直流调速系统-课件(教师版)2-4剖析

2.4 按工程设计方法设计按工程设计方法设计双闭环系统的调节器双闭环系统的调节器 本节将应用前述的工程设计方法来设计本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。主要内容主要内容 系统设计对象系统设计对象 系统设计原则系统设计原则 系统设计步骤系统设计步骤图2-22 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1.系统设计对象系统设计对象-IdL(s)Ud(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 Tois+1ASR1 Tons+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环E(s)双闭环调速系统的实际动态结构图绘于双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图图2-22，它与前述的图，它与前述的图2-6不同之处在于增加不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中个给定信号的滤波环节。其中Toi 电流反馈滤波时间常数电流反馈滤波时间常数Ton 转速反馈滤波时间常数转速反馈滤波时间常数 系统设计对象系统设计对象2.系统设计原则系统设计原则v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，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首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。速调节器。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2.4.1 电流调节器的设计电流调节器的设计1.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v忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响 v等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统 v小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 1）忽略反电动势的动态影响）忽略反电动势的动态影响 在电流环结构图中，有反电动势在电流环结构图中，有反电动势E产生的交叉产生的交叉反馈作用，代表转速环输出对电流环的影响，但转反馈作用，代表转速环输出对电流环的影响，但转速环还未设计，无法考虑。但实际中速环还未设计，无法考虑。但实际中 ，所以电流的调节过程比转速快得多，即电流变化比所以电流的调节过程比转速快得多，即电流变化比反电动势反电动势E快得多，则在设计快得多，则在设计ACR时作以下处理：时作以下处理：在在ACR的调节过程中，近似地认为反电动势的调节过程中，近似地认为反电动势E基本基本不变，则在设计电流环时忽略不变，则在设计电流环时忽略E变化的动态作用。变化的动态作用。忽略忽略反电动势反电动势的条件的条件：包含包含反电动势反电动势的部分如右图所示，的部分如右图所示，为方便起见，认为为方便起见，认为 。可见：当可见：当 时，才会有时，才会有这时，电流环如下图所示。这时，电流环如下图所示。Ud(s)+-Ui(s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc(s)Ks Tss+1Id(s)Tois+11 Tois+1图图2-23a 电流环的动态结构图及其化简电流环的动态结构图及其化简 忽略反电动势的动态影响所以忽略反电动势的条件为：所以忽略反电动势的条件为：如果把给定滤波和反馈滤波两个环节如果把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都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反馈则电流环便等效成单位负反馈系系统（图统（图2-23b）。）。+-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s)U*i(s)Tois+1图2-23b2）等效成单位负反馈系统）等效成单位负反馈系统 最后，由于最后，由于Ts 和和 T0i 一般都比一般都比Tl 小得多，小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为环节，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)3）小惯性环节近似处理）小惯性环节近似处理电流环结构图最终简化成图电流环结构图最终简化成图2-23c。+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)图图2-23c电流环结构简图电流环结构简图2.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择 1）典型系统的选择）典型系统的选择l从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用可以看出，采用 I 型型系统就够了。系统就够了。l从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。型系统。图图2-23c表明，电流环的控制对象是双表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应型系统，显然应采用采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写型的电流调节器，其传递函数可以写成成（2-57）式中式中 Ki 电流调节器的比例系数；电流调节器的比例系数；i 电流调节器的超前时间常数。电流调节器的超前时间常数。2）电流调节器选择）电流调节器选择 为了让调节器零点与控制对象的大时间为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择常数极点对消，选择 则电流环的动态结构图便成为图则电流环的动态结构图便成为图2-24a所示的典型形式，其中所示的典型形式，其中（2-58）（2-59）电流调节器选择电流调节器选择K I s(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)v校正后电流环的结构和特性校正后电流环的结构和特性 图图2-24 校正成典型校正成典型I型系统的电流环型系统的电流环 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:OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decTi3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算 式（式（2-57）给出，电流调节器的参数有：）给出，电流调节器的参数有：Ki 和和 i，其中其中 i 已选定，见式（已选定，见式（2-58），剩下的只有），剩下的只有比例系数比例系数 Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。可根据所需要的动态性能指标选取。v参数选择参数选择 在一般情况下，希望电流超调量在一般情况下，希望电流超调量 i 5%，由表由表2-2，可选，可选 =0.707，KI T i=0.5，则则(2-60)(2-61)再利用式（再利用式（2-59）和式（）和式（2-58）得到）得到 v注意：注意：v如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-60）和式（）和式（2-61）当然应作相应的改变。）当然应作相应的改变。v此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。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v模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路图中图中l U*i 电流给定电电流给定电压；压；l Id 电流负反电流负反馈电压；馈电压；l Uc 电力电子变电力电子变换器的控制电压。换器的控制电压。图图2-25 含给定滤波与反馈滤波的含给定滤波与反馈滤波的PI电流调节器电流调节器 v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)电流调节器的实现电流调节器的实现设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：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2.4.2 转速调节器的设计转速调节器的设计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1）电流环闭环传递函数）电流环闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环电流环经简化后可视作转速环中的一个环 节，为此，须求出它的闭环传递函数。由节，为此，须求出它的闭环传递函数。由 图图2-24a可知可知(2-65)电流环的等效闭环传递函数（续）电流环的等效闭环传递函数（续）可见：可见：即即而而所以所以由于转速的变化比电流慢得多，所以由于转速的变化比电流慢得多，所以则则 ，即，即 在转速环的高频段。在转速环的高频段。可以忽略高次项，式（可以忽略高次项，式（2-65）降阶近似为）降阶近似为(2-66)近似条件可由式（近似条件可由式（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。2)传递函数化简传递函数化简 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为因此电流环在转速环中应等效为(2-68)这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经这样，原来是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闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。的一阶惯性环节。3)电流环等效传递函数电流环等效传递函数v物理意义：物理意义：电流的闭环控制改造了控制对象，加电流的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）控快了电流的跟随作用，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。2.转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择1）转速环的动态结构）转速环的动态结构 用电流环的等效环节代替图用电流环的等效环节代替图2-22 中的电流中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-26a所示。所示。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 n(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)Tons+11 Tons+1U*i(s)+-IdL(s)电流环 和电流环中一样，把转速给定滤波和反和电流环中一样，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馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/，再把时间常数为再把时间常数为 1/KI 和和 Ton 的两的两个个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中为的惯性环节，其中（2-69）2）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3）转速环结构简化）转速环结构简化 n(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)/Tns+1+-IdL(s)图图2-26 b 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 为了实现转速无静差，在负载扰动作用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，它应该包含在点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器转速调节器 ASR 中（见图中（见图 2-26b），），现在在现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因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节，所以应该设计成典型 型系统，这样的型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。4）转速调节器选择）转速调节器选择 由此可见，由此可见，ASR也应该采用也应该采用PI调节器，调节器，其传递函数为其传递函数为（2-70）式中式中 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。转速调节器选择转速调节器选择这样，调速系统的开环传递函数为这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为令转速环开环增益为（2-72）则则（2-71）5）调速系统的开环传递函数）调速系统的开环传递函数6）校正后的系统结构）校正后的系统结构 n(s)+-U*n(s)图图2-26c 校正后成为典型校正后成为典型 II 型系统型系统 3.转速调节器的参数计算转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括转速调节器的参数包括 Kn 和和 n。按照典型按照典型型型系统的参数关系，由式系统的参数关系，由式(2-38)（2-74）再由式（再由式（2-39）（2-75）（2-76）因此因此 v参数选择：参数选择：至于中频宽至于中频宽 h 应选择多少，要看动态应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择 4.转速调节器的实现转速调节器的实现1）模拟式转速调节器电路）模拟式转速调节器电路图图2-27 含给定滤波与反馈滤波的含给定滤波与反馈滤波的PI转速调节器转速调节器 图中图中l U*n 转速给定转速给定电压，电压，l-n 转速负反转速负反馈电压，馈电压，l U*i 调节器的调节器的输出是电流调节器输出是电流调节器的给定电压。的给定电压。2）转速调节器参数计算）转速调节器参数计算(2-77)(2-78)(2-79)v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，虽然不方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，对利于快速性，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。系统的组成和调试工作非常有利。设计举例设计举例例例2-1 某晶某晶闸管装置放大系数的双管装置放大系数的双闭环直流直流调速速 系系统，整流装置采用三相，整流装置采用三相桥式式电路，基路，基 本数据如下：本数据如下：直流直流电动机：机：220V、136A、1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允允许过载倍数倍数=1.5。晶晶闸管装置放大数管装置放大数Ks=40 电枢回路枢回路总电阻：阻：R=0.5，时间常数：常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s。电流反流反馈系数：系数：=0.05=0.05V/A(10V/1.5IdN)转速反速反馈系数：系数：=0.007Vmin/r(10V/nN).设计要求：设计要求：稳态指标：转速无静差；稳态指标：转速无静差；动态指标：电流超调量动态指标：电流超调量i5%；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 n%10%。解：解：（一）电流环的设计（一）电流环的设计1.确定时间常数确定时间常数1）整流装置滞后时间常数）整流装置滞后时间常数Ts：按表按表1-2，三项桥式电路的平均失控时，三项桥式电路的平均失控时 间间Ts=0.0017s设计举例设计举例2）电流滤波时间常数）电流滤波时间常数Toi:三项桥式电路每个波头的时间是三项桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了为了 基本滤平波头，应有（基本滤平波头，应有（12）Toi3.33ms，因此取因此取 Toi2ms=0.002ms。3）电流环小时间常数电流环小时间常数Ti:按小时间常数近似处理，取按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2、选择电流调节器结构、选择电流调节器结构 根据设计要求：根据设计要求：，而且，而且 因此可按典型因此可按典型I型系统设计。电流调节器选用型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为设计举例设计举例3、选择电流调节器参数、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：超前时间常数：电流流环开开环增益：要求增益：要求时，应取取因此因此 rad/s。于是，于是，ACR的比例系数为的比例系数为4、校验近似条件：、校验近似条件：电流环截止频率电流环截止频率 1）晶闸管装置的传递函数近似条件：）晶闸管装置的传递函数近似条件：现在，现在，满足近似条件。满足近似条件。2）忽略反电动势对电流环影响的条件：）忽略反电动势对电流环影响的条件：现在，现在，满足近似条件。满足近似条件。3）时间常数近似处理条件：）时间常数近似处理条件：设计举例设计举例现在，现在，满足近似条件。满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容：、计算调节器电阻和电容：选取选取R0=40 k，则则 Ri=Ki R0=1.013*40k=40.52 k，取，取41 k。取取1F；取取0.22F；按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为指标为 ，满足设计要求。，满足设计要求。（二）转速环的设计（二）转速环的设计1确定时间常数确定时间常数1）电流环等效时间常数为）电流环等效时间常数为 2）转速速滤波波时间常数常数根据所用根据所用测速速发电机机纹波情况，取波情况，取 3）转速速环小小时间常数常数按小按小时间常数近似常数近似处理，取理，取2选择转速调节器结构选择转速调节器结构 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分 环节；又根据动态要求，应按典型环节；又根据动态要求，应按典型II型系统设计型系统设计 转速环。故转速环。故ASR选用选用PI调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为3选择转速调节器参数选择转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则则 ASR的超前时间常数为的超前时间常数为转速环开环增益转速环开环增益 于是，于是，ASR的比例系数的比例系数由式（由式（2-76）为为 4校验近似条件校验近似条件 由式（由式（2-33）转速环截止频率为）转速环截止频率为1）电流环传递函数简化条件：）电流环传递函数简化条件：现在，现在，满足简化条件。满足简化条件。2）小时间常数近似处理条件：）小时间常数近似处理条件：设计举例设计举例现在，现在，满足简化条件。满足简化条件。5计算调节器电阻和电容计算调节器电阻和电容 选取选取Ro=40k，则则，取，取470k.，取，取0.22F；，取，取1F。设计举例设计举例 当当h=5时，由表时，由表2-6查得查得 ，不能满足设计要求。实际上，由于表不能满足设计要求。实际上，由于表2-6是按是按线性系统计算得到的，而突加阶跃给定时，线性系统计算得到的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。退饱和的情况重新计算超调量。6校核转速超调器校核转速超调器2.4.3 ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算 ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）图图229a 当当ASR选用选用PI调节器时其结构如图调节器时其结构如图229a所示。所示。ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）图图229b ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）图图229c ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）图图230ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）图图230ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）ASR退饱和转速超调量的计算退饱和转速超调量的计算（续）（续）