轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

1、.第2章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形,圖2-1a)。在起動(dòng)過(guò)程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形示于圖2-1b。為了實(shí)現(xiàn)在

2、允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。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，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。2.1.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，如圖2-2所示。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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。+TGnASRA

3、CRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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)TA電流互感器 UPE電力電子變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán)ni轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，圖2-3。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，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。圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+

4、-+-2.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-4。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，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。圖2-4(a) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(ASR未飽和)a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) b 電流反饋系數(shù) Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和穩(wěn)態(tài)時(shí)，、，轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。，圖2-5靜特性的CA段。，CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是

5、大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，成電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)， 為最大電流。靜特性是圖2-5中的AB段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(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)到時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，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，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。2.1.3 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，、。轉(zhuǎn)速n由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由

6、負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于n和，或者說(shuō)，同時(shí)取決于和。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，PI調(diào)節(jié)器未飽和時(shí)，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，最終使PI調(diào)節(jié)器輸入為零，才停止積分。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，電流反饋系數(shù)。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析2.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-6所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*

7、iId1/Ce+E2.2.2 起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖2-7。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 第I階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，、都上升，在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫

8、電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR不飽和。第II階段（）是恒流升速階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，應(yīng)略低于。第階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的

9、輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值，電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時(shí)間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段振蕩過(guò)程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值。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)：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。2.2.3 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比

10、較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。1、抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。a 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACRb U*iUi-EId圖27 抗負(fù)載擾動(dòng)2、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用，圖2-8。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，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)。a 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACRb U*iUi-E圖28 抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)2

11、.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用(1) 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n很快地跟隨給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。(2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。(3) 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是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。(2) 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。(3) 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，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。(4) 當(dāng)電機(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

12、失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。2.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法必要性: 設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求?？赡苄? 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可由低階系統(tǒng)近似，事先研究低階典型系統(tǒng)的特性，將實(shí)際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。建立調(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)。2.3.1 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)

13、程分作兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.3.2 典型系統(tǒng)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示分母中的項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，根據(jù),1,2,等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、型、系統(tǒng)。0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型和II型系統(tǒng)。1、典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)

14、構(gòu)圖示于圖2-9a，圖2-9b表示它的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。 a)dB/decdB/decb)圖29 典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以dB/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，且有足夠的穩(wěn)定裕量。當(dāng)或時(shí)，相角穩(wěn)定裕度。2、典型型系統(tǒng)典型型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性示于圖2-10，中頻段也是以dB/dec的斜率穿越零分貝線。O圖210 典型型系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性當(dāng)或時(shí)，相角穩(wěn)定裕度比大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。2.3.3 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)自動(dòng)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

15、對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。1、跟隨性能指標(biāo)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2-11。±5%（或±2%） 0 Otrts圖211 動(dòng)態(tài)響應(yīng)2、抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量以后，輸出量由降低到恢復(fù)的過(guò)渡過(guò)程是系統(tǒng)典型的抗擾過(guò)程，如圖2-12所示。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間。±5%（或±2%） O tmtvCb圖212 典型的抗擾過(guò)程2.3.4 典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)包

16、含兩個(gè)參數(shù)：開(kāi)環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T。其中，時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開(kāi)環(huán)增益K，也就是說(shuō)，K是唯一的待定參數(shù)。圖2-13繪出了在不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，當(dāng)時(shí)，特性以-20dB/dec斜率穿越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖中的特性可知，所以（當(dāng)時(shí)）。K越大，截止頻率也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度越小，這也說(shuō)明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。圖213 不同K值時(shí)典型I型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性1、典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差：在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)差的，但在斜坡輸入下

17、則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為。表2-1 I型系統(tǒng)在不同的典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差0（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為，無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；阻尼比，或稱衰減系數(shù)。參數(shù)、與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)、之間的換算關(guān)系如下，且。當(dāng)時(shí)，欠阻尼的振蕩特性，當(dāng)時(shí)，過(guò)阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)時(shí)，是臨界阻尼。由于過(guò)阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，一般把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)，即。典型I型系統(tǒng)中，得，因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取。欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：超調(diào)量：，上升時(shí)間：，峰值時(shí)間

18、：。表2-2 典型I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)系參數(shù)關(guān)系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量%0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.64.73.32.4峰值時(shí)間8.36.24.73.6相角穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率0.243/0.367/0.455/0.596/0.786/2 典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖2-14a是在擾動(dòng)量F作用下的典型I型系統(tǒng)，其中，是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù)，后面部分是，于是。只討論抗擾性能時(shí)，

19、可令輸入變量，這時(shí)輸出變量可寫成。將擾動(dòng)作用前移到輸入作用點(diǎn)上，即得圖2-14b所示的等效結(jié)構(gòu)圖。典型I型系統(tǒng) 圖214 在擾動(dòng)作用下輸出變化量的象函數(shù)為，若、，屬典型I型系統(tǒng)。在階躍擾動(dòng)下，當(dāng)，則，階躍擾動(dòng)后輸出變化量的動(dòng)態(tài)過(guò)程函數(shù)，式中控制對(duì)象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù)的比值。輸出量的最大動(dòng)態(tài)降落用基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)表示，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間用時(shí)間常數(shù)T的倍數(shù)表示，允許誤差帶為±5%時(shí)的恢復(fù)時(shí)間也用T的倍數(shù)表示。為了使和的數(shù)值都落在合理范圍內(nèi)，將基準(zhǔn)值取為。表2-3 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(控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-15所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5)55.5%33.2

20、%18.5%12.9%2.83.43.84.014.721.728.730.4由表2-3中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng)。2.3.5 典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型II型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中時(shí)間常數(shù)也是控制對(duì)象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個(gè)：和。令， 是斜率為-20dB/dec的中頻段的寬度（對(duì)數(shù)坐標(biāo)），稱作“中頻寬”，圖2-16典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬。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，、，確定了和之后，則，。1典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系（1）穩(wěn)態(tài)

21、跟隨性能指標(biāo)典型型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差表2-5 型系統(tǒng)在不同的典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00在階躍輸入和斜坡輸入下，型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)都是無(wú)差的，在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與開(kāi)環(huán)增益成反比。（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)當(dāng)取不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)函數(shù)，從而計(jì)算出%、和振蕩次數(shù)。采用數(shù)字仿真計(jì)算的結(jié)果列于表2-6中。表2-6 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)(按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系)345678910%52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.15

22、11.659.5510.4511.3012.2513.2514.20322111112、典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系典型型系統(tǒng)抗擾結(jié)構(gòu)圖2-17a，、，屬典型型系統(tǒng)。在階躍擾動(dòng)下，取輸出量基準(zhǔn)值為。表2-7 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（控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-17所示，參數(shù)關(guān)系符合準(zhǔn)則）34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85一般來(lái)說(shuō)，值越小，也越小，和都短，因而抗擾性能越好

23、，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。由此可見(jiàn)，是較好的選擇。典型I型系統(tǒng)和典型型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動(dòng)態(tài)性能中，一般來(lái)說(shuō)，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，而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。2.3.6 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理非典型系統(tǒng)的典型化1、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇確定了要采用哪一種典型系統(tǒng)之后，選擇調(diào)節(jié)器的方法就是把控制對(duì)象與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)相乘，匹配成典型系統(tǒng)。表2-8 校正成典型I型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇和參數(shù)配合 控制 對(duì)象 調(diào)節(jié)器參數(shù)配合表2-9 校正成典型II型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

24、器選擇和參數(shù)配合控制 對(duì)象 調(diào)節(jié)器 參數(shù) 配合 認(rèn)為： 認(rèn)為：2、傳遞函數(shù)的近似處理（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，和是小時(shí)間常數(shù)，近似為，近似的條件是。（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理忽略特征方程的高次項(xiàng)。以三階系統(tǒng)為例，其中都是正系數(shù)，且，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，近似條件。（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理一個(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)，近似條件。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)器用工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。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)

25、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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-22，不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)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+Eb Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)圖2-22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 E(s)2.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1、電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)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)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即。

26、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2-23b）。和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為，則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖2-23c。2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成，電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算調(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，則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中，圖2-24b校正后電流環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性。希望電流超調(diào)量，可選=0.707，

27、即。4、電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖示于圖2-25。圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。可以導(dǎo)出、。2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)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)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)忽略高次項(xiàng)，可降階近似為,近似條件。電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為。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)控制后，可以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)。這就表明，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)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

28、圖如圖2-26a所示，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，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(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)，轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化成圖2-26b。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(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，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)成典型型系統(tǒng)。ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；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)為開(kāi)環(huán)增益，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖2-26c。3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算按照典型型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系，、，因此，一般以選擇。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為、。2.4.3 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)，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓變成負(fù)值，ASR退出飽和,因此在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速必然超調(diào)。不是按線性系統(tǒng)規(guī)律的超調(diào)，