按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器)

1、精品資料2.4按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器）Q0系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象/原則/步驟Q1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)Q2速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)Q3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算Q4算例Q0系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象/原則/步驟1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象-轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（圖2-22）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖2-22，它與前述的圖 2-6小同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定彳苦號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。其中Toi 電流給定/反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton 轉(zhuǎn)速給定/反饋濾波時(shí)間常數(shù)增加濾波環(huán)節(jié)的原因：電流環(huán)一電流檢測(cè)信號(hào)交流分量，平衡延遲轉(zhuǎn)速環(huán)-轉(zhuǎn)速反饋電壓換

2、向紋波，平衡延遲2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則-“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。 在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng) 中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。Q1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分為以下4個(gè)步驟：1 .電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化2 .電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3 .電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算4 .電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容（從圖2-22出發(fā)）1）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響2）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)3）小慣性環(huán)節(jié)近似處理1）忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影 響，即DE-0O這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。2)等效成單位負(fù)反

3、饋系統(tǒng)如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給止彳含可改成 U*i(s) /b ,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)(圖 2-23b )。3)小慣性環(huán)節(jié)近似處理Ts和Toi 一般都比Ti小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣 性劃、節(jié)，具時(shí)間常數(shù)為T(mén)i = Ts + Toi(2-55 )簡(jiǎn)化的近似條件是什么？1 1,、ci (2-56 )3sToi2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-23c 可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的 超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中

4、不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及 時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用 典型I型系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器選擇圖2-23c表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，(由p73表2-8 )要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳函可寫(xiě)成Wacr(s) Ki( is 1) (2-57)iS式中 Ki - ACR的比例系數(shù)；ti ACR的超前時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇i Ti(2-58 )校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性圖2-24 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán) a)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性：3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算W g一( iS 1)WACR

5、( S)iS參數(shù)有：Ki和ti,其中ti已選定i Ti(2-58)剩下的只有比例系數(shù) Ki,可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。參數(shù)選擇在一般情況下，希望電流超調(diào)量 si 0 5%, 由表 2-2 ,可選 x =0.707 , * =0.5 ,則K KKI -i-s-（2-59）iR1-Ici 2r（2-60）再利用式（2-59 ）和式（2-58 ）得到-i -TlR- -R-工）（2-61）2-s T i2-sT i注意如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式（2-60 ）和式（2-61 ） 當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。止匕外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗 擾性能指標(biāo)是否滿足。肩

6、關(guān)的近似條件供校驗(yàn)（見(jiàn)p78 ）1）電力電子變換器純滯后的近似處理2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響3）電流環(huán)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式ACR電路（圖2-25）含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 符號(hào)說(shuō)明：U*i電流給定電壓；-bld電流負(fù)反饋電壓；Uc電力電子變換器的控制電壓。ACR電路參數(shù)的計(jì)算公式-i旦（2-62）R0iRG（2-63）_1_Toi RGi（2-64）4Q2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1 .電流劃、的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)2 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇1.4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)

7、電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，須求出它的閉環(huán)傳函。由圖2-24a可知Wcli(S)Id*Ui(s)/Kis(T iS 1)Kis（T iS傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)（忽略高次項(xiàng)）1Wcli（s）1 一S 1Ki近似條件可由式（2-52 ）求出1)1T i 21d一ss1KiKi(2-65 )cn式中Ki3 ,T i(2-66 )(2-67 )wcn 一轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。電流環(huán)等效傳遞函數(shù)接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*i（s）,因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為1(2-68 )Id(s)Wcli(s)*Ui(s)1 s 1KiThen,原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象， 經(jīng)閉環(huán)控

8、制后，可近似等效 成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。(圖) 物理意義電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，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。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖 2-22中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-26a所示。圖2-26a轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)-和電流環(huán)中一樣，ft1轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)下移到環(huán)內(nèi)，問(wèn)時(shí)將給定【二可改成U*n(s)/a,小慣性環(huán)節(jié)合并-再把時(shí)間常數(shù)為1 / Ki和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合 并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中_

9、1_T n Ton(2-69 )KI轉(zhuǎn)速劃、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖2-26b等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理T nTonKi轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)戰(zhàn)擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)， 它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR中?，F(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞 函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型n型系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該米用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(s) Kn( ns ”(2-70 )ns式中Kn ASR的比例系數(shù)；tn ASR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)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為R八/

10、仆Kn( nS 1) Kn R( nS 1)Wn(S)2nSCeTmS(TS 1) n CeTmS2(T0S 1)令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為Kn Kn R(2-71)n Ce T m則Wn(s)?( nS 1)(2-72 )S (T nS 1)校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-26c校正后成為典型II型系統(tǒng)3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算Wasr(S)Kn( ns 1) ns轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和tn。按照典型R型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由式(2-38)n hT n(2-74 )一 .h 1再由式(2-39 )Kn2 2(2-75 )2hT n因此Kn (h ° CeTm(2-76 )2h RT n參數(shù)選擇至于中頻

11、寬h應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇 h=54.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式ASR電路圖2-27含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖中U*n轉(zhuǎn)速給定電壓，-a n 一轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，U*i 調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。ASR參數(shù)計(jì)算Kn Rn(2-77 )Ron Rn。(2-78 )_1 _Ton - RC°n (2-79)4Q3ASR退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算1轉(zhuǎn)速環(huán)按典II系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程2 ”退飽和超調(diào)”3肩關(guān)“退飽和超調(diào)”的分析4計(jì)算“退飽和超調(diào)”的捷徑5三個(gè)值得注意的問(wèn)題1轉(zhuǎn)速環(huán)按典II系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程圖：轉(zhuǎn)速環(huán)按典型I型

12、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程圖a-若asr沒(méi)有飽和限幅約束圖b-實(shí)際上ASR有飽和限幅約束如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器沒(méi)有飽和限幅的約束，調(diào)速系統(tǒng)可以在很大范圍內(nèi)線性 工作，則雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程就會(huì)如圖a所示，超調(diào)量較大(例題2-2中37.6% )。實(shí)際上，突加給定電壓后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快就進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出恒定 的限幅電壓Um* ,使電動(dòng)機(jī)在恒流條件下起動(dòng)，起動(dòng)電流 Id Idm=U；/ ，而轉(zhuǎn)速則按線性規(guī)律土外長(zhǎng)，如圖b所示。雖然這時(shí)的起動(dòng)過(guò)程要比調(diào)節(jié)器沒(méi)有限幅時(shí)慢得多，但是為了保證電流不超過(guò)允許值，這是必需的。2“退飽和超調(diào)”起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速必然超調(diào).ASR 一旦飽和后，只有當(dāng)n上升到穩(wěn)態(tài)值

13、n*時(shí)(圖b中的。點(diǎn))， 反饋電壓才與給定電壓平衡，此后，轉(zhuǎn)速偏差電壓變成負(fù)值，才使ASR 退出飽和。ASR開(kāi)始退出飽和時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)電流Id仍大于負(fù)裁電流IdL ,電 動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)加速，直到Id £ IdLM,轉(zhuǎn)速才降低下來(lái)，因此在起動(dòng)過(guò)程 中轉(zhuǎn)速必然超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)量不是按線性系統(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)。可以稱(chēng)作“退飽和超調(diào)”3有關(guān)“退飽和超調(diào)”的分析p84-85退飽和超調(diào)量顯然會(huì)小于線性系統(tǒng)的超調(diào)量，但究竟是多少，要分析飽和非線性的動(dòng)態(tài)過(guò)程才避旨知道。對(duì)于這一類(lèi)非線性問(wèn)題，可采用分段線性化的方法，按照飽和與退飽 和兩段，分別用線性系統(tǒng)的規(guī)律分析。P84 A

14、SR飽和時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，電流是恒值Idm，延續(xù)到n=n* 時(shí)為止。這一階段終了時(shí)，Id=Idmn=n*在ASR退飽和后，轉(zhuǎn)速環(huán)恢復(fù)到線性范圍內(nèi)運(yùn)行，具結(jié)構(gòu)圖如圖 2-26b o描述系統(tǒng)的微分方程和前面分析線性系統(tǒng)跟隨性能時(shí)完全一 樣，只是初始條件/、同了。圖 2-26b分析線性系統(tǒng)跟隨性能時(shí)，初始條件為n (0) =0, Id(0)=0討論退飽和超調(diào)時(shí)，飽和階段的終了狀態(tài)就是退飽和階段的初始狀態(tài)，只要把時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)移到t2時(shí)刻就可。退飽和的初始條件為n(0)=n*, Id(0)=Idm盡管兩種情況的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和微分方程完全相同，但由于初始條件不 同，過(guò)渡過(guò)程就可能大相徑庭。因此，退飽和超

15、調(diào)量并不等于典II系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)中的超調(diào)量。小結(jié)“退飽和超調(diào)量”不等于典II系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)中的超調(diào)量ASR退飽和以后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與分析線性系統(tǒng)跟隨性能 指標(biāo)時(shí)完全相同(圖2-26b ) 但是，初始條件/、同。n(0)=n*Id(0)=Idm注：已經(jīng)將時(shí)間坐標(biāo)從t=0移到t=t2時(shí)刻，t2按照ASR 飽和對(duì)應(yīng)的加速過(guò)程計(jì)算(式2-81 )直接計(jì)算比較麻煩。要計(jì)算退飽和超調(diào)量，照理應(yīng)該在新的初始條件下求解過(guò) 渡過(guò)程，但這樣的求解比較麻煩。退飽和過(guò)程vs負(fù)裁擾動(dòng)下的過(guò)渡過(guò)程：二者有相似之處， 于是就可找到一條計(jì)算退飽和超調(diào)量的捷徑。4計(jì)算“退飽和超調(diào)”的捷徑圖2-26b當(dāng)ASR 選用PI調(diào)節(jié)器

16、時(shí)圖2-29a* n(0) n , Id(0) I dm圖2-29a a)以轉(zhuǎn)速n為輸出量只考慮轉(zhuǎn)速偏差時(shí)圖2-29b b)以轉(zhuǎn)速超調(diào)值Dn為輸出量我們感興趣的只是在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以上的超調(diào)部分，即只考慮實(shí)際轉(zhuǎn)速 與給定的差值Dn=n-n* ,相應(yīng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖變?yōu)閳Db,初始條件的轉(zhuǎn)化n(0) 0, Id(0) Idm圖2-29b 整理符號(hào) 圖2-29c對(duì)照典II系統(tǒng)抗擾性能分析用圖(圖2-17b )完全相同，可以借鑒表2-7典II系統(tǒng)抗擾性能分析的結(jié)果，但注意基準(zhǔn) 值的選取。計(jì)算“退飽和超調(diào)”在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)中，C的基準(zhǔn)值Cb 2FK 2T對(duì)比上圖，退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào) Dn的基準(zhǔn)值2RT n

17、(Idm IdL)4丁 n加或 1% 2( z) *Ce TmTm轉(zhuǎn)速超調(diào)量sn% ,其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n* ,經(jīng)基準(zhǔn)值換算后得n% ( Cmax%)Jh 2( CmaX%)(z" T2CbnCbn Tm5三個(gè)值得注意的問(wèn)題P861）轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)n% （_Crnai%）Jnb 2（-Cm%）（z）Q LlCbnCbn Tm2）反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響。反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)是可以忽略的對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)說(shuō)，忽略反電動(dòng)勢(shì)的條件不成立，但它只會(huì)使轉(zhuǎn)速 超調(diào)量更小，不考慮它并無(wú)大礙。3）內(nèi)外環(huán)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較。以上頻率一個(gè)比一個(gè)小，從計(jì)算過(guò)程可以看出，這是必然的規(guī)律。因此， 這樣設(shè)計(jì)的雙環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)一定比內(nèi)環(huán)慢。一般來(lái)說(shuō)，電流環(huán)截止頻率（100-150）s -1轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率（20-50）s -1 轉(zhuǎn)速劃、與電流環(huán)的關(guān)系外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特 點(diǎn)。這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對(duì)系 統(tǒng)的組成和調(diào)試工作