第三章電機(jī)拖動(dòng)

1、n轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)組成及其靜特性；n轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)過(guò)程分析；n轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容提要內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)第第 3 章章2. 理想的起動(dòng)過(guò)程b) 理想的快速起動(dòng)過(guò)程IdLntIdOIdma) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖3-1 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形IdLntIdOIdmIdcr3.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成及其靜特性的組成及其靜特性1. 問(wèn)題的提出 TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdI

2、dUPEL-MTG+圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)外外 環(huán)環(huán)3.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，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)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱(chēng)串級(jí)）聯(lián)接如下圖所示。1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖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) Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R ACR-UiUPE3.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)計(jì)算 限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1

3、R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)） 穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim 存在兩種狀況：n飽和輸出達(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；換句話說(shuō)，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)環(huán)開(kāi)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(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，PI 作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。系統(tǒng)靜特性實(shí)際上，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。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示，圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速

4、系統(tǒng)的靜特性 n0IdIdmIdNOnABC（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和di*i0n*nIUUnnUU式中， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)關(guān)系式可得 0*nnUn從而得到上圖靜特性的CA段。 (3-1) n 靜特性的水平特性 與此同時(shí)，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說(shuō)， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于額定電流 IdN 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 這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)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)

5、系統(tǒng)變成一個(gè)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) dm*imdIUI式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。(3-2) n 靜特性的垂直特性 式（3-2）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 靜特性的特點(diǎn)n雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。n當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 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)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。n 這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成

6、內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。2. 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)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(3-3) (3-5) (3-4) 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)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； 控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于 n 和 Id，或者說(shuō)，同時(shí)取決于U*n 和 IdL。 這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器

7、則不然，其飽和輸出為限幅值，而非飽和輸出的穩(wěn)態(tài)值取決于輸入量的積分，它最終將使控制對(duì)象的輸出達(dá)到其給定值，使PI調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)為零，否則PI調(diào)節(jié)器仍在繼續(xù)積分，并未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)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)壓電源的限制；nU*im 為ASR的輸出限幅值。返回目錄返回目錄n 反饋系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) max*nmnUdm*imIU3.2 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)過(guò)程分析和動(dòng)態(tài)過(guò)程分析本節(jié)提要n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析圖3-

8、5 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+E3.2.1 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)數(shù)學(xué)模型 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)控制的結(jié)構(gòu)，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。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。1. 起動(dòng)過(guò)程分析 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了快速進(jìn)入飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中

9、標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。第I階段：電流上升的階段（0 t1） 第 II 階段恒流升速階段（t1 t2） 第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） 3.2.2 起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程分析 圖3-6 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 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第I階段（續(xù)）n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 II 階段（續(xù)）IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段（

10、續(xù)）第 階段（續(xù)）n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)，在一小段時(shí)間內(nèi)（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第 階段（續(xù)） 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 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 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)過(guò)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

11、準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(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)電流下降到零以后，只好自由停車(chē)。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1） 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2. 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(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。圖3-7 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)2） 抗電網(wǎng)

12、電壓擾動(dòng)UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）-IdLUdb)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 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E分析結(jié)果 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)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。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： 1） 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)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它

13、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，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(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。3.3.1 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控

14、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： 跟隨性能指標(biāo) 抗擾性能指標(biāo) 3.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 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，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有ntr 上升時(shí)間n 超調(diào)量與峰值時(shí)間tp nts 調(diào)節(jié)時(shí)間 系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts圖3-8典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)2) 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)的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有nCmax 動(dòng)態(tài)降落ntv 恢

15、復(fù)時(shí)間 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。 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)圖3-9 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb3.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出n必要性：n可能性：n設(shè)計(jì)方法的原則 ：（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)。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)

16、節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。2.設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。典型系統(tǒng)典型系統(tǒng) 一般來(lái)說(shuō)，許多控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為 (3-9)n1iirm1jj)1()1()(sTssKsW 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)精度多選用I型和II型系統(tǒng)。1. 典型I型系統(tǒng)n結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) ) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中 T 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)； K 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。（3-10）開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性O(shè)n性能特性 典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 dB/

17、dec 的斜率穿越 0dB 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，即選擇參數(shù)滿足 T1c1cT或于是，相角穩(wěn)定裕度 45arctg90arctg90180ccTT K 與開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系典型典型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 K 與截止頻率 c 的關(guān)系 當(dāng)c 1 / T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cc20lg20(lglg1)20lgK所以 K = c （當(dāng) c 時(shí)） T1(3-11) 式（3-11）表明，K 值越大，截止頻率c 也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但相角穩(wěn)定裕度 =

18、 90 arctgcT 越小，這也說(shuō)明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù) K時(shí)，須在二者之間取折衷。 表3-X I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)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差 0v0 / K0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR1. 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)）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)可用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。 由表可見(jiàn)：n在階躍輸入下的 I 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)差的；n但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與 K 值成反比；n在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為 。 因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動(dòng)系統(tǒng)。（2）動(dòng)態(tài)跟隨性

19、能指標(biāo)n閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型 I 型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（3-12） 式中 n 無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率，或稱(chēng) 固有角頻率； 阻尼比，或稱(chēng)衰減系數(shù)。nK、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系 TKnKT121T21n(3-15) (3-16) (3-17) 且有 n二階系統(tǒng)的性質(zhì)l當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，l當(dāng) 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過(guò)阻尼的單調(diào)特性；l當(dāng) = 1 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。 由于過(guò)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)成欠阻尼狀態(tài)，即 0 1 由于在典 I 系統(tǒng)中 KT 0.5。因此在典

20、型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取 15 . 0(3-18) n性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系 %100e%)1/(2)arccos(122rTt(3-19) (3-20) (3-21) 2np1t超調(diào)量 上升時(shí)間 峰值時(shí)間 表表3-1 典型典型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 （ 與與KT的關(guān)系服從于式的關(guān)系服從于式3-16） 具體選擇參數(shù)時(shí)，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(shí)間 tr峰值時(shí)間 tp 相角穩(wěn)定裕度 截止頻率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8

21、 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/T2) 動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖3-11電流環(huán)在電壓擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-12電流環(huán)校正成一類(lèi)典型型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a)一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)b)等效結(jié)構(gòu)圖) 1()()()(21TssKsWsWsW221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.

22、0tv / T14.721.728.730.4表表3-2 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3-12所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5) 2. 典型型系統(tǒng)) 1() 1()(2TsssKsW圖3-13典型型系統(tǒng)a)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖b)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性n 性能特性 典型的II型系統(tǒng)也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分貝線。由于分母中 s2 項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是 180，后面還有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)（s +1），是為了把相頻特性抬到 180線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足 T11cT或 且 比 T 大

23、得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。典型典型II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 n可選參數(shù)： 在典型II型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)式(3-22)中，與典型 I 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)T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)： K 和 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。 為了分析方便起見(jiàn)，引入一個(gè)新的變量 (圖3-13)，令 12Th(3-23) 典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性dBL/0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec圖3-13 典型型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬中頻寬度 采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻

24、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。 (3-25) (3-26)在確定了h之后，可求得 (3-29) (3-30)122hhc211hchT2222112121)1(21ThhhhThKc表3X II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)階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差列于表3-X中 典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系 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(shí)） h 3 4 56 7 8 9 1

25、0 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（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 以h=5的動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。 典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系圖3-14轉(zhuǎn)速環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n擾動(dòng)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在階躍擾動(dòng)下， 11212) 1(12)(222332222hTssThhsThhTsTFKhhsC（3-34） 圖3-15典型型

26、系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a)一種擾動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)b)等效結(jié)構(gòu)圖 由式（3-34）可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于不同 h值的動(dòng)態(tài)抗擾過(guò)程曲線C(t)，從而求出各項(xiàng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)，列于表3-5中。在計(jì)算中，為了使各項(xiàng)指標(biāo)都落在合理的范圍內(nèi)，取輸出量基準(zhǔn)值為 Cb = 2FK2T （3-35） 表3-5 典型II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)和階躍擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖3-15，參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準(zhǔn)則） h 3 4 56 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% 3.0

27、0 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85n分析結(jié)果 由此可見(jiàn)，h = 5是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時(shí)間最短的條件是一致的（見(jiàn)表3-6）。 因此，把典型型系統(tǒng)跟隨和抗擾的各項(xiàng)性能指標(biāo)綜合起來(lái)看，h = 5應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。 n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(dòng)態(tài)性能中，n典型典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)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，小，但抗擾性能稍差，n典型典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性型

28、系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，抗擾性能卻比較好能卻比較好。 這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 實(shí)際系統(tǒng)中往往有若干個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。例如，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 ) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小慣性環(huán)節(jié)可以合并3. 控制對(duì)象的工程近似處理方法控制對(duì)象的工程近似處理方法 當(dāng)系統(tǒng)有一組小慣性群時(shí)，在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)等于小慣性群中各時(shí)間常數(shù)之和。 1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT例如：(3-36) 近似條件3231

29、TT(3-37) 圖3-16 高頻段小慣性群近似處理對(duì)頻率特性的影響T=T1+T2（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理以三階系統(tǒng)為例，設(shè) 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) 1)(csKsW(3-42) ),1min(31cacb(3-43) n降階處理： 若能忽略高次項(xiàng)，可得近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為n近似條件 （3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理 當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(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)，即 11TsTs1n近似條件 T3c(3-44) ) 1() 1()(221bsTsTsKsW) 1)(1() 1()(2

30、1asTsTssKsW例如：當(dāng)T1特別大時(shí)，有cn對(duì)頻率特性的影響圖3-17 低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響 返回目錄返回目錄低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b 3.3.3 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的的 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 本節(jié)將應(yīng)用前述的工程設(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。主要內(nèi)容為系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)

31、速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象 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3-18，它與前述的圖3-5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)。其中nT0i 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)nT0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則n系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則： “先內(nèi)環(huán)后外環(huán)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。設(shè)計(jì)分為以下幾個(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 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1). 電流環(huán)

32、結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容：n忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 n等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) n小慣性環(huán)節(jié)近似處理 n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E0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) T0is+11 T0is+1圖3-19 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn) n等效成單位負(fù)反饋系統(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)把給定信號(hào)改成U*i(s) / ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖3-19b）。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)

33、(Tl s+1)Id (s)U*i(s) T0is+1圖3-19bn小慣性環(huán)節(jié)近似處理 最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 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 Ti = Ts + Toi 簡(jiǎn)化的近似條件為 oisci131TT+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)圖3-19c2).電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇n典型系統(tǒng)的選擇：l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3-19c可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。l從動(dòng)

34、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)。 n電流調(diào)節(jié)器選擇 圖3-19c表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，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，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 ssKsWiiiACR) 1()(式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 為了讓調(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3-20a所示的典型形式，其中 lTiRKKKisiIK I s(Tis+1

35、)Id (s)+-U*i(s)n校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性 圖3-20 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán) a) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖: b) 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性: 10L/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi3). 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki 和 i， 其中 i 已選定，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。n參數(shù)選擇參數(shù)選擇 在一般情況下，希望電流超調(diào)量i 5%，由表3-1，可選 =0.707，KI Ti =0.5，則iciI21TK再利用式（3-50）得到 )(22isisiTTKRTKRTKlln注意： 如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，式（

36、3-51）和式（3-52）當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。 此外，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。4). 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)n模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中l(wèi) U*i 為電流給定電壓；l Id 為電流負(fù)反饋電壓；l Uc 電力電子變換器的控制電壓。圖3-21 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 n電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT (3-53) (3-54) (3-55) 設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：1).電流環(huán)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4).轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

37、設(shè)計(jì)1). 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)n電流環(huán)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)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖3-18a可知 111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsWn傳遞函數(shù)化簡(jiǎn) 忽略高次項(xiàng)，上式可降階近似為 111)(IclisKsWiIcn31TK近似條件式中 cn 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。 n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 111)()()(Icli*idsKsWsUsI 這樣，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)。 n物理意義： 這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，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)）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n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3-18 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3-22a所示。n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) T0ns+11 T0ns+1U*i(s)111sKI+-IdL (s)圖3-22 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化