電力拖動直流篇復(fù)習(xí)ppt課件

1、直流部分復(fù)習(xí)開環(huán)機械特性；閉環(huán)靜特性閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)變化對速度的影響PI調(diào)節(jié)器的特性及在雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用典，型系統(tǒng)的特點及設(shè)計可逆系統(tǒng)的環(huán)流及抑制可逆系統(tǒng)的制動過程三個階段）單閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計算D，S，Kp等計算）雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第 1 篇根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速： （1調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2減弱勵磁磁通 ； （3改變電樞回路電阻 R。第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

2、運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2.1.1 晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)圖21 晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)V-M系統(tǒng)原理圖在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：（2-1）式中， Ud平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。csdUKUdtdiLRiEuddd0(2-2)式中 E電動機反電動勢(V)； id整流電流瞬時值(A)； L主電路總電感(H)； R主電路總電阻(), ；瞬時

3、電壓平衡方程式圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 3晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性 當(dāng)電流波形連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為（2-7） 式中，Ce電動機在額定磁通下的電動勢 系數(shù))RIU(C1nd0deNeeKC圖2-5 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性圖26 V-M系統(tǒng)機械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 傳遞函數(shù)的近似處理 按泰勒級數(shù)展開，可得 33s22ssssTssTsssT! 31sT!21sT1KeKeK)s(Wssn 依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) sT1K)s(Wsss（

4、2-16） 圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍、調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)和最低轉(zhuǎn)速速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即表示，即（2-27）nmax和和nmin是電動機在額定負(fù)載時的最高和最低是電動機在額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，也可用實際負(fù)載時的最對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，也可用實際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。高和最低轉(zhuǎn)速。minmaxnnD 2、靜差率、靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一

5、轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN與與理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：之比：（2-28）用百分?jǐn)?shù)表示用百分?jǐn)?shù)表示（2-29）0nnsN%1000nnsN靜差率與機械特性硬度的區(qū)別圖2-14 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率 特性a和b的硬度相同， 特性a和b額定速降相同， 特性a和b的靜差率不相同。 3. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系（2-30）對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN值是定值。要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。)1 (

6、snsnDNN圖215 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性機械特性機械特性 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動機 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 穩(wěn)態(tài)關(guān)系 電壓比較環(huán)節(jié) 比例調(diào)節(jié)器 測速反饋環(huán)節(jié) 電力電子變換器 直流電動機 n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRI

7、UnKp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Vmin/r）靜特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流或轉(zhuǎn)矩間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 espCKKK圖2-17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-19 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 比例放大器的傳遞函數(shù) 電力電子變換器的傳遞函數(shù) 測速反饋的傳遞函數(shù)1)(sTKsWsss(2-33)

8、pncaKsUsUsW)()()(（2-42） )()()(snsUsWnfn(2-43) 2轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路 假定主電路電流連續(xù)， 動態(tài)電壓方程： (2-34) 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩， 電動機軸上的動力學(xué)方程： (2-35)EdtdILRIUddd0dtdnGDTTLe3752 額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (2-36) (2-37) 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，（Nm） 電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，(Nm2) 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(Nm/A) 再定義下列時間常數(shù)： 電樞回路電磁時間常

9、數(shù)(s) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)nCEedmeICT LT2GDemCC30RLTlmemCCRGDT3752 直流電動機有兩個輸入量： 一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量， 另一個是負(fù)載電流IdL，是擾動輸入量。 如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得圖2-22。 額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)， 時間常數(shù)Tm表示機電慣性 時間常數(shù)Tl表示電磁慣性。 圖2-22 直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換 圖2-23 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可

10、以看作是一個三階線性系統(tǒng)。2.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)機械特性為 (2-46) 式中， 表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opn0opn0clncln（1閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng) 機械特性硬得多 在同樣的負(fù)載擾動下， 開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 它們的關(guān)系是 (2-48)edo

11、pCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng) 小得多 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 當(dāng) 時， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3如果所要求的靜差率一定，那么 閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍 如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得 開環(huán)時， 閉環(huán)時， 得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 結(jié)論結(jié)論2： 把以上三點概括起來，可得下述結(jié)論： 比值控制的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差

12、率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及轉(zhuǎn)速檢測與反饋裝置。 圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性2反饋控制規(guī)律（1比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。但只要比例放大系數(shù)但只要比例放大系數(shù)Kp常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，除它，這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控

13、制系統(tǒng)。這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，（2反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動, 服從給定服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，用，對于給定作用的變化唯命是從。對于給定作用的變化唯命是從。擾動擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做的一切會引起輸出量變化

14、的因素都叫做“擾動作擾動作用用”。調(diào)速系統(tǒng)的擾動源 負(fù)載變化的擾動使Id變化）； 交流電源電壓波動的擾動使Ks變化）； 電動機勵磁的變化的擾動造成Ce 變化 ）； 放大器輸出電壓漂移的擾動使Kp變化）； 溫升引起主電路電阻增大的擾動使R變化）； 檢測誤差的擾動使變化） 。 在圖2-25中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。圖2-25 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用n 結(jié)論3： 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。（3系統(tǒng)的精度依賴于給定

15、和反饋檢測的精系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度度反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動。節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動。反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。服的。現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。 2.3.3 比例積分控制的無靜差 直流調(diào)速系統(tǒng) 比例與積分控制的比較 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。 比例積分控制

16、規(guī)律 比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。n在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。 在t=0時就有Uex(t)=KpUin，實現(xiàn)了快速控制； 隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長， 在t=t1時，Uin=0， 圖2-29 PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性ininpexUtUKtU)(in1exUtU 在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成， 比例部分和Un成正比， 積分部分表示了從t=0到此時刻對Un(t)的積分值， Uc是這兩部分之和。圖2

17、-30 閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程2.5 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 限流保護2.5.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時，在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對電動機來說，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對電動機來說，相當(dāng)于全壓起動，會造成電動機過流。相當(dāng)于全壓起動，會造成電動機過流。當(dāng)直流電動機被堵轉(zhuǎn)時，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。當(dāng)直流電動機被堵轉(zhuǎn)時，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器來保護，過載如果只依靠過流繼電器或熔斷器來保護，過載時就跳閘。時就跳閘。

18、解決辦法解決辦法 系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 引入電流負(fù)反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取消。 當(dāng)電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。圖2-40 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-41帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 CA段 : （2-32） 電流負(fù)反饋被截止 AB段 : （2-94） 電流負(fù)反饋起作用 3帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-43 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

19、框圖IdIdcr） 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(2-99) 式中 nmax電動機調(diào)壓時的最高轉(zhuǎn)速； U*nmax相應(yīng)的最高給定電壓。max*maxnUn圖2-44 帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)3.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作

20、電流調(diào)節(jié)器的輸入，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再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；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)。形成了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱雙閉環(huán)電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。系統(tǒng)）。3.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 1. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定的最大值，

21、電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和； 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。 對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況，電流調(diào)節(jié)器不進入飽和狀態(tài) 。圖3-3 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) 電流反饋系數(shù)n 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n 限幅作用 存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，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使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和

22、輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。n 系統(tǒng)靜特性di*i0n*nIUUnnUU0*nnUn（1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdNOnABC（2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和dm*imdIUI則得靜特性的CA段則得靜特性的AB段2. 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(3-3) (3-5) (3-

23、4) 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓U*n決定的； ASR的輸出量:U*i是由負(fù)載電流 IdL 決定的； ACR的輸出量:控制電壓 Uc 的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于U*n 和 IdL。n PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。 P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量， PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)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。n 反饋系數(shù)計算 鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(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)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)

24、的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) max*nmnUdm*imIU(3-6) (3-7) 3.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析3.2.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)2.調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型 圖中WASR(s)和WACR(s)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)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有 ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(3.2.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析 對調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對象是轉(zhuǎn)速。 跟隨性能可以用階躍給定下的動態(tài)響應(yīng)描述。 能否實現(xiàn)所期

25、望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標(biāo)。圖3-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 1. 起動過程分析起動過程分析2分析結(jié)果 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點： （1） 飽和非線性控制； （2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。 1） 起動過程由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I電流上升）、II （恒流升速） 、III （轉(zhuǎn)速調(diào)整三個階段。2動態(tài)抗擾性能分析 雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差別

26、在于多了一個電流反饋環(huán)和電流調(diào)節(jié)器。 調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動性能， 閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點的位置有關(guān)。 （1抗負(fù)載擾動 負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。 在設(shè)計ASR時，要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 圖3-7 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用負(fù)載擾動（2抗電網(wǎng)電壓擾動 電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，使抗擾性能得到改善。 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 圖3-7 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用電網(wǎng)電壓擾動n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(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)速很快地跟隨給定

27、電壓變化, 如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。n 電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，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。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流。當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。3.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括：對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)

28、1、跟隨性能指標(biāo) 在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。 通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程， 此跟隨過程的輸出量動態(tài)響應(yīng)稱作階躍響應(yīng)。 常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。 圖3-8 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)%100maxCCC上升時間 峰值時間 調(diào)節(jié)時間 超調(diào)量 1、跟隨性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo)：跟隨性能指標(biāo)： tr 上升時間：反映動態(tài)響應(yīng)的快速性上升時間：反映動態(tài)響應(yīng)的快速性 超調(diào)量：超調(diào)量： 反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性ts 調(diào)節(jié)時間：反映系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性調(diào)節(jié)時間：反映

29、系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性%100maxCCC2抗擾性能指標(biāo) 當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中，突加一個使輸出量降低或上升的擾動量F之后，輸出量由降低或上升到恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的過渡過程就是一個抗擾過程。 常用的抗擾性能指標(biāo)為動態(tài)降落和恢復(fù)時間。圖3-9 突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)動態(tài)降落 恢復(fù)時間 抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力?？箶_性能指標(biāo)： Cmax 動態(tài)降落 tv 恢復(fù)時間 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。3.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 （3-10） 式中， T系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K系統(tǒng)的開環(huán)增益

30、。 對數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/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。 只包含開環(huán)增益K和時間常數(shù)T兩個參數(shù)，時間常數(shù)T往往是控制對象本身固有的，唯一可變的只有開環(huán)增益K 。設(shè)計時，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。) 1()(TssKsW1典型型系統(tǒng)圖3-10 典型型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性（1動態(tài)跟隨性能指標(biāo) 具體選擇參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。參數(shù)關(guān)系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超調(diào)量 上升時間 tr峰值時間 tp 相角穩(wěn)定裕度 截止頻率c 1.0 0 % 76.30.2

31、43/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T表表3-1 典型典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 分析結(jié)果： 由表3-1中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù)T為已知時，隨著K的增大，系統(tǒng)的快屬性增強，而穩(wěn)定性變差。 具體選擇參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工藝要求選擇參數(shù)以滿足性能指標(biāo)。（2動態(tài)抗擾性能指標(biāo) 影響到參數(shù)K的選擇的第二個因素是它和抗擾

32、性能指標(biāo)之間的關(guān)系， 典型型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析它的抗擾性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素是擾動作用點， 某種定量的抗擾性能指標(biāo)只適用于一種特定的擾動作用點。221TTTTm51101201301%100maxbCC27.8%12.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4表3-2 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（控制結(jié)構(gòu)和擾動作用點如圖3-12所示）5 . 0KT2bCFK 分析結(jié)果： 由表3-2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)相距較大時，動態(tài)降落減小，但恢復(fù)時間卻拖得較長。2.典型型系統(tǒng) 典型型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為

33、（3-22） 典型II型系統(tǒng)的時間常數(shù)T也是控制對象固有的，而待定的參數(shù)有兩個： K 和 。 定義中頻寬：(3-23) 中頻寬表示了斜率為-20dB/sec的中頻的寬度對數(shù)坐標(biāo)），是一個與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。) 1() 1()(2TsssKsW12Th圖3-13 典型型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (b)開環(huán)對數(shù)頻率特性 工程設(shè)計方法中典型型系統(tǒng)參數(shù)計算 采用“振蕩指標(biāo)法中的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，可以找到h和c 的最佳配合，可以得出以下公式： 22121ThhKc 只要按照動態(tài)性能指標(biāo)的要求確定了h值，就可以代入這兩個公式計算K 和 ，并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 hT（3-29） （3-

34、30） 表3-4 典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按Mrmin準(zhǔn)則確定關(guān)系時） h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.45 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1以h=5的動態(tài)跟隨性能比較適中。 表3-5 典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 （控制結(jié)構(gòu)和階躍擾動作用點如圖3-15，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則） h 3 4 5

35、6 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85 兩種系統(tǒng)比較 比較分析的結(jié)果可以看出，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，在動態(tài)性能中， 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， 典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。 這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。3.控制對象的工程近似處理

36、方法（1高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 ) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小慣性環(huán)節(jié)可以合并1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT例如：(3-37) 近似條件32c31TT(3-38) （2高階系統(tǒng)的降階近似處理 其中 a，b，c都是正系數(shù)，且bc a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。1)(23csbsasKsW(3-41) 降階處理： 近似條件 1)(csKsW(3-42) ),1min(31cacb(3-43) （3低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 11TsTs1 近似條件 T3c(3-44) ) 1() 1()(221bsTsTsKsW) 1)(1() 1()(21asTsTss

37、KsW例如：3.3.3按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。主要內(nèi)容為系統(tǒng)設(shè)計對象系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計步驟-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+E T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 T0ns+1U*nn電流內(nèi)環(huán)圖3-18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。n 系統(tǒng)設(shè)計對象Toi電流反饋濾波時間常數(shù)； Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)n 系統(tǒng)設(shè)計原則 系統(tǒng)設(shè)計的一般原則： “先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴

38、展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。設(shè)計分為以下幾個步驟：1) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化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)計算4) 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)5) 校驗近似條件1. 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計ssKsWiiiACR) 1()(（3-48） lTi（3- ）簡化內(nèi)容： 忽略反電動勢的動態(tài)影響 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理RKKKisiI（3- ）（當(dāng)i 5%，那么 KI Ti =0.5）n 電流環(huán)設(shè)計校驗近似條件 1電力電子變換器純滯后的近似處理 2忽略反電勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響 3電流環(huán)小慣性群的近

39、似處理lmciTT13sciT31oisciTT131設(shè)計分為以下幾個步驟：1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化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4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)5.校驗近似條件2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計111)(IclisKsW(3-59) 簡化內(nèi)容： 電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理ssKsWnnnASR) 1()(（3-61） nnhT（3-64） 2n2N21ThhK（3-65） （一般可選擇 h =5）mennNTCRKK（3-62） n 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計校驗近似條件 1電流環(huán)閉環(huán)后近似為一個慣性環(huán)節(jié)的條件 2轉(zhuǎn)速環(huán)二個小慣性環(huán)節(jié)合并的條件 i

40、IcnTK31onIcnTK31 轉(zhuǎn)速環(huán)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)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。 電流環(huán)的物理意義： 電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)內(nèi)環(huán)控制的一個重要功能。 3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由飽和限幅狀態(tài)進入線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時的轉(zhuǎn)速環(huán)由開環(huán)進入閉環(huán)控制，迫使電流由最大值Idm降到負(fù)載電流Idl 。 ASR開始退飽和時，由于電動機電流Id仍大于負(fù)載電流Idl ，電動機繼續(xù)加速，直到Id Id

41、l時，轉(zhuǎn)速才降低。 這不是按線性系統(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)，稱作“退飽和超調(diào)”。圖3-24 ASR飽和時轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計的 調(diào)速系統(tǒng)起動過程 退飽和超調(diào)量可以由表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)值換算后求得，即 mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)%)(2%)(% 電動機允許的過載倍數(shù)， z負(fù)載系數(shù)， (3-72)dNdmIIdNdLzII第第4章章 可逆控制和弱磁控制可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)4.1.4 單片微機控制的單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)圖4-6 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速給定：-n*max 0 +n*max占空比：= 0 1