制有限制条件的最短时间控制)Shanghai university三。双闭环调速系统动态抗扰性能分析三。双闭环调速系统动态抗扰性能分析 主要扰动源：主要扰动源：负载变化；负载变化；电源电压变化。电源电压变化。Shanghai university 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1.1.抗负载扰动抗负载扰动IdL直流调速系统的抗负载扰动作用直流调速系统的抗负载扰动作用 Shanghai university抗负载扰动（续抗负载扰动（续）扰动作用位置：扰动作用位置：电流环之外电流环之外抗扰作用调节器：抗扰作用调节器：转速调节器转速调节器ASR对对ASR的设计要求：的设计要求：应要求有较好的应要求有较好的抗扰性能指标。抗扰性能指标。Shanghai university2.抗电网电压扰动抗电网电压扰动-IdLUd图图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用直流调速系统的动态抗扰作用 Ud电网电压波动在整流电压上的反映电网电压波动在整流电压上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E Shanghai university抗电网电压扰动抗电网电压扰动 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，调节，不必等它影响到转速以后才能反馈不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善回来，抗扰性能大有改善。扰动作用位置：扰动作用位置：电流环内的前向通道电流环内的前向通道抗扰作用的调节器：抗扰作用的调节器：电流调节器电流调节器ACR Shanghai university1.转速调节器的作用转速调节器的作用 （1）速度调节）速度调节它使转速它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实调节器，则可实现无静差。现无静差。（2）抗扰作用）抗扰作用对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。（3）限制电机最大电流）限制电机最大电流其输出限幅值决定电机允许其输出限幅值决定电机允许的最大电流。的最大电流。四。四。转速、电流调节器的作用转速、电流调节器的作用 Shanghai university2.2.电流调节器的作用电流调节器的作用（1）跟随作用）跟随作用作为内环的调节器，在外环转速的作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（即外环调节器的输出量）变化。（2）抗扰作用）抗扰作用对电网电压的波动起及时抗扰的作对电网电压的波动起及时抗扰的作用。用。（3）加快动态过程加快动态过程在转速动态过程中，保证获得在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）过流自动保护作用过流自动保护作用当电机过载甚至堵转时，当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。可靠运行来说是十分重要的。Shanghai university2.3 2.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法必要性必要性:设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。可能性可能性:电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。成典型系统，设计过程就简便多了。Shanghai university设计方法的原则设计方法的原则 （1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。Shanghai university一。一。工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 1.选择典型系统选择典型系统根据系统性能要求选择合适的典型系统根据系统性能要求选择合适的典型系统2.选择调节器结构选择调节器结构使系统典型化并满足稳定和稳态精度使系统典型化并满足稳定和稳态精度。3.设计调节器的参数设计调节器的参数满足动态性能指标的要求满足动态性能指标的要求。Shanghai university二。二。控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 动态性能指标：动态性能指标：跟随性能指标跟随性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标调速系统的动态指标调速系统的动态指标以抗扰性能以抗扰性能为主；为主；为主；为主；随动系统的动态指标随动系统的动态指标以跟随性能为主。以跟随性能为主。Shanghai university 系统典型的阶跃响应曲线系统典型的阶跃响应曲线5%（或2%）0 Otrts图2-11 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标 Shanghai university跟随性能指标跟随性能指标 阶跃响应跟随性能指标：阶跃响应跟随性能指标：tr 上升时间：第一次到达给定值的时间上升时间：第一次到达给定值的时间 超调量超调量:ts 调节时间调节时间:进入误差带的时间进入误差带的时间 Shanghai university 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标图图2-12 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标5%（或2%）O tmtvCb Shanghai university抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标：抗扰性能指标：Cmax 最大动态降落最大动态降落tv 恢复时间：恢复时间：Shanghai university三。典型系统三。典型系统 一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为为 R(s)C(s)Shanghai university典型系统典型系统 分母中的分母中的 sr 项表示该系统在原点处有项表示该系统在原点处有 r 重极点，重极点，r=0，1，2，时，分别称作时，分别称作0型、型、I型、型、型、型、系统。系统。0型系统稳态精度低，型系统稳态精度低，而而型和型和型以上的系统很难稳型以上的系统很难稳定。定。为了保证稳定性和较好的稳态精度，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用多选用I型和型和II型型系统。系统。Shanghai university1.典型典型I型系统型系统（1）结构图与传递函数）结构图与传递函数 式中 T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。（2-9）Shanghai universityOdB/decdB/dec典型典型I型系统型系统开环对数开环对数频率频率特性特性 Shanghai university 系统结构简单，对数幅频特性系统结构简单，对数幅频特性20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，当统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，当 或或相角稳定裕度相角稳定裕度 典型典型I I型系统性能特性型系统性能特性 Shanghai university2.典型典型型系统型系统结构图和传递函数结构图和传递函数 （2-10）Shanghai universityOdB/decdB/decdB/dec典型典型型系统型系统开环对数开环对数频率频率特性特性O1/Shanghai university 典型的典型的II型系统也是以型系统也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。的斜率穿越零分贝线。为保证系统稳定，为保证系统稳定，选择参数应选择参数应满足满足 或或 比比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大得越多，系统的稳定裕度越大。大。典型典型型系统系统性能特性型系统系统性能特性 Shanghai university四。四。典型典型I型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系 典型典型I型系统中，型系统中，时间常数时间常数 T 在实在实际系统中往往是控制对象本身固有际系统中往往是控制对象本身固有的，能够改变的只有开环增益的，能够改变的只有开环增益 K。设计时，需要按照性能指标选择设计时，需要按照性能指标选择参数参数 K。Shanghai university K 与开环对数频率特性的关系与开环对数频率特性的关系 不同不同 K 值时典型值时典型 I 型系统的开环对数频率特性，箭头型系统的开环对数频率特性，箭头表示表示K值增大时特性变化的方向。值增大时特性变化的方向。Shanghai university K 与截止频率与截止频率 c 的关系的关系 当当 c 1/T时，特时，特性以性以20dB/dec斜率斜率穿越零分贝线，系统穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。由有较好的稳定性。由图中的特性可知：图中的特性可知：所以所以 K=c（当（当 c 时）时）(2-12)Shanghai university快速性与稳定性之间的矛盾快速性与稳定性之间的矛盾 K值越大，截止频率值越大，截止频率 c 也越大，系统响应越也越大，系统响应越快，相角稳定裕度快，相角稳定裕度 =90 arctg cT越小越小，这这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在选择参数在选择参数 K时，须在二者之间取折衷。时，须在二者之间取折衷。Shanghai university1.典型典型I型系统跟随性能指标与参数的关系型系统跟随性能指标与参数的关系（1）稳态跟随性能指标）稳态跟随性能指标e Shanghai university不同输入信号作用下的稳态误差不同输入信号作用下的稳态误差输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差 0v0/K Shanghai university稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值值成反比；成反比；在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。因此，因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。系统。Shanghai university（2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标闭环传递函数：典型闭环传递函数：典型 I 型系统是一种二阶系统，型系统是一种二阶系统，其闭环传递函数的一般形式为其闭环传递函数的一般形式为（2-13）式中式中 n 无阻尼时的自然振荡角频率，或称无阻尼时的自然振荡角频率，或称 固有角频率；固有角频率；阻尼比，或称衰减系数。阻尼比，或称衰减系数。Shanghai universityK、T与标准形式参数的换算与标准形式参数的换算 Shanghai university 1，欠阻尼的振荡特性，欠阻尼的振荡特性，1，过阻尼的单调特性；，过阻尼的单调特性；=1，临界阻尼。，临界阻尼。过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即尼，即 0 1二阶系统的二阶系统的动态响应动态响应性质性质 Shanghai university典型典型I型系统型系统的的阻尼比阻尼比 在典在典 I 系统中系统中 KT 0.5，应取应取 (2-18)Shanghai university(2-19)(2-20)(2-21)超调量超调量 上升时间上升时间 峰值时间峰值时间 性能指标和系统参数之间的关系性能指标和系统参数之间的关系 Shanghai university典型典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系的关系参数关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超调量超调量 上升时间上升时间 tr峰值时间峰值时间 tp 相角稳定裕度相角稳定裕度 截止频率截止频率 c 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T Shanghai university性能指标讨论：性能指标讨论：1。当。当 ，时时，超调量为超调量为 ，稳定稳定性和快速性都较好西门子把它称为性和快速性都较好西门子把它称为“二阶最佳系统二阶最佳系统”；2。在工程上，根据不同的工艺要求，可以有不同的最佳。在工程上，根据不同的工艺要求，可以有不同的最佳参数选择，根据要求选择参数；参数选择，根据要求选择参数；3。列表的目：为参数的选择提供了简便的途径，当不能。列表的目：为参数的选择提供了简便的途径，当不能满足所需的全部性能指标时，说明典型满足所需的全部性能指标时，说明典型型系统已不能适型系统已不能适用，须采用其它控制方法。用，须采用其它控制方法。Shanghai university典型典型型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。能指标只适用于一种特定的扰动作用点。2.典型典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系型系统抗扰性能指标与参数的关系 Shanghai university电流环的扰动作用点：电流环的扰动作用点：在在 采用采用PI调节器的情况下，在扰动作用点前后调节器的情况下，在扰动作用点前后各是一个一阶惯性环节，其动态结构框图为：各是一个一阶惯性环节，其动态结构框图为：（T2T1）Shanghai university仅考虑扰动作用仅考虑扰动作用R(s)=0 Shanghai university典型I型系统 扰动作用下的典型扰动作用下的典型I型系统的传递函数型系统的传递函数:(2-25)Shanghai university阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动阶跃扰动：输出变化量：输出变化量：当当 Shanghai university55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4典型典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5,Cb=FK2/2)Shanghai university结果分析结果分析 当控制对象的两个时间常数相距较大时，当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间却拖得较长动态降落减小，但恢复时间却拖得较长。Shanghai university五。五。典型典型II型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系 典型典型II型系统的时间常数型系统的时间常数T也是控制对象固有的，也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：而待定的参数有两个：K 和和 。定义定义中频宽中频宽：(2-32)Shanghai university典型典型型系统的开环对数幅频特性型系统的开环对数幅频特性0-20 40-40 /s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中频宽 Shanghai university参数之间的一种最佳配合参数之间的一种最佳配合采用采用“振荡指标法振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，Shanghai university参数之间的一种最佳配合参数之间的一种最佳配合则 Shanghai university输入信号输入信号阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入稳态误差稳态误差00 （1）稳态跟随性能指标）稳态跟随性能指标 系统在不同输入信号作用下的稳态误差系统在不同输入信号作用下的稳态误差 1.典型典型II型系统跟随性能指标和参数的关系型系统跟随性能指标和参数的关系 Shanghai university 在阶跃和斜坡输入下，在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无型系统稳态时均无差；差；加速度输入下稳态误差与开环增益加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比成反比。Shanghai university（2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标 h 3 4 56 7 8 9 10 tr/Tts/T k 52.6%2.412.15 3 3.6%2.65 11.65 237.6%2.85 9.55 2 33.2%3.0 10.45 129.8%3.1 11.30 127.2%3.2 12.25 125.0%3.3 13.25 1 23.3%3.35 14.20 1典型典型II型系统阶跃输入跟随性能指标型系统阶跃输入跟随性能指标 （按（按Mrmin准则准则确定关系时）确定关系时）h越小超调量越大稳定性差越小超调量越大稳定性差 Shanghai university转速环在负载扰动作用下的动态结转速环在负载扰动作用下的动态结构构:2.典型典型型系统抗扰性能指标和参数的关系型系统抗扰性能指标和参数的关系 Shanghai university2.典型典型型系统抗扰性能指标和参数的关系型系统抗扰性能指标和参数的关系抗扰系统结构抗扰系统结构图图2-17b 典型典型II型系统在一种扰动作用下的动态结构框图型系统在一种扰动作用下的动态结构框图+0-Shanghai university在阶跃扰动下在阶跃扰动下，（2-43）扰动系统的输出响应扰动系统的输出响应Cb=2FK2T （2-44）取输出量基准值为取输出量基准值为 Shanghai university典型典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm/T tv/T 72.2%2.4513.60 77.5%2.70 10.4581.2%2.85 8.80 84.0%3.00 12.9586.3%3.15 16.8588.1%3.25 19.8089.6%3.30 22.80 90.8%3.40 25.85（参数关系符合最小（参数关系符合最小Mr准则）准则）Shanghai university 一般来说，一般来说，h 值越小，值越小，Cmax/Cb 也越小，也越小，tm 和和 tv 都短，都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与与 h 值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。但是，当但是，当 h 5 时，由于振荡次数的增加，时，由于振荡次数的增加，h 再小，恢再小，恢复时间复时间 tv 反而拖长了。反而拖长了。h=5是较好的选择是较好的选择 Shanghai university静态误差不同静态误差不同典型典型 I 只对阶跃输入无差，典型只对阶跃输入无差，典型对斜坡输入也对斜坡输入也无差无差动态跟随及抗扰性能动态跟随及抗扰性能典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，抗型系统在跟随性能上可以做到超调小，抗扰性能较差扰性能较差典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。这是设计时选择典型系统的重要依据。两种典型系统性能比较两种典型系统性能比较 Shanghai university六。六。调节器结构的选择和传递函数的近似调节器结构的选择和传递函数的近似 处理处理非典型系统的典型化非典型系统的典型化1.调节器结构的选择调节器结构的选择基本思路基本思路:将控制对象校正成为典型系统。将控制对象校正成为典型系统。系统校正控制对象 调节器 输入输出典型系统 输入输出 Shanghai university校正成典型校正成典型I型系统的几种调节器选择型系统的几种调节器选择控制控制对象对象调节调节器器参数参数配合配合T1、T2 T3T1 T2 Shanghai university控制控制对象对象调节调节器器参数参数配合配合认为：认为：校正成典型校正成典型II型系统的几种调节器选择型系统的几种调节器选择 Shanghai university2.传递函数近似处理传递函数近似处理（1）高频段小惯性环节的近似处理）高频段小惯性环节的近似处理 小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段，形小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段，形成一组小惯性群。例如，系统的开环传递函数成一组小惯性群。例如，系统的开环传递函数为为 小惯性环节可以合并 Shanghai university高频段高频段小惯性群小惯性群的近似处理的近似处理 当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。中各时间常数之和。例如例如：近似条件近似条件 Shanghai university（2）高阶系统的降阶近似处理）高阶系统的降阶近似处理三阶系统三阶系统a，b，c都是正数，且都是正数，且bc a，即系统是稳定的。即系统是稳定的。降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件近似条件(2-50)(2-51)(2-52)Shanghai university（3）低频段大惯性环节的近似处理）低频段大惯性环节的近似处理 时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即 近似条件近似条件(2-53)Shanghai universityc对频率特性的影响对频率特性的影响低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响 低频时把特性a近似地看成特性b Shanghai university2.4 2.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 系统设计的一般原则：系统设计的一般原则：“先内环后外环先内环后外环”从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。系统中的一个环节，再设计转速调节器。Shanghai university-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环图图2-22 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的动态结构框图 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统E(s)增加了滤波环节增加了滤波环节 Shanghai university设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化；电流环结构图的简化；2.电流调节器结构的选择；电流调节器结构的选择；3.电流调节器的参数计算；电流调节器的参数计算；4.电流调节器的实现；电流调节器的实现；5.检验近似条件。检验近似条件。一。一。电流调节器的设计电流调节器的设计 Shanghai university1.电流环结构图的简化电流环结构图的简化简化内容简化内容忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 Shanghai universityUd0(s)+-Ui(s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc(s)Ks Tss+1Id(s)Tois+11 Tois+1（1）忽略反电动势的动态影响）忽略反电动势的动态影响 暂不考虑反电动势变化的动态影响，暂不考虑反电动势变化的动态影响，电流环如下图所示。电流环如下图所示。简化条件简化条件：电流环截止频率电流环截止频率 Shanghai university 给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成把给定信号改成U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反则电流环便等效成单位负反馈系统馈系统。+-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s)U*i(s)Tois+1图2-23b等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 Shanghai university Ts 和和 T0i 一般都比一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为性环节，其时间常数为 Ti=Ts+Toi(2-55)简化的近似条件为简化的近似条件为(2-56)（2）小惯性环节近似处理）小惯性环节近似处理 Shanghai university+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)图2-23c电流环结构图电流环结构图 Shanghai university2.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择典型系统的选择：典型系统的选择：采用采用 I 型系统型系统电流调节器选择：电流调节器选择：PI型的电流调节器，传递函数型的电流调节器，传递函数（2-57）Ki 电流调节器的比例系数；电流调节器的比例系数；iR1C 电流调节器的超前时间常数电流调节器的超前时间常数。Shanghai university+-Uc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-Uc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)Shanghai university3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算 调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消 则电流环的动态结构图便成为典型则电流环的动态结构图便成为典型系统系统，其中，其中+-Uc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-Uc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)Shanghai university3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算(续）续）如希望电流超调量如希望电流超调量 i 5%，选选 =0.707，KI T i=0.5，则则根据性能要求查典型根据性能要求查典型I型系统跟随性能指标与参数的关系表型系统跟随性能指标与参数的关系表,查出查出KT值，因值，因T已知，计算已知，计算K。Shanghai universityK I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)图2-24 校正成典型I型系统的电流环 a)动态结构框图动态结构框图 b)开环对数幅频特性开环对数幅频特性:校正后电流环的结构和特性校正后电流环的结构和特性OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decTi Shanghai university4.电流调节器的实现电流调节器的实现模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路图中图中:U*i 电流给定电压；电流给定电压；Id 电流负反馈电压；电流负反馈电压；Uc 电力电子变换器的电力电子变换器的控制电压。控制电压。图2-25 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 Shanghai university电流调节器电路参数的计算公式电流调节器电路参数的计算公式(2-62)(2-63)(2-64)Shanghai university5。检验近似条件：。检验近似条件：计算电流环截止频率：计算电流环截止频率：（1）电力电子变换器纯滞后的近似处理：电力电子变换器纯滞后的近似处理：（2）忽略反电动势变化对电流环的动态影响：忽略反电动势变化对电流环的动态影响：（3）电流环小惯性群的处理：电流环小惯性群的处理：Shanghai university设计步骤：设计步骤：1.电流环的等效闭环传递函数；电流环的等效闭环传递函数；2.转速调节器结构的选择；转速调节器结构的选择；3.转速调节器参数的选择；转速调节器参数的选择；4.转速调节器的实现；转速调节器的实现；5.校验近似条件。校验近似条件。二。二。转速调节器的设计转速调节器的设计 Shanghai university1.电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数电流环闭环传递函数电流环闭环传递函数(2-65)K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)Shanghai university忽略高次项，上式可降阶近似忽略高次项，上式可降阶近似为为(2-66)近似条件近似条件可由式（可由式（2-52）求出）求出(2-67)式中式中 cn 转速环开环频率特性的截止频率转速环开环频率特性的截止频率。电流环的传递函数简化电流环的传递函数简化:Shanghai university(2-68)电流环等效传递函数电流环等效传递函数 原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。惯性环节。Shanghai university电流闭环控制的意义电流闭环控制的意义 电流闭环控制改造了控制对象，加快了电电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。制的一个重要功能。Shanghai university2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择转速环的动态结构转速环的动态结构 n(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)Tons+11 Tons+1U*i(s)+-IdL(s)图图2-26a 转速环的动态结构框图及其简化转速环的动态结构框图及其简化 电流环 Shanghai university 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成将给定信号改成 U*n(s)/，再把时间常数为再把时间常数为 1/KI 和和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为下式的惯性环节，个时间常数为下式的惯性环节，系统等效和小惯性的近似处理系统等效和小惯性的近似处理近似条件：近似条件：Shanghai university转速开环传递函数选择转速开环传递函数选择 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中中。在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型以应该设计成典型 型系统型系统。Shanghai university转速调节器结构选择转速调节器结构选择ASRASR采用采用PIPI调节器调节器（2-70）Kn 转速调节器的比例系数；转速调节器的比例系数；n 转速调节器的超前时间常数。转速调节器的超前时间常数。Shanghai university转速环结构简化转速环结构简化 Shanghai university转速环开环增益为转速环开环增益为（2-72）则（2-71）转速系统的开环传递函数转速系统的开环传递函数 Shanghai universityn(s)+-U*n(s)图2-26c 校正后成为典型 II 型系统 校正后的系统结构校正后的系统结构 Shanghai university3.转速调节器的参数计算转速调节器的参数计算 按照典型按照典型型系统的参数型系统的参数关系，关系，（2-74）（2-75）（2-76）因为因为 中频宽中频宽 h：根据性能指标要求选取。根据性能指标要求选取。所以所以 Shanghai university4.转速调节器的实现转速调节器的实现模拟式转速调节器电路模拟式转速调节器电路图2-27 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 图中：图中：U*n 转速给定电转速给定电压，压，-n 转速负反馈转速负反馈电压，电压，U*i 调节器的输调节器的输出是电流调节器的出是电流调节器的给定电压。给定电压。Shanghai university(2-77)(2-78)(2-79)转速调节器参数计算转速调节器参数计算 Shanghai university5.校验近似条件校验近似条件计算转速环截止频率：计算转速环截止频率：（1）电流环传递函数简化：电流环传递函数简化：（2）转速环小时间常数的近似处理：）转速环小时间常数的近似处理：Shanghai university转速环与电流环的关系转速环与电流环的关系 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利统的组成和调试工作非常有利。Shanghai university三三.转速调节器退饱和超调转速调节器退饱和超调 突突加加给给定定电电压压后后，转转速速调调节节器器很很快快就就进进入入饱饱和和状状态态，当当转转速速上上升升到到给给定定值值时时，转转速速偏偏差差电电压压变变成成负值，负值，ASRASR退出饱和退出饱和,在起动过程中转速必然超调。在起动过程中转速必然超调。不不是是按按线线性性系系统统规规律律的的超超调调，而而是是经经历历了了饱饱和和非非线线性性区区域域之之后后的的超超调调，称称作作“退退饱饱和和超超调调”，不等于典型不等于典型IIII型系统跟随性能指标中的超调量。型系统跟随性能指标中的超调量。Shanghai university起动过程：起动过程：Shanghai university转速调节器退饱和转速调节器退饱和初值初值 ASRASR饱和时，相当于转速环开环，电流是恒值饱和时，相当于转速环开环，电流是恒值 延续到延续到 退退饱和初始条件和初始条件:Shanghai university转速退饱和超调动态结构图转速退饱和超调动态结构图考虑实际转速与给定转速的差值考虑实际转速与给定转速的差值 n n，转速退饱和超调动态结构图2-29b。把n的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图2-29c，为了保持各量间的加减关系不变，符号作相应的变化。Shanghai university与典与典抗扰抗扰性能结构图性能结构图相同相同图229 Shanghai university退饱和转速超调的等价性退饱和转速超调的等价性 典型典型IIII型系统，在型系统，在稳定运行，突将负载稳定运行，突将负载减小到减小到 转转速速会会产产生生一一个个动动态态速速升升与与恢恢复复的的过过程程，这这样样的的突突卸卸负负载载速速升升过过程程也也就就是是退退饱饱和和转转速超调过程。速超调过程。Shanghai university退饱和转速超调退饱和转速超调 n n的基准值的基准值 在典型在典型IIII型系统抗扰性能指标中，型系统抗扰性能指标中，C C的基准值的基准值：这里：这里：Shanghai university退退饱和和转速超速超调 n n的基准值的基准值电动机允机允许的的过载倍倍 负载系数负载系数 z Shanghai university退饱和超调量退饱和超调量 转速超调量转速超调量%，其基准值应该是其基准值应该是 经基准值换算后得经基准值换算后得 Shanghai university起动时间计算：起动时间计算：当当ASR饱和时，相当于饱和时，相当于转速开环，转速开环，Id=Idm,电电机按恒加速度起动：机按恒加速度起动：这个加速过程一直延续到这个加速过程一直延续到t2时刻时刻nn*为止。为止。Shanghai university第二章小结：第二章小结：Shanghai university第二章小结（续）：第二章小结（续）：Shanghai university设计举例设计举例某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：路，基本数据如下：直流电动机：直流电动机：额定电压额定电压 ,额定电流额定电流 ,额定转速额定转速 ，电动机电势系数电动机电势系数 ，允许过载倍数，允许过载倍数 ；晶闸管装置放大系数晶闸管装置放大系数：；电枢回路总电阻：电枢回路总电阻：；时间常数：时间常数：，；电流反馈系数：电流反馈系数：（）；转速反馈系数转速反馈系数:()。设计要求：设计要求：静态指标：无静差静态指标：无静差动态指标：电流超调量动态指标：电流超调量 ；空载起动到额定转速时的转速超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量 。Shanghai university习题举例习题举例216 1)=U*nm/n=15/1500=0.01 Vmin/r=U*im/Idm=10/30=0.33 V/min Un*=5 V，n=Un*/=5/0.01=500 r/min Uc=Ud0/Ks=(E+IdR)/Ks =(Cen+IdlR)/Ks =(0.128*500+20*2)/30=3.467 V Shanghai university2)在上述稳定运行情况下，电动机突然失磁在上述稳定运行情况下，电动机突然失磁（=0）则电动机无电动转矩，转速迅速下降）则电动机无电动转矩，转速迅速下降到零，转速调节器很快达到饱和，要求整流装到零，转速调节器很快达到饱和，要求整流装置输出最大电流置输出最大电流Idm。因此，系统稳定后。因此，系统稳定后:n=0，Un=0 Ui*=Uim*=10V，Ui=Ui*=10V Id=Idm=30A Uc=Ud0/Ks=(E+IdR)/Ks=(0+30*2)/30=2 V习题举例习题举例216（续）（续）Shanghai university3)在跟随给定作用下，转速环处于线性状态，此在跟随给定作用下，转速环处于线性状态，此时系统的开环传递函数：时系统的开环传递函数：习题举例习题举例216（续）（续）KN(ns+1)s2(Tns+1)Wn(s)=n=hTn=5*0.05=0.25sTn=0.05sKN=(h+1)/2h2Tn2=6/2*25*0.052=48s-2 Shanghai university习题举例习题举例216（续）（续）4)空载突加额定负载时，转速有动态降落。空载突加额定负载时，转速有动态降落。（p85,86)nb=2(-z)nNTn/Tm=2*(1-0)*20*2/0.128*(0.05/0.05)=625 r/min Cb=2FK2T=2IdNRTn/CeTm=2*20*2*0.05/0.128*0.05=625 r/min 最大动态速降：最大动态速降：nmax=(Cmax/Cb)*nb=81.2%*625 =507.5 r/min恢复时间：恢复时间：tv=8.8T=8.8*0.05=0.44s(p71表）表）Shanghai university习题举例习题举例216（续）（续）n Id0500Idl Shanghai university Sh