转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,转速、电,流,流双闭环,直,直流调速,系,系统,和调节器,的,的工程设,计,计方法,电力拖动,自,自动控制,系,系统,第 2,章,章,内容提要,转速、电,流,流双闭环,控,控制的直,流,流调速系,统,统是应用,最,最广性能,很,很好的直,流,流调速系,统,统。,控制规律,性能特点,设计方法,转速、电,流,流双闭环,直,直流调速,系,系统及其,静,静特性,；,双闭环直,流,流调速系,统,统的数学,模,模型和动,态,态性能分,析,析,；,调节器的,工,工程设计,方,方法；,按工程设,计,计方法设,计,计双闭环,系,系统的调,节,节器,弱磁控制,的,的直流调,速,速系统。,内容提要,2.1,转,转速、,电,电流双闭,环,环直流调,速,速系统,及,及,其,其静特性,问题的提,出,出,采用转速,负,负反馈和PI调节,器,器的单闭,环,环直流调,速,速系统可,以,以在保证,系,系统稳定,的,的前提下,实,实现转速,无,无静差。,对系统的,动,动态性能,要,要求较高,时,时，单闭,环,环系统就,难,难以满足,需,需要。,快速起制,动,动,突加负载,动,动态速降,小,小等等，,1. 主,要,要原因,在单闭环,系,系统中不,能,能控制电,流,流和转矩,的,的动态过,程,程。,在单闭环,直,直流调速,系,系统中，,电,电流截止,负,负反馈环,节,节是专门,用,用来控制,电,电流的，,但,但它只能,在,在超过临,界,界电流值,I,dcr,以,后,后,，,，,靠,靠,强,强,烈,烈,的,的,负,负,反,反,馈,馈,作,作,用,用,限,限,制,制,电,电,流,流,的,的,冲,冲,击,击,，,，,并,并,不,不,能,能,很,很,理,理,想,想,地,地,控,控,制,制,电,电,流,流,的,的,动,动,态,态,波,波,形,形,。,。,b),理,理,想,想,的,的,快,快,速,速,起,起,动,动,过,过,程,程,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,a),带,带,电,电,流,流,截,截,止,止,负,负,反,反,馈,馈,的,的,单,单,闭,闭,环,环,调,调,速,速,系,系,统,统,图2-1,直,直,流,流,调,调,速,速,系,系,统,统,起,起,动,动,过,过,程,程,的,的,电,电,流,流,和,和,转,转,速,速,波,波,形,形,2.,理,理,想,想,的,的,起,起,动,动,过,过,程,程,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,I,dcr,性,能,能,比,比,较,较,带,电,电,流,流,截,截,止,止,负,负,反,反,馈,馈,的,的,单,单,闭,闭,环,环,直,直,流,流,调,调,速,速,系,系,统,统,起,起,动,动,过,过,程,程,如,如,图,图,所,所,示,示,，,，,起,起,动,动,电,电,流,流,达,达,到,到,最,最,大,大,值,值,I,dm,后,，,，,受,受,电,电,流,流,负,负,反,反,馈,馈,的,的,作,作,用,用,降,降,低,低,下,下,来,来,，,，,电,电,机,机,的,的,电,电,磁,磁,转,转,矩,矩,也,也,随,随,之,之,减,减,小,小,，,，,加,加,速,速,过,过,程,程,延,延,长,长,。,。,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,I,dcr,图2-1a),带,带,电,电,流,流,截,截,止,止,负,负,反,反,馈,馈,的,单,单,闭,闭,环,环,调,调,速,速,系,系,统,统,性,能,能,比,比,较,较,（,（,续,续,）,）,理,想,想,起,起,动,动,过,过,程,程,波,波,形,形,如,如,图,图,，,，,这,这,时,时,，,，,起,起,动,动,电,电,流,流,呈,呈,方,方,形,形,波,波,，,，,转,转,速,速,按,按,线,线,性,性,增,增,长,长,。,。,这,这,是,是,在,在,最,最,大,大,电,电,流,流,（,（,转,转,矩,矩,）,）,受,受,限,限,制,制,时,时,调,调,速,速,系,系,统,统,所,所,能,能,获,获,得,得,的,的,最,最,快,快,的,的,起,起,动,动,过,过,程,程,。,。,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,图2-1b),理,理,想,想,的,的,快,快,速,速,起,起,动,动,过,过,程,程,3.,解,解,决,决,思,思,路,路,为,了,了,实,实,现,现,在,在,允,允,许,许,条,条,件,件,下,下,的,的,最,最,快,快,起,起,动,动,，,，,关,关,键,键,是,是,要,要,获,获,得,得,一,一,段,段,使,使,电,电,流,流,保,保,持,持,为,为,最,最,大,大,值,值,I,dm,的,恒,恒,流,流,过,过,程,程,。,。,按,照,照,反,反,馈,馈,控,控,制,制,规,规,律,律,，,，采,用,用,某,某,个,个,物,物,理,理,量,量,的,的,负,负,反,反,馈,馈,就,就,可,可,以,以,保,保,持,持,该,该,量,量,基,基,本,本,不,不,变,变，,那,那,么,么,，,，,采,采,用,用,电,电,流,流,负,负,反,反,馈,馈,应,应,该,该,能,能,够,够,得,得,到,到,近,近,似,似,的,的,恒,恒,流,流,过,过,程,程,。,。,现,在,在,的,的,问,问,题,题,是,是,，,，,我,我,们,们,希,希,望,望,能,能,实,实,现,现,控,控,制,制,：,：,起动过程，,只,只有电流负,反,反馈，没有,转,转速负反馈,；,；,稳态时，只,有,有转速负反,馈,馈，没有电,流,流负反馈。,怎样才能做,到,到这种既存,在,在转速和电,流,流两种负反,馈,馈，又使它,们,们只能分别,在,在不同的阶,段,段里起作用,呢,呢？,2.1.1,转,转速,、,、电流双闭,环,环直流调速,系,系统的组成,实现转速和,电,电流两种负,反,反馈分别起,作,作用，,设置两个调,节,节器，分别,调,调节转速和,电,电流，即分,别,别引入转速,负,负反馈和电,流,流负反馈。,二者之间实,行,行嵌套（或,称,称串级）联,接,接。,TG,n,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,U,c,TA,V,M,+,-,U,d,I,d,UPE,L,-,M,TG,+,图2-2,转,转速、电流,双,双闭环直流,调,调速系统结,构,构,1. 系统,的,的组成,ASR转,速,速调节器ACR,电,电流调节器TG,测,测速发电机,TA电流,互,互感器UPE,电力电子,变,变换器,内环,外 环,图中，把转,速,速调节器的,输,输出当作电,流,流调节器的,输,输入，再用,电,电流调节器,的,的输出去控,制,制电力电子,变,变换器UPE。从闭环,结,结构上看，,电,电流环在里,面,面，称作内,环,环；转速环,在,在外边，称,作,作外环。,这就形成了转速、电流,双,双闭环调速,系,系统。,2. 系统,电,电路结构,为了获得良,好,好的静、动,态,态性能，转,速,速和电流两,个,个调节器一,般,般都采用P I,调,调节器，,这,这样构成的,双,双闭环直流,调,调速系统的,电,电路原理图,示,示于下图。,图,图中标出了,两,两个调节器,输,输入输出电,压,压的实际极,性,性，它们是,按,按照电力电,子,子变换器的,控,控制电压,U,c,为正电压的,情,情况标出的,，,，并考虑到,运,运算放大器,的,的倒相作用,。,。,系统原理图,图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,+,-,RP,2,n,U,*,n,R,0,R,0,U,c,U,i,TA,L,I,d,R,i,C,i,U,d,+,+,-,R,0,R,0,R,n,C,n,ASR,ACR,LM,GT,V,RP,1,U,n,U,*,i,LM,M,TG,UPE,图中表出，,两,两个调节器,的,的输出都是,带,带限幅作用,的,的。,转速调节器ASR的输,出,出限幅电压,U,*,im,决定了电流,给,给定电压的,最,最大值；,电流调节器ACR的输,出,出限幅电压,U,cm,限制了电力,电,电子变换器,的,的最大输出,电,电压,U,dm,。,2.1.2,稳,稳态,结,结构图和静,特,特性,为了分析双,闭,闭环调速系,统,统的静特性,，,，必须先绘,出,出它的稳态,结,结构图，如,下,下图。它可,以,以很方便地,根,根据上图的,原,原理图画出,来,来，只要注,意,意用带限幅,的,的输出特性,表,表示PI,调,调节器就可,以,以了。分析,静,静特性的关,键,键是掌握这,样,样的 PI,调,调节器的,稳,稳态特征。,1. 系统,稳,稳态结构图,图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图,转速反馈系数;,电流反馈系数,K,s,1,/C,e,U,*,n,U,c,I,d,E,n,U,d0,U,n,+,+,-,ASR,+,U,*,i,-,R,ACR,-,U,i,UPE,2. 限幅,作,作用,存在两种状,况,况：,饱和输,出,出达到限幅,值,值,当调节器饱,和,和时，输出,为,为恒值，输,入,入量的变化,不,不再影响输,出,出，除非有,反,反向的输入,信,信号使调节,器,器退出饱和,；,；换句话说,，,，饱和的调,节,节器暂时隔,断,断了输入和,输,输出间的联,系,系，相当于使该,调,调节环开环,。,不饱和,输,输出未达到,限,限幅值,当调节器不,饱,饱和时，正,如,如1.6节,中,中所阐明的,那,那样，PI,作,作用使输,入,入偏差电压,在,在稳态时总,是,是零。,实际上，在,正,正常运行时,，,，电流调节,器,器是不会达,到,到饱和状态,的,的。因此，,对,对于静特性,来,来说，只有,转,转速调节器,饱,饱和与不饱,和,和两种情况,。,。,3. 系统,静,静特性,双闭环直流,调,调速系统的,静,静特性如图,所,所示。,图2-5 双闭环直流调速系统的静特性,n,0,I,d,I,dm,I,dnom,O,n,A,B,C,（1）转速,调,调节器不饱,和,和,式中,，, 转速,和,和电流反馈,系,系数。,由第一个关,系,系式可得,从而得到上,图,图静特性的,CA,段。,(2-1),n,0,I,d,I,dm,I,dnom,O,n,A,B,C,静特性的水,平,平特性,与此同时，,由,由于ASR,不,不饱和，,U,*,i,U,*,im,，从,上,上述,第,第二,个,个关,系,系式,可,可知:,I,d,I,dm,。,这就,是,是说,，,，CA,段,段静,特,特性,从,从理,想,想空,载,载状,态,态的,I,d,=0,一,一,直,直延,续,续到,I,d,=,I,dm,，而,I,dm,一般,都,都是,大,大于,额,额定,电,电流,I,dN,的。,这,这就,是,是静,特,特性,的,的运,行,行段,，,，它,是,是水平,的,的特,性,性。,（2,）,）,转,转速,调,调节,器,器饱,和,和,这时,，,，ASR,输,输出,达,达到,限,限幅,值,值,U,*,im,，转,速,速外,环,环呈,开,开环,状,状态,，,，转,速,速的,变,变化,对,对系,统,统不,再,再产,生,生影,响,响。,双,双闭,环,环系,统,统变,成,成一,个,个电,流,流无,静,静差,的,的单,电,电流,闭,闭环,调,调节,系,系统,。,。稳,态,态时,式中,，,，最,大,大电,流,流,I,dm,是由,设,设计,者,者选,定,定的,，,，取,决,决于,电,电机,的,的容,许,许过,载,载能,力,力和,拖,拖动,系,系统,允,允许,的,的最,大,大加,速,速度,。,。,(2-2),静特,性,性的,垂,垂直,特,特性,式（2-2）,所,所描,述,述的,静,静特,性,性是,上,上图,中,中的,AB,段，,它,它是垂直,的,的特,性,性。,这样,的,的下,垂,垂特,性,性只,适,适合,于,于,n,n,0,，则,U,n,U,*,n,，ASR,将,将退,出,出饱,和,和状,态,态。,n,0,I,d,I,dm,I,dnom,O,n,A,B,C,4.,两,两,个,个调,节,节器,的,的作,用,用,双闭,环,环调,速,速系,统,统的,静,静特,性,性在,负,负载,电,电流,小,小于,I,dm,时表,现,现为,转,转速,无,无静,差,差，,这,这时,，,，转,速,速负,反,反馈,起,起主,要,要调,节,节作,用,用。,当负载电,流,流达到,I,dm,后，转速,调,调节器饱,和,和，电流,调,调节器起,主,主要调节,作,作用，系,统,统表现为,电,电流无静,差,差，得到,过,过电流的,自,自动保护,。,。,这就是采,用,用了两个PI调节,器,器分别形,成,成内、外,两,两个闭环,的,的效果。,这,这样的静,特,特性显然,比,比带电流,截,截止负反,馈,馈的单闭,环,环系统静,特,特性好。,然,然而实际,上,上运算放,大,大器的开,环,环放大系,数,数并不是,无,无穷大，,特,特别是为,了,了避免零,点,点飘移而,采,采用 “,准,准PI调,节,节器”时,，,，静特性,的,的两段实,际,际上都略,有,有很小的,静,静差，如,上,上图中虚,线,线所示。,2.1.3,各,各变量的,稳,稳态工作,点,点和稳态,参,参数计算,双闭环调,速,速系统在,稳,稳态工作,中,中，当两,个,个调节器,都,都不饱和,时,时，各变,量,量之间有,下,下列关系,(2-3),(2-5),(2-4),上述关系,表,表明，在,稳,稳态工作,点,点上，,转速,n,是由给定,电,电压,U,*,n,决定的；,ASR的,输,输出量,U,*,i,是由负载,电,电流,I,dL,决定的；,控制电压,U,c,的大小则,同,同时取决,于,于,n,和,I,d,，或者说,，,，同时取,决,决于,U,*,n,和,I,dL,。,这些关系,反,反映了PI调节器,不,不同于P,调,调节器的,特,特点。比,例,例环节的,输,输出量总,是,是正比于,其,其输入量,，,，而PI,调,调节器则,不,不然，其,输,输出量的,稳,稳态值与,输,输入无关,，,，而是由,它,它后面环,节,节的需要,决,决定的。,后,后面需要PI调节,器,器提供多,么,么大的输,出,出值，它,就,就能提供,多,多少，直,到,到饱和为,止,止。,反馈系数,计,计算,鉴于这一,特,特点，双,闭,闭环调速,系,系统的稳,态,态参数计,算,算与单闭,环,环有静差,系,系统完全,不,不同，而,是,是和无静,差,差系统的,稳,稳态计算,相,相似，即,根,根据各调,节,节器的给,定,定与反馈,值,值计算有,关,关的反馈,系,系数：,转速反馈,系,系数,电流反馈,系,系数,(2-6),(2-7),两个给定,电,电压的最,大,大值,U,*,nm,和,U,*,im,由设计者选,定,定，设计原,则,则如下：,U,*,nm,受运算放大,器,器允许输入,电,电压和稳压,电,电源的限制,；,；,U,*,im,为ASR的,输,输出限幅值,。,。,返回目录,2.2,双,双闭环直,流,流调速系统,的,的数学模型,和,和,动,动态性能分,析,析,本节提要,双闭环直流,调,调速系统的,动,动态数学模,型,型,起动过程分,析,析,动态抗扰性,能,能分析,转速和电流,两,两个调节器,的,的作用,2.2.1,双,双闭,环,环直流调速,系,系统的动态,数,数学模型,在单闭环直,流,流调速系统,动,动态数学模,型,型的基础上,，,，考虑双闭,环,环控制的结,构,构，即可绘,出,出双闭环直,流,流调速系统,的,的动态结构,图,图，如下图,所,所示。,1. 系统,动,动态结构,图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图,U,*,n,U,c,-,I,dL,n,U,d0,U,n,+,-,-,+,-,U,i,W,ASR,(s),W,ACR,(s),K,s,T,s,s,+,1,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,U,*,i,I,d,1,/C,e,+,E,2. 数学,模,模型,图中,W,ASR,(s)和,W,ACR,(s)分别,表,表示转速调,节,节器和电流,调,调节器的传,递,递函数。如,果,果采用PI,调,调节器，则,有,有,2.2.2,起,起动,过,过程分析,前已指出，,设,设置双闭环,控,控制的一个,重,重要目的就,是,是要获得接,近,近理想起动,过,过程，因此,在,在分析双闭,环,环调速系统,的,的动态性能,时,时，有必要,首,首先探讨它,的,的起动过程,。,。,双闭环直流,调,调速系统突,加,加给定电压,U,*,n,由静止状态,起,起动时，转,速,速和电流的,动,动态过程示,于,于下图。,图2-7 双闭环直流调速系统起动时 的转速和电流波形,n,O,O,t,t,I,dm,I,dL,I,d,n,*,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,由于在起动,过,过程中转速,调,调节器ASR经历了不,饱,饱和、饱和,、,、退饱和三,种,种情况，整,个,个动态过程,就,就分成图中,标,标明的I、II、III三个阶段,。,。,1. 起动,过,过程,第I阶段电,流,流上升的阶,段,段（0 ,t,1,）,突加给定电,压,压,U,*,n,后，,I,d,上升，当,I,d,小于负载电,流,流,I,dL,时，电机还,不,不能转动。,当,I,d,I,dL,后，电机,开,开始起动,，,，由于机,电,电惯性作,用,用，转速,不,不会很快,增,增长，因,而,而转速调,节,节器ASR的输入,偏,偏差电压,的,的数值仍,较,较大，其,输,输出电压,保,保持限幅,值,值,U,*,im,，强迫电,流,流,I,d,迅速上升,。,。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第I阶段,（,（续）,第 I,阶,阶段（续,）,）,直到，,I,d,=,I,dm,，,U,i,=,U,*,im,电流调节,器,器很快就,压,压制,I,d,了的增长,，,，标志着,这,这一阶段,的,的结束。,在这一阶,段,段中，ASR很快,进,进入并保,持,持饱和状,态,态，而ACR一般,不饱和。,第 II,阶,阶段恒,流,流升速阶,段,段（,t,1,t,2,）,在这个阶,段,段中，ASR始终,是,是饱和的,，,，转速环,相,相当于开,环,环，系统,成,成为在恒,值,值电流,U,*,im,给定下的,电,电流调节,系,系统，基,本,本上保持,电,电流,I,d,恒定，因,而,而系统的,加,加速度恒,定,定，转速,呈,呈线性增,长,长。,n,I,dL,I,d,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第 II,阶,阶段（,续,续）,第 II,阶,阶段（,续,续）,与此同时,，,，电机的,反,反电动势,E,也按线性,增,增长，对,电,电流调节,系,系统来说,，,，,E,是一个线,性,性渐增的,扰,扰动量，,为,为了克服,它,它的扰动,，,，,U,d0,和,U,c,也必须基,本,本上按线,性,性增长，,才,才能保持,I,d,恒定。,当ACR,采,采用PI,调,调节器时,，,，要使其,输,输出量按,线,线性增长,，,，其输入,偏,偏差电压,必,必须维持,一,一定的恒,值,值，也就,是,是说，,I,d,应略低于,I,dm,。,第 II,阶,阶段（,续,续）,恒流升速,阶,阶段是起,动,动过程中,的,的主要阶,段,段。,为了保证,电,电流环的,主,主要调节,作,作用，在,起,起动过程,中,中 ACR是不应,饱,饱和的，,电,电力电子,装,装置 UPE 的,最,最大输出,电,电压也须,留,留有余地,，,，这些都,是,是设计时,必,必须注意,的,的。,第 ,阶,阶段转速,调,调节阶段,（,（,t,2,以后）,当转速上,升,升到给定,值,值时，转,速,速调节器ASR的,输,输入偏差,减,减少到零,，,，但其输,出,出却由于,积,积分作用,还,还维持在,限,限幅值U,*,im,，所以电,机,机仍在加,速,速，使转,速,速超调。,转速超调后,，,，ASR输,入,入偏差电压,变,变负，使它,开,开始退出饱,和,和状态，,U,*,i,和,I,d,很快下降。,但,但是，只要,I,d,仍大于负载,电,电流,I,dL,，转速就继,续,续上升。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第 阶,段,段（续）,第 阶,段,段（续）,直到,I,d,=,I,dL,时，转矩,T,e,=,T,L,，则d,n/,d,t,= 0，转,速,速,n,才到达峰值,（,（,t,=,t,3,时）。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第 阶,段,段（续）,此后，电动,机,机开始在负,载,载的阻力下,减,减速，与此,相,相应，在一,小,小段时间内,（,（,t,3,t,4,），,I,d,I,dL,，直到稳定,，,，如果调节,器,器参数整定,得,得不够好，,也,也会有一些,振,振荡过程。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第 阶,段,段（续）,在这最后的,转,转速调节阶,段,段内，ASR和ACR,都,都不饱和，ASR起主,导,导的转速调,节,节作用，而ACR则力,图,图使,I,d,尽快地跟随,其,其给定值,U,*,i,，或者说，,电,电流内环是,一,一个电流随,动,动子系统。,2. 分析,结,结果,综上所述，,双,双闭环直流,调,调速系统的,起,起动过程有,以,以下三个特,点,点：,（1）,饱和非线性,控,控制；,（2）,转速超调；,（3）,准时间最优,控,控制,。,（1）饱和非线性,控,控制,根据ASR,的,的饱和与不,饱,饱和，整个,系,系统处于完,全,全不同的两,种,种状态：,当,ASR,饱和时，转,速,速环开环，,系,系统表现为,恒,恒值电流调,节,节的单闭环,系,系统；,当ASR不,饱,饱和时，转,速,速环闭环，,整,整个系统是,一,一个无静差,调,调速系统，,而,而电流内环,表,表现为电流,随,随动系统,。,（2）转速,超,超调,由于ASR,采,采用了饱和,非,非线性控制,，,，起动过程,结,结束进入转,速,速调节阶段,后,后，必须使,转,转速超调，ASR,的,的输入偏差,电,电压,U,n,为负值，才,能,能使ASR,退,退出饱和。,这样，采用PI调节器,的,的双闭环调,速,速系统的转,速,速响应必然,有,有超调。,（3）准时,间,间最优控制,起动过程中,的,的主要阶段,是,是第II阶,段,段的恒流升,速,速，它的特,征,征是电流保,持,持恒定。一,般,般选择为电,动,动机允许的,最,最大电流，,以,以便充分发,挥,挥电动机的,过,过载能力，,使,使起动过程,尽,尽可能最快,。,。,这阶段属于,有,有限制条件,的,的最短时间,控,控制。因此,，,，整个起动,过,过程可看作,为,为是一个准,时,时间最优控,制,制。,最后，应该,指,指出，对于,不,不可逆的电,力,力电子变换,器,器，双闭环,控,控制只能保,证,证良好的起,动,动性能，却,不,不能产生回,馈,馈制动，在,制,制动时，当,电,电流下降到,零,零以后，只,好,好自由停车,。,。必须加快,制,制动时，只,能,能采用电阻,能,能耗制动或,电,电磁抱闸。,2.2.3,动,动态,抗,抗扰性能分,析,析,一般来说，,双,双闭环调速,系,系统具有比,较,较满意的动,态,态性能。对,于,于调速系统,，,，最重要的,动,动态性能是,抗,抗扰性能。,主,主要是抗负,载,载扰动和抗,电,电网电压扰,动,动的性能。,1,/C,e,U,*,n,n,U,d0,U,n,+,-,ASR,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,K,s,T,s,s+,1,ACR,U,*,i,U,i,-,-,E,I,d,1. 抗负,载,载扰动,I,dL,直流调速系,统,统的动态抗,负,负载扰作用,抗负载扰动,（,（续）,由动态结构,图,图中可以看,出,出，负载扰,动,动作用在电,流,流环之后，,因,因此只能靠,转,转速调节器ASR来产,生,生抗负载扰,动,动的作用。,在,在设计ASR时，应要,求,求有较好的,抗,抗扰性能指,标,标。,图2-8,直,直流调速系,统,统的动态抗,扰,扰作用,a)单闭环,系,系统,Ud,电网电压,波,波动在整流,电,电压上的反,映,映,2. 抗电,网,网电压扰动,U,d,U,*,n,-,I,dL,U,n,+,-,ASR,1,/C,e,n,U,d0,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,I,d,K,s,T,s,s+,1,-,E,抗电网电压,扰,扰动（续）,-,I,dL,U,d,b)双闭环,系,系统,U,d,电网电压,波,波动在整流,电,电压上的反,映,映,1,/C,e,U,*,n,n,U,d0,U,n,+,-,ASR,1,/R,T,l,s+,1,R,T,m,s,I,d,K,s,T,s,s+,1,ACR,U,*,i,U,i,-,-,E,3. 对比,分,分析,在单闭环调,速,速系统中，,电,电网电压扰,动,动的作用点,离,离被调量较,远,远，调节作,用,用受到多个,环,环节的延滞,，,，因此单闭,环,环调速系统,抵,抵抗电压扰,动,动的性能要,差,差一些。,双闭环系统,中,中，由于增,设,设了电流内,环,环，电压波,动,动可以通过,电,电流反馈得,到,到比较及时,的,的调节，不,必,必等它影响,到,到转速以后,才,才能反馈回,来,来，抗扰性,能,能大有改善,。,。,4. 分析,结,结果,因此，在双,闭,闭环系统中,，,，由电网电,压,压波动引起,的,的转速动态,变,变化会比单,闭,闭环系统小,得,得多。,2.2.4,转,转速,和,和电流两个,调,调节器的作,用,用,综上所述，,转,转速调节器,和,和电流调节,器,器在双闭环,直,直流调速系,统,统中的作用,可,可以分别归,纳,纳如下：,1. 转速,调,调节器的作,用,用,（1）转速,调,调节器是调,速,速系统的主,导,导调节器，,它,它使转速,n,很快,地,地跟,随,随给,定,定电,压,压变,化,化，,稳,稳态,时,时可,减,减小,转,转速,误,误差,，,，如,果,果采,用,用PI调,节,节器,，,，则,可,可实,现,现无,静,静差,。,。,（2,）,）对,负,负载,变,变化,起,起抗,扰,扰作,用,用。,（3,）,）其,输,输出,限,限幅,值,值决,定,定电,机,机允,许,许的,最,最大,电,电流,。,。,2.,电,电,流,流调,节,节器,的,的作,用,用,（1,）,）作,为,为内,环,环的,调,调节,器,器，,在,在外,环,环转,速,速的,调,调节,过,过程,中,中，,它,它的,作,作用,是,是使,电,电流,紧,紧紧,跟,跟随,其,其给,定,定电,压,压（,即,即外,环,环调,节,节器,的,的输,出,出量,）,）变,化,化。,（2,）,）对,电,电网,电,电压,的,的波,动,动起,及,及时,抗,抗扰,的,的作,用,用。,（3,）,）在,转,转速,动,动态,过,过程,中,中，,保,保证,获,获得,电,电机,允,允许,的,的最,大,大电,流,流，,从,从而,加,加快,动,动态,过,过程,。,。,（4,）,）当,电,电机,过,过载,甚,甚至,堵,堵转,时,时，,限,限制,电,电枢,电,电流,的,的最,大,大,值，,起,起快,速,速的,自,自动,保,保护,作,作用,。,。一,旦,旦故,障,障消,失,失，,系,系统,立,立即,自,自动,恢,恢复,正,正常,。,。这,个,个作,用,用对,系,系统,的,的可,靠,靠运,行,行来,说,说是,十,十分,重,重要,的,的。,返回目录,2.3,调,节,节,器,器,的,的,工,工,程,程,设,设,计,计,方,方,法,法,2.3.0,问,题,题,的,的,提,提,出,出,必,要,要,性,性,：,：,用,经,经,典,典,的,的,动,动,态,态,校,校,正,正,方,方,法,法,设,设,计,计,调,调,节,节,器,器,须,须,同,同,时,时,解,解,决,决,稳,稳,、,、,准,准,、,、,快,快,、,、,抗,抗,干,干,扰,扰,等,等,各,各,方,方,面,面,相,相,互,互,有,有,矛,矛,盾,盾,的,的,静,静,、,、,动,动,态,态,性,性,能,能,要,要,求,求,，,，,需,需,要,要,设,设,计,计,者,者,有,有,扎,扎,实,实,的,的,理,理,论,论,基,基,础,础,和,和,丰,丰,富,富,的,的,实,实,践,践,经,经,验,验,，,，,而,而,初,初,学,学,者,者,则,则,不,不,易,易,掌,掌,握,握,，,，,于,于,是,是,有,有,必,必,要,要,建,建,立,立,实,实,用,用,的,的,设,设,计,计,方,方,法,法,。,。,问,题,题,的,的,提,提,出,出,（,（,续,续,）,）,可,能,能,性,性,：,：,大,多,多,数,数,现,现,代,代,的,的,电,电,力,力,拖,拖,动,动,自,自,动,动,控,控,制,制,系,系,统,统,均,均,可,可,由,由,低,低,阶,阶,系,系,统,统,近,近,似,似,。,。,若,若,事,事,先,先,深,深,入,入,研,研,究,究,低,低,阶,阶,典,典,型,型,系,系,统,统,的,的,特,特,性,性,并,并,制,制,成,成,图,图,表,表,，,，,那,那,么,么,将,将,实,实,际,际,系,系,统,统,校,校,正,正,或,或,简,简,化,化,成,成,典,典,型,型,系,系,统,统,的,的,形,形,式,式,再,再,与,与,图,图,表,表,对,对,照,照,，,，,设,设,计,计,过,过,程,程,就,就,简,简,便,便,多,多,了,了,。,。,这,这,样,样,，,，,就,就,有,有,了,了,建,建,立,立,工,工,程,程,设,设,计,计,方,方,法,法,的,的,可,可,能,能,性,性,。,。,设计方法的,原,原则,：,（1）概念,清,清楚、易懂,；,；,（2）计算,公,公式简明、,好,好记；,（3）不仅,给,给出参数计,算,算的公式，,而,而且指明参,数,数调整的方,向,向；,（4）能考,虑,虑饱和非线,性,性控制的情,况,况，同样给,出,出简单的计,算,算公式；,（5）适用,于,于各种可以,简,简化成典型,系,系统的反馈,控,控制系统。,2.3.1,工,工程设,计,计方法的基,本,本思路,1.,选择调节器,结,结构,使系统典型,化,化并满足稳,定,定和稳态精,度,度。,2.设计调,节,节器的参数,，,，以满足动,态,态性能指标,的,的要求,。,2.3.2,典,典型,系,系统,一般来说，,许,许多控制系,统,统的开环传,递,递函数都可,表,表示,为,(2-8),R,(,s,),C,(,s,),上,式,式,中,中,，,，,分,分,母,母,中,中,的,的,s,r,项,表,表,示,示,该,该,系,系,统,统,在,在,原,原,点,点,处,处,有,有,r,重,极,极,点,点,，,，,或,或,者,者,说,说,，,，,系,系,统,统,含,含,有,有,r,个,积,积,分,分,环,环,节,节,。,。,根,根,据,据,r=,0,，,，1,，,，2,，,，,等,等,不,不,同,同,数,数,值,值,，,，,分,分,别,别,称,称,作,作0,型,型,、,、I,型,型,、,、,型,型,、,、,系,系,统,统,。,。,自,动,动,控,控,制,制,理,理,论,论,已,已,经,经,证,证,明,明,，,，0,型,型,系,系,统,统,稳,稳,态,态,精,精,度,度,低,低,，,，,而,而,型,型,和,和,型,型,以,以,上,上,的,的,系,系,统,统,很,很,难,难,稳,稳,定,定,。,。,因,此,此,，,，,为,为,了,了,保,保,证,证,稳,稳,定,定,性,性,和,和,较,较,好,好,的,的,稳,稳,态,态,精,精,度,度,，,，多,选,选,用,用I,型,型,和,和II,型,型,系,系,统,统。,1.,典,典,型,型I,型,型,系,系,统,统,结,构,构,图,图,与,与,传,传,递,递,函,函,数,数,式,中,中,T,系,系,统,统,的,的,惯,惯,性,性,时,时,间,间,常,常,数,数,；,；,K,系,统,统,的,的,开,开,环,环,增,增,益,益,。,。,（,2-9,）,开,环,环,对,对,数,数,频,频,率,率,特,特,性,性,O,性,能,能,特,特,性,性,典,型,型,的,的I,型,型,系,系,统,统,结,结,构,构,简,简,单,单,，,，,其,其,对,对,数,数,幅,幅,频,频,特,特,性,性,的,的,中,中,频,频,段,段,以,以,20dB/dec,的,的,斜,斜,率,率,穿,穿,越,越0dB,线,线,，,，,只,只,要,要,参,参,数,数,的,的,选,选,择,择,能,能,保,保,证,证,足,足,够,够,的,的,中,中,频,频,带,带,宽,宽,度,度,，,，,系,系,统,统,就,就,一,一,定,定,是,是,稳,稳,定,定,的,的,，,，,且,且,有,有,足,足,够,够,的,的,稳,稳,定,定,裕,裕,量,量,，,，,即,即,选,择,择,参,参,数,数,满,足,足,或,于,是,是,，,，,相,相,角,角,稳,稳,定,定,裕,裕,度,度,O,2. 典型,型系统,结构图和传,递,递函数,（,2-10,）,开环对数频,率,率特性,O,性能特性,典型的II,型,型系统也是,以,以,20dB/dec,的,的斜率穿越,零,零分贝线。,由,由于分母中,s,2,项对应的相,频,频特性是,180,，,，后面还有,一,一个惯性环,节,节，在分子,添,添上一个比,例,例微分环节,（,（,s,+1,），是为了,把,把相频特性,抬,抬到,180,线,线以上，以,保,保证系统稳,定,定，即应,选择参数,满足,或,且,比,T,大得越多，,系,系统的稳定,裕,裕度越大。,O,2.3.3,控,控制,系,系统的动态,性,性能指标,自动控制系,统,统的动态性,能,能指标包括,：,：,跟随性能指,标,标：对给定,输,输入信号,抗扰性能指,标,标：对扰动,输,输入信号,系统典型的,阶,阶跃响应曲,线,线,5%（或2%）,0,O,t,r,t,s,图,2-12,典型阶跃响,应,应曲线和跟,随,随性能指标,输出量C的,稳,稳态值,1.,跟随性能指,标,标：,在给定信号,或,或参考输入,信,信号的作用,下,下，系统输,出,出量的变化,情,情况可用跟,随,随性能指标,来,来描述。常,用,用的阶跃响,应,应跟随性能,指,指标有,t,r, 上升时,间,间：输出量,由,由0起上升,第,第一次上升,到,到稳态值所,经,经过的时间,；,；, 超调量,：,：在阶跃响,应,应过程中，,超,超过上升时,间,间以后，输,出,出量有可能,继,继续升高，,到,到峰值时间t,p,时到达最大,值,值C,max,，然后回落,。,。,5%（或,2%）,0,O,t,r,t,s,1.,跟随性能指,标,标：,C,max,超过稳态值,的,的百分数为,超,超调量。,t,s, 调节时,间,间：又称过,渡,渡时间。,为了在线性,系,系统阶跃响,应,应曲线上表,示,示调节时间,，,，认定稳态,值,值上下5%,（,（或2%）,的,的范围为允,许,许误差带，,将,将输出量达,到,到并不再超,出,出该误差带,所,所需的时间,定,定义为调节,时,时间。,显然，调节,时,时间衡量输,出,出量整个调,节,节过程的快,慢,慢，既反映,了,了系统的快,速,速性，也包,含,含着它的稳,定,定性。,5%（或,2%）,0,O,t,r,t,s,突加扰动的,动,动态过程和,抗,抗扰性能指,标,标,图2-13,突,突加,扰,扰动,的,的动,态,态过,程,程和,抗,抗扰,性,性能,指,指标,5%（或2%）,O,t,m,t,v,C,b,控制,系,系统,稳,稳定,运,运行,中,中，,突,突加,一,一个,使,使输,出,出量,降,降低,的,的扰,动,动量N以,后,后，,输,输出,量,量由,降,降低,到,到恢,复,复的,过,过渡,过,过程,。,。,输出,量,量的,基,基准,值,值,2.,抗,抗,扰,扰性,能,能指,标,标,抗扰,性,性能,指,指标,标,标志,着,着控,制,制系,统,统抵,抗,抗扰,动,动的,能,能力,。,。常,用,用的,抗,抗扰,性,性能,指,指标,有,有,C,max,动,动态,降,降落,：,：系,统,统稳,定,定运,行,行时,，,，突,加,加一,个,个约,定,定的,标,标准,负,负扰,动,动量,，,，所,引,引起,的,的输,出,出量,最,最大,降,降落,值,值。,一般,用,用,C,max,占输,出,出量,原,原稳,态,态值,（,（或,某,某基,准,准值C,b,)的,百,百分,数,数来,表,表示,：,：,输出,量,量在,动,动态,降,降落,后,后逐,渐,渐恢,复,复，,达,达到,新,新的,稳,稳态,值,值,是系,统,统在,该,该扰,动,动作,用,用下,的,的稳,态,态误,差,差，,即,即静,差,差。,动态,降,降落,一,一般,都,都大,于,于稳,态,态误,差,差。,5%（或2%）,O,t,m,t,v,C,b,或,2.,抗,抗,扰,扰性,能,能指,标,标,t,v,恢,恢复,时,时间,：,：从,阶,阶跃,扰,扰动,作,作用,开,开始,，,，到,输,输出,量,量基,本,本上,恢,恢复,稳,稳态,，,，距,新,新稳,态,态值,之,之差,进,进入,某,某基,准,准值C,b,的,5%或,2%范,围,围之内所,需,需的时间,。,。,实际控制,系,系统对于,各,各种动态,指,指标的要,求,求各有不,同,同， 一,般,般来说，,调,调速系统,的,的动态指,标,标以抗扰,性,性能为主,，,，而随动,系,系统的动,态,态指标则,以,以跟随性,能,能为主。,（,（P63,，,，例如,）,5%（或2%）,O,t,m,t,v,C,b,2.3.4,典,典型I型,系,系统性能,指,指标和参,数,数的关系,典型I型,系,系统的开,环,环传递函,数,数如式（2-9）,所,所示，它,包,包含两个,参,参数：开,环,环增益,K,和时间常,数,数,T,。其中，,时,时间常数,T,在实际系,统,统中往往,是,是控制对,象,象本身固,有,有的，能,够,够由调节,器,器改变的,只,只有开环,增,增益,K,，也就是,说,说，,K,是唯一的,待,待定参数,。,。设计时,，,，需要按,照,照性能指,标,标选择参,数,数,K,的大小。,K,与开环对,数,数频率特,性,性的关系,图2-13绘出了,在,在不同,K,值时典型I 型,系,系统的开,环,环对数频,率,率特性，,箭,箭头表示K值增大,时,时特性变,化,化的方向,。,。,K,与截止频,率,率,c,的关系,当,c, 1/,T,时，特性,以,以,20dB/dec斜率穿,越,越零分贝,线,线，系统,有,有较好的,稳,稳定性。,由,由图中的,特,特性可知,所以,K,=,c,（当,c,时）,(2-12),式（2-12,）,）表明,，,，,K,值越大,，,，截止,频,频率,c,也越大,，,，系统,响,响应越,快,快，但,相,相角稳,定,定裕度,= 90, arctg,c,T,越小，,这,这也说,明,明快速,性,性与稳,定,定性之,间,间的矛,盾,盾。在,具,具体选,择,择参数,K,时，须,在,在二者,之,之间取,折,折衷。,下面将,用,用数字,定,定量地,表,表示,K,值与各,项,项性能,指,指标之,间,间的关,系,系。,K,=,c,（当,c,时）,(2-12),表2,-1I型,系,系统在,不,不同输,入,入信号,作,作用下,的,的稳态,误,误差,输入信号,阶跃输入,斜坡输入,加速度输入,稳态误差,0,v,0,/,K,1.,典,典型I型系,统,统跟随,性,性能指,标,标与参,数,数的关,系,系,（1）,稳,稳态跟,随,随性能,指,指标,：系统,的,的稳态,跟,跟随性,能,能指标,可,可用不,同,同,输入信,号,号作用,下,下的稳,态,态误差,来,来表示,。,在阶跃,输,输入下,的,的 I,型,型系,统,统稳态,时,时是无,误,误差的,；,；,但在斜,坡,坡输入,下,下则有,恒,恒值稳,态,态误差,，,，且与,K,值成反,比,比；,在加速,度,度输入,下,下稳态,误,误差为,。,因此，I型系,统,统不能,用,用于具,有,有加速,度,度输入,的,的随动,系,系统。,（2）,动,动态跟,随,随性能,指,指标,闭环传,递,递函数,：,：典型I,型,型系统,是,是一种,二,二阶系,统,统，其,闭,闭环传,递,递函数,的,的一般,形,形式为,（2-13,）,）,式中,n, 无阻尼,时,时的自然振,荡,荡角频率，,或,或称,固有角频率,；,；, 阻尼比,，,，或称衰减,系,系数。,K,、,T,与标准形式,中,中的参数的,换,换算关系,(2-15),(2-16),(2-17),且有,二阶系统的,性,性质,当,1,时，系统动,态,态响应是欠,阻,阻尼的振荡,特,特性，,当, 1,时，系统动,态,态响应是过,阻,阻尼的单调,特,特性；,当,= 1,时，系统动,态,态响应是临,界,界阻尼。,由于过阻尼,特,特性动态响,应,应较慢，所,以,以一般常把,系,系统设计成,欠,欠阻尼状态,，,，即,0,1,由于,在,在典I,系,系,统,统中KT0.5,。,。,因,因,此,此,在,在,典,典,型,型I,型,系,系,统,统,中,中,应,应,取,取,下,面,面,列,列,出,出,欠,欠,阻,阻,尼,尼,二,二,阶,阶,系,系,统,统,在,在,零,零,初,初,始,始,条,条,件,件,下,下,的,的,阶,阶,跃,跃,响,响,应,应,动,动,态,态,指,指,标,标,计,计,算,算,公,公,式,式,(2-18),性,能,能,指,指,标,标,和,和,系,系,统,统,参,参,数,数,之,之,间,间,的,的,关,关,系,系,(2-19),(2-20),(2-21),超调量,上升时,间,间,峰值时,间,间,表2-2 典,型,型I型,系,系统跟,随,随性能,指,指标和,频,频域指,标,标与参,数,数的关,系,系,（,（,与KT,的,的关系,服,服从于,式,式2-16,）,具体选,择,择参数,时,时，应,根,根据系,统,统工艺,要,要求选,择,择参数,以,以满足,性,性能指,标,标。,参数关系KT,0.25,0.39,0.5,0.69,1.0,阻尼比,超调量,上升时间,t,r,峰值时间,t,p,相角稳定裕度,截止频率,c,1.0,0 %,76.3,0.243/,T,0.8,1.5%,6.6,T,8.3,T,69.9,0.367/,T,0.707,4.3 %,4.7,T,6.2,T,65.5,0.455/,T,0.6,9.5 %,3.3,T,4.7,T,59.2 ,0.596/,T,0.5,16.3 %,2.4,T,3.2,T,51.8 ,0.786/,T,2.,典,典型I,型,型系统,抗,抗扰性,能,能指标,与,与参数,的,的关系,图2-15a,是,是在扰,动,动 F,作,作用,下,下的典,型,型 I,型,型系,统,统，,其中，,W,1,(,s,),是扰动,作,作用点,前,前面部,分,分的传,递,递函数,，,，后面,部,部分是,W,2,(,s,),，于是,只讨论,抗,抗扰性,能,能时，,令,令输入,作,作用,R,= 0,，,，得到,图,图2-15b,所,所示的,等,等效结,构,构图。,(2-25),图2-15,扰,扰动作,用,用下的,典,典型I,型,型系统,典型I型系统,等效结,构,构图,F(S),在扰动,作,作用下,输,输出变,化,化量的,象,象函数,虚框内,环,环节的,输,输出变,化,化过程,就,就是闭,环,环系统,的,的跟随,过,过程，,抗,抗扰性,能,能的优,劣,劣与跟,随,随性能,的,的优劣,有,有关。,在,虚框前,面,面还有1/,W,1,(,s,)，因,此,此，抗,扰,扰性能,与,与,W,1,(,s,) 有,关,关，抗,扰,扰性能,指,指标也,不,不定，,随,随着扰,动,动点的,变,变化而,变,变化。,在此，,我,我们针,对,对常用,的,的调速,系,系统，,分,分析图2-16（P66）,的,的一种,情,情况，,其,其他情,况,况可仿,此,此处理,。,。经过,一,一系列,计,计算可,得,得到表2-3 所,示,示的数,据,据。,典型I型系统,F(S),55.5%,33.2%,18.5%,12.9%,t,m,/,T,2.8,3.4,3.8,4.0,t,v,/,T,14.7,21.7,28.7,30.4,表2-3,典,典型I,型,型系统,动,动态抗,扰,扰性能,指,指标与,参,参数的,关,关系,(控制,结,结构和,扰,扰动作,用,用点如,图,图2-15所,示,示，已,选,选定的,参,参数关,系,系KT=0.5),动态降,落,落时间,恢复时,间,间,分析结,果,果：,由表2-3中,的,的数据,可,可以看,出,出，当,控,控制对,象,象的两,个,个时间,常,常数相,距,距较大,时,时，动,态,态降落,减,减小，,但,但恢复,时,时间却,拖,拖得较,长,长,。,2.3.5,典,典型II型,系,系统性,能,能指标,和,和参数,的,的关系,可选参,数,数：,在,在,典,典型II型系,统,统的开,环,环传递,函,函数式(2-10),中,中，与,典,典型I 型,系,系统相,仿,仿，时,间,间常数,T,也是控,制,制对象,固,固有的,。,。所不,同,同的是,，,，待定,的,的参数,有,有两个,：,：,K,和,，这就,增,增加了,选,选择参,数,数工作,的,的复杂,性,性。,为了分,析,析方便,起,起见，,引,引入一,个,个新的,变,变量(图2-16)，令,(2-32),典型,型,型系统,的,的开环,对,对数幅,频,频特性,0,-20,40,-40,/,s,-1,c,=,1,20dB/dec,40dB/dec,40dB/dec,图2-16,典,典型,型系,统,统的开,环,环对数,幅,幅频特,性,性和中,频,频宽,中频宽,度,度,中频宽,h,由图可,见,见，,h,是斜,率,率为,20dB/dec的,中,中频,段,段的,宽,宽度,（,（对,数,数坐,标,标）,，,，称,作,作“,中,中频,宽,宽”,。,。由,于,于中,频,频段,的,的状,况,况对,控,控制,系,系统,的,的动,态,态品,质,质起,着,着决,定,定性,的,的作,用,用，,因,因此,h,值是,一,一个,很,很关,键,键的,参,参数,。,。,只要,按,按照,动,动态,性,性能,指,指标,的,的要,求,求确,定