電力拖動自動控制第六章演示文稿

電力拖動自動控制第六章演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有135頁\編輯于星期日內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設計方法MATLAB仿真軟件對轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真現(xiàn)在是2頁\一共有135頁\編輯于星期日3.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。現(xiàn)在是3頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-1時間最優(yōu)的理想過渡過程起動電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動（制動）過程?，F(xiàn)在是4頁\一共有135頁\編輯于星期日3.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)

的組成在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(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)結構上看，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、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）?，F(xiàn)在是5頁\一共有135頁\編輯于星期日3.1.2穩(wěn)態(tài)結構圖與參數(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

現(xiàn)在是6頁\一共有135頁\編輯于星期日在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(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)結構上看，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、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。現(xiàn)在是7頁\一共有135頁\編輯于星期日1.穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，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，當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，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)?，F(xiàn)在是8頁\一共有135頁\編輯于星期日轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，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，當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，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)?，F(xiàn)在是9頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)β——電流反饋系數(shù)現(xiàn)在是10頁\一共有135頁\編輯于星期日（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。

(3-1)現(xiàn)在是11頁\一共有135頁\編輯于星期日（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達到限幅值時，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時

(3-2)現(xiàn)在是12頁\一共有135頁\編輯于星期日AB段是兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時的靜特性，Id<Idm,n=n0。BC段是ASR調(diào)節(jié)器飽和時的靜特性，Id=Idm,n<n0。圖3-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性現(xiàn)在是13頁\一共有135頁\編輯于星期日在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到Idm時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*im，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。采用兩個PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。當ASR處于飽和狀態(tài)時，Id=Idm，若負載電流減小，Id<Idm，使轉(zhuǎn)速上升，n>n0，Δn<0，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和?，F(xiàn)在是14頁\一共有135頁\編輯于星期日在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到Idm時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出U*im，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。采用兩個PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。當ASR處于飽和狀態(tài)時，Id=Idm，若負載電流減小，Id<Idm，使轉(zhuǎn)速上升，n>n0，Δn<0，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和?，F(xiàn)在是15頁\一共有135頁\編輯于星期日2．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，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系

(3-3) (3-4) (3-5)現(xiàn)在是16頁\一共有135頁\編輯于星期日根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (3-6)電流反饋系數(shù) (3-7)兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設計者選定?，F(xiàn)在是17頁\一共有135頁\編輯于星期日3.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型與動態(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)學模型圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖現(xiàn)在是18頁\一共有135頁\編輯于星期日轉(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)響應描述。能否實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時間最優(yōu)的形式達到所要求的性能指標，是設置雙閉環(huán)控制的一個重要的追求目標?，F(xiàn)在是19頁\一共有135頁\編輯于星期日1．起動過程分析電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值IdL。轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達給定值n*。起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況?，F(xiàn)在是20頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形現(xiàn)在是21頁\一共有135頁\編輯于星期日電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值IdL。轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達給定值n*。起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了不飽和、飽和以及退飽和三種情況。現(xiàn)在是22頁\一共有135頁\編輯于星期日第Ⅰ階段：電流上升階段（0~t1）。

在t=0時，系統(tǒng)突加階躍給定信號Un*，在ASR和ACR兩個PI調(diào)節(jié)器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，電動機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。現(xiàn)在是23頁\一共有135頁\編輯于星期日第Ⅰ階段：電流上升階段（0~t1）。

當Id≥

IdL

后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大，ASR很快進入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id=Idm

，Ui

=U*im

?，F(xiàn)在是24頁\一共有135頁\編輯于星期日現(xiàn)在是25頁\一共有135頁\編輯于星期日在t=0時，系統(tǒng)突加階躍給定信號Un*，在ASR和ACR兩個PI調(diào)節(jié)器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，電動機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。當Id≥

IdL

后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大，ASR很快進入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到Id=Idm

，Ui

=U*im

?，F(xiàn)在是26頁\一共有135頁\編輯于星期日第Ⅱ階段:恒流升速階段（t1~t2）Id基本保持在Idm,電動機加速到了給定值n*。現(xiàn)在是27頁\一共有135頁\編輯于星期日ASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)節(jié)器的飽和值U*im，基本上保持電流Id=Idm不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸增的斜坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是Id略低于Idm?，F(xiàn)在是28頁\一共有135頁\編輯于星期日ASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)節(jié)器的飽和值U*im，基本上保持電流Id=Idm不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸增的斜坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是Id略低于Idm?，F(xiàn)在是29頁\一共有135頁\編輯于星期日第Ⅲ階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）起始時刻是n上升到了給定值n*。

現(xiàn)在是30頁\一共有135頁\編輯于星期日n上升到了給定值n*，ΔUn=0。因為Id>Idm，電動機仍處于加速過程，使n超過了n*

，稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了ΔUn<0，ASR退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時，Id=Idl

，轉(zhuǎn)速才到達峰值。在t3~t4時間內(nèi)，Id<Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩的過程。在第Ⅲ階段中，ASR和ACR都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)?，F(xiàn)在是31頁\一共有135頁\編輯于星期日現(xiàn)在是32頁\一共有135頁\編輯于星期日n上升到了給定值n*，ΔUn=0。因為Id>Idm，電動機仍處于加速過程，使n超過了n*

，稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了ΔUn<0，ASR退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時，Id=Idl

，轉(zhuǎn)速才到達峰值。在t3~t4時間內(nèi)，Id<Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩的過程。在第Ⅲ階段中，ASR和ACR都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)?，F(xiàn)在是33頁\一共有135頁\編輯于星期日現(xiàn)在是34頁\一共有135頁\編輯于星期日現(xiàn)在是35頁\一共有135頁\編輯于星期日3.3轉(zhuǎn)速、電流反饋控制

直流調(diào)速系統(tǒng)的設計3.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標在控制系統(tǒng)中設置調(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)性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標?，F(xiàn)在是36頁\一共有135頁\編輯于星期日1、跟隨性能指標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)響應稱作階躍響應。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間?，F(xiàn)在是37頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-8典型的階躍響應過程和跟隨性能指標上升時間調(diào)節(jié)時間峰值時間超調(diào)量σ

現(xiàn)在是38頁\一共有135頁\編輯于星期日2．抗擾性能指標當調(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為動態(tài)降落和恢復時間?，F(xiàn)在是39頁\一共有135頁\編輯于星期日動態(tài)降落恢復時間圖3-9突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標現(xiàn)在是40頁\一共有135頁\編輯于星期日2.3.2調(diào)節(jié)器的工程設計方法工程設計方法：在設計時，把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設計過程簡便得多。調(diào)節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計算的公式，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，同樣給出簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。在典型系統(tǒng)設計的基礎上，利用MATLAB/SIMULINK進行計算機輔助分析和設計，可設計出實用有效的控制系統(tǒng)。現(xiàn)在是41頁\一共有135頁\編輯于星期日控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成 （3-9）分母中的sr項表示該系統(tǒng)在s=0處有r重極點，或者說，系統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng)（r=0），至少是Ⅰ型系統(tǒng)（r=1）；當給定是斜坡輸入時，則要求是Ⅱ型系統(tǒng)（r=2）才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差。選擇調(diào)節(jié)器的結構，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由于Ⅲ型（r=3）和Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設計的目標?，F(xiàn)在是42頁\一共有135頁\編輯于星期日1．典型Ⅰ型系統(tǒng)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。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。設計時，需要按照性能指標選擇參數(shù)K的大小?，F(xiàn)在是43頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-10 典型Ⅰ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結構圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性現(xiàn)在是44頁\一共有135頁\編輯于星期日典型Ⅰ型系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性的幅值為

得到 (3-11)相角裕度為

K值越大，截止頻率c

也越大，系統(tǒng)響應越快，相角穩(wěn)定裕度

越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。在選擇參數(shù)K時，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。（當時）

現(xiàn)在是45頁\一共有135頁\編輯于星期日（1）動態(tài)跟隨性能指標典型Ⅰ型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

（3-12） 式中， ——自然振蕩角頻率；——阻尼比。<1，欠阻尼的振蕩特性，

1，過阻尼的單調(diào)特性；

=1，臨界阻尼。過阻尼動態(tài)響應較慢，一般把系統(tǒng)設計成欠阻尼，即0<

<1。現(xiàn)在是46頁\一共有135頁\編輯于星期日超調(diào)量（3-13）上升時間 （3-14）峰值時間 （3-15）當調(diào)節(jié)時間在、誤差帶為的條件下可近似計算得 （3-16）截止頻率（按準確關系計算） （3-17）相角穩(wěn)定裕度 （3-18）現(xiàn)在是47頁\一共有135頁\編輯于星期日參數(shù)關系KT0.250.390.50.691.0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

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/T表3-1典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系現(xiàn)在是48頁\一共有135頁\編輯于星期日（2）動態(tài)抗擾性能指標影響到參數(shù)K的選擇的第二個因素是它和抗擾性能指標之間的關系，典型Ⅰ型系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定了系統(tǒng)的結構，分析它的抗擾性能指標的關鍵因素是擾動作用點，某種定量的抗擾性能指標只適用于一種特定的擾動作用點?，F(xiàn)在是49頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-11電流環(huán)的在電壓擾動作用下的動態(tài)結構圖電壓擾動作用點前后各有一個一階慣性環(huán)節(jié)，采用PI調(diào)節(jié)器現(xiàn)在是50頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-12電流環(huán)校正成一類典型Ⅰ型系統(tǒng)

(a)一種擾動作用下的結構用調(diào)節(jié)器中的對消掉了較大時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，就成為典型Ⅰ型系統(tǒng)?，F(xiàn)在是51頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-12在一種擾動作用下的動態(tài)結構圖

(b)等效結構圖在只討論抗擾性能時，令輸入變量R=0，將輸出量寫成ΔC在階躍擾動下，，得到現(xiàn)在是52頁\一共有135頁\編輯于星期日在選定KT=0.5時， （3-19）階躍擾動后輸出變化量的動態(tài)過程函數(shù)為

（3-20）式中為控制對象中小時間常數(shù)與大時間常數(shù)的比值。取不同m值，可計算出相應的動態(tài)過程曲線?，F(xiàn)在是53頁\一共有135頁\編輯于星期日在計算抗擾性能指標時，為了方便起見，輸出量的最大動態(tài)降落ΔCmax用基準值Cb的百分數(shù)表示，所對應的時間tm用時間常數(shù)T的倍數(shù)表示，允許誤差帶為±5%Cb時的恢復時間tv也用T的倍數(shù)表示。取開環(huán)系統(tǒng)輸出值作為基準值，即

Cb=FK2(3-21)現(xiàn)在是54頁\一共有135頁\編輯于星期日27.8%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)抗擾性能指標與參數(shù)的關系現(xiàn)在是55頁\一共有135頁\編輯于星期日第四次結束現(xiàn)在是56頁\一共有135頁\編輯于星期日2.典型Ⅱ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為 （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，是一個與性能指標緊密相關的參數(shù)?，F(xiàn)在是57頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-13 典型Ⅱ型系統(tǒng)(a)閉環(huán)系統(tǒng)結構圖(b)開環(huán)對數(shù)頻率特性現(xiàn)在是58頁\一共有135頁\編輯于星期日 (3-24)改變K相當于使開環(huán)對數(shù)幅頻特性上下平移，此特性與閉環(huán)系統(tǒng)的快速性有關。系統(tǒng)相角穩(wěn)定裕度為

τ比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度就越大?，F(xiàn)在是59頁\一共有135頁\編輯于星期日采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數(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)現(xiàn)在是60頁\一共有135頁\編輯于星期日（1）動態(tài)跟隨性能指標按Mr最小準則選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)當R(t)為單位階躍函數(shù)時，，則(3-31)現(xiàn)在是61頁\一共有135頁\編輯于星期日

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201表3-4典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(按Mrmin準則確定參數(shù)關系)以h=5的動態(tài)跟隨性能比較適中?，F(xiàn)在是62頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-14 轉(zhuǎn)速環(huán)在負載擾動作用下的動態(tài)結構框圖是電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

（2）動態(tài)抗擾性能指標現(xiàn)在是63頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-15典型Ⅱ型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結構圖

(a)一種擾動作用下的結構在擾動作用點前后各有一個積分環(huán)節(jié)，用作為一個擾動作用點之前的控制對象，

現(xiàn)在是64頁\一共有135頁\編輯于星期日取，于是 （3-33）

（3-32）圖3-15典型Ⅱ型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結構圖等效框圖

現(xiàn)在是65頁\一共有135頁\編輯于星期日在階躍擾動下，,按Mrmin準則確定參數(shù)關系（3-34）

Cb=2FK2T

（3-35）

取2T時間內(nèi)的累加值作為基準值現(xiàn)在是66頁\一共有135頁\編輯于星期日（控制結構和擾動作用點如圖3-15所示，參數(shù)關系符合準則）

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.80

84.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85表3-5典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系現(xiàn)在是67頁\一共有135頁\編輯于星期日由表3-5中的數(shù)據(jù)可見，值越小，也越小，都短，因而抗擾性能越好。但是，當時，由于振蕩次數(shù)的增加，再小，恢復時間反而拖長了。是較好的選擇，這與跟隨性能中調(diào)節(jié)時間最短的條件是一致的（見表3-4）。現(xiàn)在是68頁\一共有135頁\編輯于星期日典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上有區(qū)別。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Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。這些是設計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)?，F(xiàn)在是69頁\一共有135頁\編輯于星期日3.控制對象的工程近似處理方法（1）高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理當高頻段有多個小時間常數(shù)T1、T2、T3…的小慣性環(huán)節(jié)時，可以等效地用一個小時間常數(shù)T的慣性環(huán)節(jié)來代替。其等效時間常數(shù)為T=T1+T2+T3+…考察一個有2個高頻段小慣性環(huán)節(jié)的開環(huán)傳遞函數(shù)其中T1、T2為小時間常數(shù)。它的頻率特性為

（3-36）近似處理后的近似傳遞函數(shù)，其中T=T1+T2，它的頻率特性為 （3-37）現(xiàn)在是70頁\一共有135頁\編輯于星期日T=T1+T2圖3-16 高頻段小慣性群近似處理對頻率特性的影響現(xiàn)在是71頁\一共有135頁\編輯于星期日近似相等的條件是。在工程計算中，一般允許有10%以內(nèi)的誤差，近似條件可寫成

(3-38)有三個小慣性環(huán)節(jié)，其近似處理的表達式是

(3-39)近似的條件為

(3-40)現(xiàn)在是72頁\一共有135頁\編輯于星期日（2）高階系統(tǒng)的降階近似處理三階系統(tǒng)

a，b，c都是正數(shù)，且bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。降階處理：忽略高次項，得近似的一階系統(tǒng)近似條件(3-41)

(3-42)

(3-43)

現(xiàn)在是73頁\一共有135頁\編輯于星期日（3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理當系統(tǒng)中存在一個時間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié)。大慣性環(huán)節(jié)的頻率特性為近似成積分環(huán)節(jié)，其幅值應近似為近似條件是：(3-44)現(xiàn)在是74頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-17低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對頻率特性的影響在低頻段，把特性a近似地看成特性b。這種近似處理只適用于分析動態(tài)性能現(xiàn)在是75頁\一共有135頁\編輯于星期日3.3.3 按工程設計方法設計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器用工程設計方法來設計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設計轉(zhuǎn)速環(huán)?，F(xiàn)在是76頁\一共有135頁\編輯于星期日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)圖3-18雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖現(xiàn)在是77頁\一共有135頁\編輯于星期日1．電流調(diào)節(jié)器的設計反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，給設計工作帶來麻煩。轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，。忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是

(3-45)

式中ωci——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率?，F(xiàn)在是78頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-19電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響現(xiàn)在是79頁\一共有135頁\編輯于星期日把給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖3-19電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡(b）等效成單位負反饋系統(tǒng)現(xiàn)在是80頁\一共有135頁\編輯于星期日

Ts

和T0i

一般都比Tl小得多，可以近似為一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為

T∑i=Ts+Toi

(3-46)

簡化的近似條件為(3-47)

圖3-19電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡(c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理現(xiàn)在是81頁\一共有135頁\編輯于星期日典型系統(tǒng)的選擇：采用I型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器選擇：PI型的電流調(diào)節(jié)器，（3-48）

Ki

—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

i—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)（3-49）現(xiàn)在是82頁\一共有135頁\編輯于星期日因為Ti>>TΣi，選擇τi=

Ti

，用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)極點，希望電流超調(diào)量i

≤5%，選=0.707，

KI

Ti=0.5，則

（3-50）(3-52)(3-51)現(xiàn)在是83頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-20校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)(a)動態(tài)結構圖(b）開環(huán)對數(shù)幅頻特性現(xiàn)在是84頁\一共有135頁\編輯于星期日模擬式電流調(diào)節(jié)器電路U*i

—電流給定電壓；

–Id

—電流負反饋電壓；

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(3-53)(3-54)(3-55)現(xiàn)在是85頁\一共有135頁\編輯于星期日按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(3-56)采用高階系統(tǒng)的降階近似處理方法，忽略高次項，可降階近似為

(3-57)降價近似條件為

(3-58)

式中，ωcn——轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率?，F(xiàn)在是86頁\一共有135頁\編輯于星期日電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中等效為

(3-59)電流的閉環(huán)控制把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，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?，F(xiàn)在是87頁\一共有135頁\編輯于星期日例題3-1

某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40；電樞回路總電阻：R=0.5Ω ；時間常數(shù)：Ti=0.03s，Tm=0.18s；電流反饋系數(shù)：β=0.05V/A（≈10V/1.5IN）。設計要求設計電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量現(xiàn)在是88頁\一共有135頁\編輯于星期日解1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s。電流濾波時間常數(shù)Toi=2ms=0.002s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取TΣi=Ts+Toi=0.0037s。2）選擇電流調(diào)節(jié)器結構要求σi≤5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。檢查對電源電壓的抗擾性能：，

參看表3-2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的?，F(xiàn)在是89頁\一共有135頁\編輯于星期日3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：τi=Ti=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：取KiTΣi=0.5，

ACR的比例系數(shù)為現(xiàn)在是90頁\一共有135頁\編輯于星期日4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率ωci=KI=135.1s-1（1）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件

（2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件

（3）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件

現(xiàn)在是91頁\一共有135頁\編輯于星期日5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取

取40kΩ

取0.75μF

取0.2μF現(xiàn)在是92頁\一共有135頁\編輯于星期日2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計圖3-22轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)現(xiàn)在是93頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-22轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化(b)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s)/，把時間常數(shù)為1/KI

和Ton

的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并現(xiàn)在是94頁\一共有135頁\編輯于星期日轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象是由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，IdL(s)是負載擾動。系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的必要條件是：在負載擾動點之前必須含有一個積分環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應有兩個積分環(huán)節(jié)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計。ASR采用PI調(diào)節(jié)器（3-61）Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)?，F(xiàn)在是95頁\一共有135頁\編輯于星期日調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN為

(3-62)則 （3-63）現(xiàn)在是96頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-22轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化(c)校正后成為典型Ⅱ型系統(tǒng)（3-64）（3-65）（3-66）無特殊要求時，一般以選擇h=5為好?，F(xiàn)在是97頁\一共有135頁\編輯于星期日模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路U*n

—轉(zhuǎn)速給定電壓；

–αn

—轉(zhuǎn)速負反饋電壓；

U*i

—電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。(3-67)(3-68)(3-69)圖3-23含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器現(xiàn)在是98頁\一共有135頁\編輯于星期日例題3-2在例題3-1中，除已給數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.07Vmin/r（≈10V/nN），要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%。試按工程設計方法設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。現(xiàn)在是99頁\一共有135頁\編輯于星期日解1）確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。由例題3-1，已取KITΣi=0.5，則

（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取現(xiàn)在是100頁\一共有135頁\編輯于星期日2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結構選用PI調(diào)節(jié)器，3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：

ASR的比例系數(shù)為現(xiàn)在是101頁\一共有135頁\編輯于星期日4）檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件

滿足簡化條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件

滿足近似條件現(xiàn)在是102頁\一共有135頁\編輯于星期日5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取

取470kΩ

取0.2μF

取1μF6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，由表3-4查得，σn%=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量?，F(xiàn)在是103頁\一共有135頁\編輯于星期日3．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算當轉(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降到負載電流Idl

。ASR開始退飽和時，由于電動機電流Id仍大于負載電流Idl

，電動機繼續(xù)加速，直到Id<Idl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)”?，F(xiàn)在是104頁\一共有135頁\編輯于星期日假定調(diào)速系統(tǒng)原來是在Idm的條件下運行于轉(zhuǎn)速n*，在點O’突然將負載由Idm降到Idl

，轉(zhuǎn)速會在突減負載的情況下，產(chǎn)生一個速升與恢復的過程，突減負載的速升過程與退飽和超調(diào)過程是完全相同的。現(xiàn)在是105頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-24ASR飽和時轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計的調(diào)速系統(tǒng)起動過程現(xiàn)在是106頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-25調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構圖(a)以轉(zhuǎn)速n為輸出量

只考慮穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*以上的超調(diào)部分，Δn=n-n*，坐標原點移到O’點，現(xiàn)在是107頁\一共有135頁\編輯于星期日圖3-25調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構圖(b）以轉(zhuǎn)速超調(diào)值為輸出量初始條件則轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在是108頁\一共有135頁\編輯于星期日把Δn的負反饋作用反映到主通道第一個環(huán)節(jié)的輸出量上來，得圖(c)，圖中Id和IdL的+、-號都作了相應的變化。圖(c)和討論典型II型系統(tǒng)抗擾過程所用的圖完全相同?？梢岳帽?-5給出的典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標來計算退飽和超調(diào)量，圖3-25調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構圖(c)圖(b)的等效變換現(xiàn)在是109頁\一共有135頁\編輯于星期日在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標中，C的基準值是(3-35)n的基準值是

(3-70)現(xiàn)在是110頁\一共有135頁\編輯于星期日作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%，其基準值應該是n*，退飽和超調(diào)量可以由表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準值換算后求得，即

λ——電動機允許的過載倍數(shù)，z——負載系數(shù)，(3-72)(3-71)現(xiàn)在是111頁\一共有135頁\編輯于星期日例題3-3

試按退飽和超調(diào)量的計算方法計算例題3-2中調(diào)速系統(tǒng)空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，并校驗它是否滿足設計要求。解當h=5時，由表2-7查得

現(xiàn)在是112頁\一共有135頁\編輯于星期日從例題3-1，3-2，3-3的計算結果來看，有三個問題是值得注意的。（1）轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關。按線性系統(tǒng)計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量時，當h選定后，不論穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*有多大，超調(diào)量σn%的百分數(shù)都是一樣的。按照退飽和過程計算超調(diào)量，其具體數(shù)值與n*有關（2）反電動勢對轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響。反電動勢的動態(tài)影響對于電流環(huán)來說是可以忽略的。對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說，忽略反電動勢的條件就不成立了。好在反