第2章 多環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)

1、1多環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)多環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)第第 2 章章2內(nèi)容提要內(nèi)容提要 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。本章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制方法，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。我們將重點(diǎn)學(xué)習(xí)：系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。我們將重點(diǎn)學(xué)習(xí)：3n轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性其靜特性；n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)性能分析能

2、分析；n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)；雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)；n按按工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器節(jié)器內(nèi)容提要內(nèi)容提要42.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成及其靜特性的組成及其靜特性2.1.1問題的提出問題的提出 第第1章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和章中表明，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求例如：要求

3、快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。要。51. 主要原因主要原因 是因?yàn)樵谑且驗(yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制地控制電流和轉(zhuǎn)矩電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程的動(dòng)態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但但它只能在超過臨界電流值它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，以后，靠靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)

4、波形。6b) 理想的快速起動(dòng)過程理想的快速起動(dòng)過程IdLntIdOIdma) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2. 理想的起動(dòng)過程理想的起動(dòng)過程IdLntIdOIdmIdcr7 性能比較性能比較n帶電流截止負(fù)反饋的帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程如圖起動(dòng)過程如圖 所示，所示，起動(dòng)電流達(dá)到最大值起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后，受電流負(fù)反后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，饋的作用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延之減小，加速過

5、程延長。長。 IdLntIdOIdmIdcr圖圖2-1 a) 帶電流截止負(fù)反饋帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)8性能比較（續(xù)）性能比較（續(xù)）n理想起動(dòng)過程波形理想起動(dòng)過程波形如圖，這時(shí)，起動(dòng)如圖，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。速按線性增長。這這是在最大電流（轉(zhuǎn)是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。快的起動(dòng)過程。IdLntIdOIdm圖圖2-1 b) 理想的快速起動(dòng)過程理想的快速起動(dòng)過程93. 解決思路解決思路 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保

6、持為最大值關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。的恒流過程。 按照反饋控制規(guī)律，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。的恒流過程。10 現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：現(xiàn)在的問題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：n起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；負(fù)反饋；n穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。反饋。 怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩怎樣才能做到這種既存在

7、轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？段里起作用呢？112.1.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，可在系統(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，即分別引入轉(zhuǎn)速分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。12TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdId

8、UPEL-MTG+圖圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)TA電流互感器電流互感器 UPE電力電子變換器電力電子變換器內(nèi)環(huán)外 環(huán)13 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流圖中，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去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)外環(huán)。 這就形成了這

9、就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)。142. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個(gè)圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。大器的倒相作用。

10、15系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖圖圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE16 圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。限幅作用的。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓U*im決決定了電流給定電壓的最大值；定了電流給定電壓的最大值；n電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓的輸出限幅電壓Ucm限制限制了電力電子變換器的最大輸出電壓了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。173. 限

11、幅電路限幅電路二極管鉗位的外限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2184. 電流檢測電路電流檢測電路電流檢測電路電流檢測電路 TA電流互感器電流互感器TA192.1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注只要注意用帶限幅的輸出特性表示意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可調(diào)節(jié)器就可以了。以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握

12、這樣的分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。201. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE212. 限幅作用限幅作用 存在兩種狀況：存在兩種狀況：n飽和飽和輸出達(dá)到限幅值輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句

13、話說，節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)環(huán)開環(huán)。22n不飽和不飽和輸出未達(dá)到限幅值輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器工作在工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其，其作用是使輸入偏差電作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。 233. 系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性實(shí)際上，在正常運(yùn)實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。態(tài)的。因此，對(duì)于因此，對(duì)于靜特性來說，靜特性來說，只有只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與

14、不飽和兩種情況。不飽和兩種情況。 雙閉環(huán)直流調(diào)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖系統(tǒng)的靜特性如圖所示，所示，圖圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmINOnABC24（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和di*i0n*nIUUnnUU式中式中 ， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)關(guān)系式可得由第一個(gè)關(guān)系式可得 0*nnUn從而得到上圖靜特性的從而得到上圖靜特性的CA段。段。 (2-1) 25n 靜特性的水平特性靜特性的水平特性 與此同時(shí)，由于與此同時(shí)，由于ASR不飽和，不飽和，U*i U*im，從上，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知述第二個(gè)關(guān)系式可知

15、: Id Idm。 這就是說，這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到一直延續(xù)到 Id = Idm ，而而 Idm 一般都是大于額定電流一般都是大于額定電流 IN 的。這就是靜特性的的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是運(yùn)行段，它是水平的特性水平的特性。 26（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)，這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值輸出達(dá)到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)節(jié)系

16、統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm*imdIUI式中，最大電流式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。度。(2-2) 27n 靜特性的垂直特性靜特性的垂直特性 式（式（2-2）所描述的靜特性是上圖中的）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。將退出飽和狀態(tài)。 284. 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電

17、流小于于Idm時(shí)表現(xiàn)為時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為表現(xiàn)為電流無靜差電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。保護(hù)。29 這就是采用了兩個(gè)這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)

18、算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器”時(shí)，時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如上圖中虛線所示。如上圖中虛線所示。 30各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4)

19、 31 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓是由給定電壓U*n決定的；決定的； ASR的輸出量的輸出量U*i是由負(fù)載電流是由負(fù)載電流 IdL 決定的；決定的； 控制電壓控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于的大小則同時(shí)取決于 n 和和 Id，或者說，同時(shí)取決于或者說，同時(shí)取決于U*n 和和 IdL。32 這些關(guān)系反映了這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它輸出量的穩(wěn)態(tài)值

20、與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。多少，直到飽和為止。33n 反饋系數(shù)計(jì)算反饋系數(shù)計(jì)算 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)電流反饋系數(shù) max*nmnU

21、dm*imIU(2-6) (2-7) 34 兩個(gè)給定電壓的最大值兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和和U*im由設(shè)由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下：nU*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；源的限制；nU*im 為為ASR的輸出限幅值。的輸出限幅值。351雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，在恒流升速階段恒流升速階段時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的狀時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的狀態(tài)是（態(tài)是（ ）。）。 （A）ASR飽和、飽和、ACR不飽和不飽和 （B）ACR飽和、飽和、ASR不飽和不飽和 （C）ASR和和ACR都飽和都飽和 （D）ACR和和ASR都不飽和都不飽和2在

22、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的平直段穩(wěn)態(tài)特性的平直段，ASR工作在（工作在（ ）狀）狀態(tài)、態(tài)、ACR工作在（工作在（ ）狀態(tài)；而在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）狀態(tài)；而在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的穩(wěn)態(tài)特性的下垂段下垂段，ASR工作在（工作在（ ）狀態(tài)、）狀態(tài)、ACR工作在（工作在（ ）狀態(tài)）狀態(tài)（A） ASR工作在線性狀態(tài)工作在線性狀態(tài) （B）ACR工作在線性狀態(tài)工作在線性狀態(tài) （C） ASR工作在限幅狀態(tài)工作在限幅狀態(tài) （D）ACR工作在限幅狀態(tài)工作在限幅狀態(tài)例題精講例題精講36VUn5*AIdL10nnU*iUiUcU（3）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在，各為多少？各為多少？ 37382.2

23、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 和動(dòng)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析本節(jié)提要n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n起動(dòng)過程分析起動(dòng)過程分析n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能n轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用392.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

24、，如下圖所示。401. 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E412. 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 圖中圖中WASR(s)和和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用采用PI調(diào)節(jié)器，則有調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(422.2.2 起動(dòng)過程分析起動(dòng)過程分析 前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重前已指出，設(shè)

25、置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過程獲得接近理想起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于下圖。過程示于下圖。43圖圖2-6 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 441. 起動(dòng)過程起動(dòng)過程 由于在起動(dòng)過程中

26、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)經(jīng)歷了歷了不飽和、飽和、退飽和不飽和、飽和、退飽和三種情況，整三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。三個(gè)階段。 45（1）第）第I階段電流上升的階段（階段電流上升的階段（0 t1） 突加給定電壓突加給定電壓 U*n 后，后，Id 上升，當(dāng)上升，當(dāng) Id 小小于負(fù)載電流于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因而轉(zhuǎn)慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓

27、的數(shù)值仍的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)，強(qiáng)迫電流迫電流 Id 迅速上升。迅速上升。46IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt（1）第）第I階段（續(xù)）階段（續(xù)）47（1）第）第 I 階段（續(xù)）階段（續(xù)）直到，直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了很快就壓制了Id 的增長，標(biāo)志著這一的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。階段的結(jié)束。 在這一階段中，在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而持飽和狀態(tài)，而ACR一般一般不飽和。不飽和。48（2）第）第 II

28、 階段恒流升速階段（階段恒流升速階段（t1 t2） 在這個(gè)階段中，在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保，基本上保持電流持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，定，轉(zhuǎn)速呈線性增長轉(zhuǎn)速呈線性增長。49n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt（2）第）第 II 階段（續(xù)）階段（續(xù)）50（2）第）第 II 階段（續(xù)）階段（續(xù)）與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢E 也按線性增也按線性增長

29、，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個(gè)線性是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量（圖漸增的擾動(dòng)量（圖2-5和和2-6），為了克服，為了克服它的擾動(dòng)，它的擾動(dòng)， Ud0和和 Uc 也必須基本上按線也必須基本上按線性增長，才能保持性增長，才能保持 Id 恒定。恒定。當(dāng)當(dāng)ACR采用采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，定的恒值，也就是說，也就是說， Id 應(yīng)略低于應(yīng)略低于 Idm。51（2）第）第 II 階段（續(xù)）階段（續(xù)） 恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階段。段。 為了保

30、證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中起動(dòng)過程中 ACR是不應(yīng)飽和是不應(yīng)飽和的，的，電力電電力電子裝置子裝置 UPE 的最大輸出電壓的最大輸出電壓也須留有余也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。52（3）第）第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）以后） 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，的輸入偏差減少到零，但其輸出卻但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值由于積分作用還維持在限幅值U*im ，所，所以電機(jī)仍在加速，使以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)

31、速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，使它開始退出飽和狀態(tài)， U*i 和和 Id 很快很快下降。但是，下降。但是，只要只要 Id 仍大于負(fù)載電流仍大于負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。53IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt（3）第）第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）54（3）第）第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）直到直到Id = IdL時(shí)，時(shí)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。時(shí)）。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t

32、1 tt55（3）第）第 階段（續(xù)）階段（續(xù)）此后此后，電動(dòng)機(jī)開，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力始在負(fù)載的阻力下減速，與此相下減速，與此相應(yīng)，應(yīng)，在一小段時(shí)在一小段時(shí)間內(nèi)（間內(nèi)（ t3 t4 ），）， Id IdL ，直到穩(wěn)，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些好，也會(huì)有一些振蕩過程。振蕩過程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt56（3）第）第 階段（續(xù)）階段（續(xù)） 在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和和ACR都不飽和都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用節(jié)作用，而，而ACR則力圖使則

33、力圖使 Id 盡快地跟隨盡快地跟隨其給定值其給定值 U*i ，或者說，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 572. 分析結(jié)果分析結(jié)果 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1） 飽和非線性控制；飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)；轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 58（1） 飽和非線性控制飽和非線性控制 根據(jù)根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)當(dāng)ASR飽和時(shí)飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，

34、系統(tǒng)表現(xiàn)為現(xiàn)為恒值電流恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)當(dāng)ASR不飽和時(shí)不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)電流隨動(dòng)系統(tǒng)。59（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)）轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓的輸入偏差電壓 Un 為負(fù)為負(fù)值，才能使值，才能使ASR退出飽和退出飽和。 這樣，采用這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

35、必然有超調(diào)。的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。60（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過程中的主要階段是第起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的階段的恒流升速，恒流升速，它的特征是電流保持恒定它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。過程盡可能最快。 這階段屬于這階段屬于有限制條件有限制條件的的最短時(shí)間最短時(shí)間控制?？刂?。因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。61 最后，應(yīng)該指出：最后，應(yīng)該指出： 對(duì)于不可逆的電力

36、電子變換器對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘磁抱閘。 622.2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能抗擾性能。主要是。主要

37、是抗抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)和和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。的性能。63 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 抗負(fù)載擾動(dòng)抗負(fù)載擾動(dòng)IdL直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗負(fù)載擾作用641.抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)）抗負(fù)載擾動(dòng)（續(xù)） 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。用。在設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)?？箶_性能指標(biāo)。 65直

38、流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用a)單閉環(huán)系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)2. 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E662.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）-IdLb)雙閉環(huán)系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)Ud電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)在整流電壓上的反映 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-EUd673. 對(duì)比分析對(duì)比分析(1)在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)作用點(diǎn)離被調(diào)量較

39、遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。(2)雙閉環(huán)系統(tǒng)中，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。能反饋回來，抗擾性能大有改善。684. 分析結(jié)果分析結(jié)果 因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多

40、。692.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：作用可以分別歸納如下： 701. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(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）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)主導(dǎo)調(diào)節(jié)器節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓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，如果采變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差無靜差。 （2）對(duì)）對(duì)負(fù)載變化負(fù)載變化起抗擾作用。起抗擾作用。 （3）其輸出限

41、幅值決定電機(jī)允許的最大）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流。712. 電流調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓其給定電壓 （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化?；＃?）對(duì)）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作起及時(shí)抗擾的作用。用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。72 （4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)

42、時(shí)，限制電樞電流的最大樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)一旦故障消失，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)行來說正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。是十分重要的。732.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)本節(jié)提要n調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的必要性、可能性與基本調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的必要性、可能性與基本思路思路n控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)n典型典型型系統(tǒng)以及系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)以及系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 n典型典型型系統(tǒng)以及系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)以及

43、系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 n非典型系統(tǒng)的典型化非典型系統(tǒng)的典型化 741.必要性：必要性： 用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決決穩(wěn)、快、準(zhǔn)、抗干擾穩(wěn)、快、準(zhǔn)、抗干擾等各方面相互有矛盾的等各方面相互有矛盾的動(dòng)、靜態(tài)性能要求動(dòng)、靜態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。2.3.1調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的必要性、可能性調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的必要性、可能性與基本思路與基本思路752.可能性：可能性： 大多

44、數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低低階系統(tǒng)階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過程就簡便多，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 763.工程設(shè)計(jì)方法的基本思路工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 （1）選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)）選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。（2）設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以

45、滿足動(dòng)態(tài)性能）設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求指標(biāo)的要求。77這樣做，就可把這樣做，就可把“穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn) 和抗干擾和抗干擾”之間相互交叉的矛之間相互交叉的矛盾問題分成盾問題分成兩步來解決兩步來解決： 第一步:解決主要矛盾: 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度; 第二步: 再進(jìn)一步滿足其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí), ,只采用少量典型系統(tǒng)只采用少量典型系統(tǒng), ,其參數(shù)與系統(tǒng)性能其參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系明確指標(biāo)的關(guān)系明確, ,可使參數(shù)設(shè)計(jì)方法規(guī)范化可使參數(shù)設(shè)計(jì)方法規(guī)范化, ,減少設(shè)計(jì)工作量。減少設(shè)計(jì)工作量。 782.3.2 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 對(duì)

46、給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)對(duì)給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo) 對(duì)撓動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)對(duì)撓動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo) 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝“對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求”，經(jīng)經(jīng)折算和量化后可表達(dá)為折算和量化后可表達(dá)為“動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)”。 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，包括：動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，包括：791. 跟隨性能指標(biāo)：跟隨性能指標(biāo)： 在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下，在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有標(biāo)有 tr 上升時(shí)間上升時(shí)間 超調(diào)量超調(diào)量 ts 調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間80 系統(tǒng)典型的階躍響

47、應(yīng)曲線系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線圖圖2-7 典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)812. 抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有常用的抗擾性能指標(biāo)有 Cmax 動(dòng)態(tài)降落動(dòng)態(tài)降落 tv 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間 82 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)圖圖2-8 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)83實(shí)際控制系統(tǒng)對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求不同。例如:n可逆軋鋼機(jī)可逆軋鋼機(jī)，需要連續(xù)正反向軋制許多道次，需要連續(xù)正反向軋制許多道次，對(duì)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)對(duì)

48、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能都有較高要求跟隨性能和抗擾性能都有較高要求；n一般生產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)一般生產(chǎn)中用的不可逆調(diào)速系統(tǒng)，主要要求一定的主要要求一定的“轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速抗擾性能抗擾性能”，其跟隨性能如何關(guān)系不大；，其跟隨性能如何關(guān)系不大；n工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床位置隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)，位置隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)，對(duì)跟隨性對(duì)跟隨性能要求高；能要求高；n大型天線大型天線的隨動(dòng)系統(tǒng)，的隨動(dòng)系統(tǒng)，需要較高的跟隨性能，對(duì)抗撓性能需要較高的跟隨性能，對(duì)抗撓性能也有一定要求。也有一定要求。2. 抗擾性能指標(biāo)（續(xù)）抗擾性能指標(biāo)（續(xù)）842. 抗擾性能指標(biāo)（續(xù)）抗擾性能指標(biāo)（續(xù)）總之，一般來說： 調(diào)速

49、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主以抗擾性能為主； 隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主以跟隨性能為主。852.3.3 典型典型I型系統(tǒng)以及系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)型系統(tǒng)以及系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系的關(guān)系 一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為都可表示為 (2-9)n1iirm1jj) 1() 1()(sTssKsW)(sWR(s)C(s)86 上式中，分母中的上式中，分母中的 sr 項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有 r 重極點(diǎn)，或者說，重極點(diǎn)，或者說，系統(tǒng)含有系統(tǒng)含有 r 個(gè)積分環(huán)節(jié)個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù)。根據(jù) r=0，1，2，等不同數(shù)值，分別稱作等不同數(shù)值

50、，分別稱作0型、型、I型、型、型、型、系統(tǒng)。系統(tǒng)。 自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而型和型和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定型以上的系統(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，因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選多選用用I型和型和II型系統(tǒng)。型系統(tǒng)。871. 典型典型I型系統(tǒng)型系統(tǒng)（1）結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)）結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) ) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中式中 T 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)； K 系統(tǒng)的開環(huán)增益。系統(tǒng)的開環(huán)增益。（2-10）88) 1()(TssKsW1（2）開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性）開環(huán)

51、對(duì)數(shù)頻率特性89n性能特性性能特性 典型的典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 線線，只要，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一參數(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，即定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量，即選擇參數(shù)選擇參數(shù)滿足滿足 T1c1cT或或于是，相角穩(wěn)定裕度于是，相角穩(wěn)定裕度 45arctg90arctg90180ccTT902. 典型典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系它包含兩個(gè)參數(shù)：開環(huán)增益它包含兩個(gè)參數(shù)：開環(huán)增益 K

52、 和時(shí)間常數(shù)和時(shí)間常數(shù) T 。v時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) T 往往是控制對(duì)象本身固有的往往是控制對(duì)象本身固有的；v能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益 K。即，。即，K 是是唯一的待定參數(shù)。唯一的待定參數(shù)。 設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)按照性能指標(biāo)選擇參數(shù) K 的的大小。大小。( ).(2 9)(1)KW ss Ts開環(huán)傳遞函數(shù):91 K 與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系 下圖繪出了在不同下圖繪出了在不同 K 值時(shí)典型值時(shí)典型 I 型系統(tǒng)的開型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，箭頭表示箭頭表示K值增大時(shí)特性變值增大時(shí)特性變化的方向?；姆较?/p>

53、。 也在增大也在增大c92 K 與截止頻率與截止頻率 c 的關(guān)系的關(guān)系 當(dāng)當(dāng) c 1 / T時(shí)，特性以時(shí)，特性以20dB/dec斜率穿斜率穿越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。越零分貝線，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。由圖由圖中的特性可知中的特性可知c20lg20lglg1K所以所以 K = c （當(dāng)（當(dāng) c 時(shí)）時(shí)） T1(2-12) 93 上式表明，上式表明，K 值越大，截止頻率值越大，截止頻率 c 也越也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度 = 90 arctg cT 越小越小，這也說明快速性與這也說明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù)在具體選擇參

54、數(shù) K時(shí)，時(shí)，須在二者之間取須在二者之間取折衷折衷。 下面將用數(shù)字定量地表示下面將用數(shù)字定量地表示 K 值與值與各項(xiàng)性各項(xiàng)性能指標(biāo)能指標(biāo)之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 94表表2-1 I型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號(hào)輸入信號(hào)階躍輸入階躍輸入斜坡輸入斜坡輸入加速度輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 0v0 / K 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR(1) 典型典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)可可用不同用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示

55、。輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。95 由表可見：由表可見： a.a.在階躍輸入下的在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無差的；差的； b.b.但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與且與 K 值成反比；值成反比； c.c.在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為 。 因此，因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。的隨動(dòng)系統(tǒng)。96 動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)n閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型 I 型系統(tǒng)是一種型系統(tǒng)是一種二階二階系統(tǒng)系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式一般形式為為 2nn

56、22ncl2)()()(sssRsCsW（2-14） 式中式中 n 無阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱無阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱 固有角頻率固有角頻率； 阻尼比阻尼比，或稱衰減系數(shù)。，或稱衰減系數(shù)。97 由典型由典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式（型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)式（2-10）可）可以求出其閉環(huán)傳遞函數(shù)為以求出其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 TKsTsTKTssKTssKsWsWsWcl1) 1(1) 1()(1)()(2（2-15） 2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（2-14）98nK、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系 TKnKT121T21n(2-16) (2-17

57、) (2-18) 且有且有 99n二階系統(tǒng)的性質(zhì)二階系統(tǒng)的性質(zhì)l當(dāng)當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振欠阻尼的振蕩特性蕩特性，l當(dāng)當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單過阻尼的單調(diào)特性調(diào)特性；l當(dāng)當(dāng) = 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼臨界阻尼。 由于過阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一由于過阻尼特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成般常把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成欠阻尼狀態(tài)欠阻尼狀態(tài)，即，即 0 1100 由于在典由于在典 I 系統(tǒng)中系統(tǒng)中 KT 0.5。因此在典型。因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取型系統(tǒng)中應(yīng)取 下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下面列出欠阻尼二階系

58、統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式 15 . 0(2-18) 101n性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 %100e%)1/(2)arccos(122rTt(2-19) (2-20) (2-21) 2np1t超調(diào)量超調(diào)量 上升時(shí)間上升時(shí)間 峰值時(shí)間峰值時(shí)間 調(diào)節(jié)時(shí)間 36sntT（當(dāng)T1=T。 在階躍擾動(dòng)下，在階躍擾動(dòng)下，sFsF)( 可得可得 )(1() 1(11)()(1)()(2222122212KsTssTTsFKTsKKssTFKsWsWsWsFsC106如果按如果按“最佳最佳”法選定法選定KT=0.5，即，即K=K1K2=1

59、/(2T)，則，則) 122)(1() 1(2)(2222TssTsTTsTFKsC （2-24） 拉普拉斯反變換，可得拉普拉斯反變換，可得 2sin2cos)1 ()1(1222)(2/2/222TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt（2-25） 式中式中 21TTm 控制對(duì)象中兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比值，它的值小于控制對(duì)象中兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比值，它的值小于1。 107 取不同的取不同的m值，可計(jì)算出相應(yīng)的值，可計(jì)算出相應(yīng)的C（t）= f（t）動(dòng)態(tài)曲線，從而求得最大動(dòng)態(tài)降落動(dòng)態(tài)曲線，從而求得最大動(dòng)態(tài)降落Cmax（用基（用基準(zhǔn)值準(zhǔn)值Cb的百分?jǐn)?shù)表示）和對(duì)應(yīng)的時(shí)間的百分?jǐn)?shù)表示）和對(duì)應(yīng)的時(shí)間tm以及

60、允許以及允許誤差帶為誤差帶為5Cb時(shí)的恢復(fù)時(shí)間時(shí)的恢復(fù)時(shí)間tv（tm、tv都用都用T的倍數(shù)表示），計(jì)算結(jié)果列于表的倍數(shù)表示），計(jì)算結(jié)果列于表2-3中。中。 108221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表表2-3 典型典型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)如圖控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-10所示，已選定的參數(shù)關(guān)系所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5) 109n 分析結(jié)果：分析結(jié)果： 由表由表2-3中的數(shù)