運(yùn)動(dòng)控制第二章

運(yùn)動(dòng)控制第二章第1頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性問(wèn)題的提出

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算第2頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1問(wèn)題的提出

如何獲得良好的動(dòng)態(tài)性能?單閉環(huán)系統(tǒng)不能獲得良好動(dòng)態(tài)性能的原因——不能隨心所欲地控制轉(zhuǎn)矩（電流）。轉(zhuǎn)速的變化實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)矩的變化，對(duì)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)質(zhì)是對(duì)轉(zhuǎn)矩（電流）的控制。事實(shí)上：第3頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1問(wèn)題的提出理想的起動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)IdLnIdmtIdOn實(shí)質(zhì)——充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，有一段使電流保持為最大值Idm的恒流升速階段。單閉環(huán)系統(tǒng)的限流措施電流截止負(fù)反饋的缺陷：兩個(gè)反饋信號(hào)送到同一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，同時(shí)起作用。IdLnIdmIdcrtIdOn第4頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1問(wèn)題的提出

現(xiàn)在的問(wèn)題是，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過(guò)程中保持電流為最大，即只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用，電流負(fù)反饋退居從屬、次要的地位。

怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起主要作用呢？第5頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ΔUnΔUi2.1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的組成兩個(gè)調(diào)節(jié)器的聯(lián)接方式——嵌套（或串接）電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)——雙閉環(huán)——雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（n-i調(diào)速系統(tǒng)）ASR與ACR的實(shí)現(xiàn)——PI調(diào)節(jié)器——極性的配合ni限幅值的意義——Uim*決定了電流的最大值Idm=Uim*/βUcm限制了UPE的最大輸出Ud0mUim*Ucm第6頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖注意ASR、ACR的表示方法UcnUd0U*iACR-

Ks

1/CeU*nIdEUn++-ASR+-IdR

R

UiUPE2.靜特性分析運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)線(xiàn)性放大——輸出根據(jù)需要確定，輸入ΔU=0飽和——輸出達(dá)限幅值，輸入對(duì)輸出無(wú)影響，

相當(dāng)于調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。實(shí)際系統(tǒng)一般不使ACR飽和，而ASR可進(jìn)入飽和。第7頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.靜特性分析ASR不飽和由前式從而得到圖中CA段——水平的特性。

ASR飽和此時(shí)結(jié)論：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。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)。n0IdIdmIdNOnABC從而得到圖中AB段——垂直的特性。UcnUd0U*iACR-

Ks

1/CeU*nIdEUn++-ASR+-IdR

R

UiUPE第8頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)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。進(jìn)一步地，PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)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。第9頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算——反饋系數(shù)計(jì)算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算為根據(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)：

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。第10頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

和動(dòng)態(tài)性能分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)性能分析之跟隨性能

——起動(dòng)過(guò)程分析動(dòng)態(tài)性能分析之抗干擾性能

——電流環(huán)的快速抗擾作用動(dòng)態(tài)性能分析之實(shí)例圖動(dòng)態(tài)性能分析小結(jié)第11頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中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，則有第12頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2動(dòng)態(tài)性能分析之跟隨性能

——起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程分析的意義起動(dòng)過(guò)程的三階段：根據(jù)ASR飽和與否劃分0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ第13頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第Ⅰ階段——電流上升階段（0～t1)轉(zhuǎn)速環(huán)——開(kāi)環(huán)突加Un*→ΔUn=Un*→ASR進(jìn)入飽和→Ui*=Uim*電流環(huán)——恒值控制Ui*=Uim*→Uc↑→Ud0↑→Id↑↑=Idm；其中Id=IdL時(shí)n↑0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ第14頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第Ⅱ階段—恒流升速階段（t1～t2)轉(zhuǎn)速環(huán)——開(kāi)環(huán)n<n*→ΔUn>0

→ASR仍然飽和0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ電流環(huán)——恒值控制Ui*=Uim*→Id≈Idm→∵dn/dt∝Te-TL=恒值→n線(xiàn)性↑兩點(diǎn)說(shuō)明：①為什么寫(xiě)成Id≈Idm？②電流波形的超調(diào)第15頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第Ⅲ階段—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t1～t3)轉(zhuǎn)速環(huán)——閉環(huán)n=n*→ΔUn=0但I(xiàn)d>IdL→n繼續(xù)↑（超調(diào)!）→ΔUn<0→ASR退飽和→Ui*↓→Id↓直到Id=IdL(t3)，n=nmax→Id<IdL→n↓最終n=n*0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ電流環(huán)——隨動(dòng)控制Ui*↓→Id↓隨著n穩(wěn)定于n*，Id=IdL第16頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2動(dòng)態(tài)性能分析之跟隨性能

——起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程特點(diǎn)總結(jié)飽和非線(xiàn)性控制準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制轉(zhuǎn)速超調(diào)0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ第17頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3動(dòng)態(tài)性能分析之抗干擾性能

——電流環(huán)的快速抗擾作用抗負(fù)載擾動(dòng)擾動(dòng)在電流環(huán)外IdL↑→n↓→ΔUn>0→Ui*↑→Uc↑→Ud0↑→Id↑→n↑電流環(huán)加速動(dòng)態(tài)過(guò)程通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)抗負(fù)載擾動(dòng)——與單閉環(huán)類(lèi)似第18頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3動(dòng)態(tài)性能分析之抗干擾性能

——電流環(huán)的快速抗擾作用抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)擾動(dòng)在電流環(huán)內(nèi)-△Ud→Ud↓→Id↓→Ui↓→△Ui>0→Uc↑→Ud0↑→Id↑通過(guò)電流環(huán)抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)——不同于單閉環(huán)系統(tǒng)電流環(huán)的快速抗擾作用（對(duì)電流環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)）第19頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2動(dòng)態(tài)性能分析之實(shí)例圖實(shí)際系統(tǒng)起動(dòng)曲線(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)曲線(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)曲線(xiàn)第20頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.4動(dòng)態(tài)性能分析小結(jié)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用ASR:

1.使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；

2.抵抗負(fù)載擾動(dòng)；

3.輸出限幅值決定允許的最大電流。ACR:

1.起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制；

2.對(duì)電網(wǎng)電壓變化等電流環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)能及時(shí)抗擾；

3.有效改善控制對(duì)象結(jié)構(gòu)性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中使電流跟隨其給定電壓Ui*變化，改善動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程；

4.當(dāng)電機(jī)過(guò)載或堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流最大值，起到快速安全保護(hù)作用。第21頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.4動(dòng)態(tài)性能分析小結(jié)多環(huán)控制規(guī)律

1.串接聯(lián)接的結(jié)構(gòu)形式；

2.飽和非線(xiàn)性控制方法實(shí)現(xiàn)有限制條件下的準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制；

3.飽和調(diào)節(jié)器的控制量一定有超調(diào)；

4.內(nèi)環(huán)改造控制對(duì)象特性。多環(huán)系統(tǒng)對(duì)電流(轉(zhuǎn)矩)的控制是直流調(diào)速系統(tǒng)性能改善的根本原因。作業(yè)：2-18雙閉環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有何特點(diǎn)？為什么一定會(huì)出現(xiàn)超調(diào)？，試述起動(dòng)過(guò)程各階段中ASR、ACR的作用。

2-19雙閉環(huán)系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器有何作用？試述電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)的工作過(guò)程；堵轉(zhuǎn)消失后，系統(tǒng)又是如何恢復(fù)正常工作的？第22頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

工程設(shè)計(jì)方法的基本思路

典型系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理

——非典型系統(tǒng)的典型化第23頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括：跟隨性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo)：系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有tr

—上升時(shí)間—超調(diào)量ts

—調(diào)節(jié)時(shí)間±5%（或±2%）

0Otrts第24頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)2.抗擾性能指標(biāo)突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程常用的抗擾性能指標(biāo)有Cmax

—?jiǎng)討B(tài)降落tv

—恢復(fù)時(shí)間±5%（或±2%）

O

tmtvCb

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。第25頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2工程設(shè)計(jì)方法的基本思路問(wèn)題的提出必要性

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)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，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，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。可能性

大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。

性能指標(biāo)實(shí)際系統(tǒng)典型系統(tǒng)提出要求公式圖表轉(zhuǎn)換關(guān)系系統(tǒng)參數(shù)第26頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2工程設(shè)計(jì)方法的基本思路工程設(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(xiàn)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)方法的基本步驟1.選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿(mǎn)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(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。

第27頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3典型系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)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R(s)C(s)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)。系統(tǒng)含有r個(gè)積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0，1，2，…等不同數(shù)值，分別稱(chēng)作0型、I型、Ⅱ型、…系統(tǒng)。第28頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3典型系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)典型I型系統(tǒng)傳遞函數(shù)與結(jié)構(gòu)圖開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性dB/decdB/dec第29頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3——1.典型I型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)的參數(shù)

T—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)——控制對(duì)象本身固有的；

K—系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益——是唯一的待定參數(shù)。從開(kāi)環(huán)頻率特性可知：K=c

——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

=90°–arctgcT

越小。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)見(jiàn)P65表2-2——KT=0.5(=0.707)最好典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)見(jiàn)P67表2-3——第30頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3——1.典型I型系統(tǒng)擾動(dòng)的作用點(diǎn)擾動(dòng)的作用點(diǎn)與抗擾性能極有關(guān)系：此處取顯然有第31頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3典型系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)2.典型Ⅱ型系統(tǒng)傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性O(shè)dB/decdB/decdB/dec1/τ=ω1=ω2h=ω2/ω1第32頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3——2.典型Ⅱ型系統(tǒng)典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)這里時(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。如果能在兩個(gè)參數(shù)之間找到某種關(guān)系，則雙參數(shù)問(wèn)題就蛻變?yōu)閱螀?shù)問(wèn)題，顯然這種關(guān)系應(yīng)該是對(duì)動(dòng)態(tài)性能有利的，現(xiàn)引入?yún)?shù)“中頻寬”：采用閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則有第33頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3——2.典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)見(jiàn)P70表2-6

典型Ⅱ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)見(jiàn)P71表2-7——h=5時(shí)性能較好擾動(dòng)的作用點(diǎn)+0-第34頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.4調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理

——非典型系統(tǒng)的典型化調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇基本思路：將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)。選擇依據(jù)：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(duì)較大，抗擾性能卻比較好。

幾種校正成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的控制對(duì)象和相應(yīng)的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)列于P73表2-8和表2-9中，表中還給出了參數(shù)配合關(guān)系。系統(tǒng)校正控制對(duì)象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出第35頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.4調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理

——非典型系統(tǒng)的典型化2.傳遞函數(shù)近似處理（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)為小慣性環(huán)節(jié)可以合并近似條件其中第36頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3.4調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理

——非典型系統(tǒng)的典型化（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bca，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。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)為近似條件第37頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)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)主要內(nèi)容概述電流環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)指標(biāo)的計(jì)算第38頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1概述1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象Toi—

電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton—

轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)濾波環(huán)節(jié)的必要性-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*i(s)Uc(s)Ks

Tss+1Id(s)1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)E(s)電流環(huán)第39頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1概述2.

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

“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。3.設(shè)計(jì)步驟結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化，計(jì)算參數(shù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)近似條件校驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)校驗(yàn)第40頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即E≈0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)Ks

Tss+1Id

(s)

Tois+11

Tois+1近似條件第41頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2——1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)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)。進(jìn)一步地，方框作移動(dòng)、合并。+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1

Ks

/R

(Tois+1)(Tss+1)(Tls+1)ACR第42頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2——1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化小慣性環(huán)節(jié)近似處理由于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

T∑i=Ts+Toi電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化如圖。由圖可知，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的。+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1

Ks

/R

(Tois+1)(Tss+1)(Tls+1)ACR+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)近似條件第43頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看從動(dòng)態(tài)要求上看結(jié)論：應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇如前所述，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)，應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)第44頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定KI可通過(guò)查表，根據(jù)電流超調(diào)量的指標(biāo)確定，在一般情況下，希望電流超調(diào)量i

≤5%，則可選

=0.707，KI

Ti=0.5，則KI

s(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)按典型系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法，選擇τi=Tl

則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖，為典型Ⅰ型系統(tǒng)，其中說(shuō)明：1）如果實(shí)際系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)有專(zhuān)門(mén)的要求，則當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。

2）但要求低于i

≤5%時(shí)，一般也按此式計(jì)算。第45頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路帶T型濾波網(wǎng)絡(luò)的PI調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式第46頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.近似條件校驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后首先要校驗(yàn)系統(tǒng)的近似條件，對(duì)電流環(huán)有：電力電子變換器純滯后的近似處理忽略反電勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響電流環(huán)小慣性群的近似處理6.設(shè)計(jì)指標(biāo)校驗(yàn)在元器件參數(shù)選取了標(biāo)稱(chēng)值后，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)重新進(jìn)行計(jì)算，校驗(yàn)。有抗擾指標(biāo)時(shí)還要校驗(yàn)抗擾指標(biāo)。第47頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化電流環(huán)的等效簡(jiǎn)化等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理電流環(huán)的等效簡(jiǎn)化電流環(huán)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):KI

s(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s第48頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3——1.轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化作高階的降階處理：考慮到輸入量應(yīng)為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為近似條件Ui*(s)Id(s)即這樣，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)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。

第49頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3——1.轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理合并小時(shí)間常數(shù)Ton與1/KI，即TΣn=Ton+1/KI近似條件U*n(s)Id

(s)n(s+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)

Tons+11

Tons+1U*i(s)+-IdL

(s)電流環(huán)

Tons+1+-ASRUn*（s）/α第50頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看從動(dòng)態(tài)要求上看結(jié)論：應(yīng)選用典型Ⅱ型系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：ASRn(s)U*n(s)/α+-第51頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定按典型系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法，選擇τn=hTΣn

則轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖，為典型形式，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn

和n。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系：n

(s)+-U*n(s)/一般地取h=5第52頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路帶T型濾波網(wǎng)絡(luò)的PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式第53頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.近似條件校驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后首先要校驗(yàn)系統(tǒng)的近似條件，對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)有：電流環(huán)等效簡(jiǎn)化處理轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性群的近似處理6.設(shè)計(jì)指標(biāo)校驗(yàn)在上述過(guò)程中只是選擇了h=5，因此應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。有抗擾指標(biāo)時(shí)還要校驗(yàn)抗擾指標(biāo)。但由于采用了飽和非線(xiàn)性控制策略，起動(dòng)過(guò)程的超調(diào)量不能再用線(xiàn)性系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果來(lái)加以校驗(yàn)，而要進(jìn)一步討論。作業(yè)：2-20畫(huà)出帶濾波環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，原理圖。畫(huà)出工程設(shè)計(jì)法討論中逐步化簡(jiǎn)系統(tǒng)的化簡(jiǎn)過(guò)程。第54頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.4轉(zhuǎn)速環(huán)指標(biāo)的計(jì)算系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的指標(biāo)主要有:超調(diào)量過(guò)渡過(guò)程時(shí)間1.超調(diào)量的計(jì)算起動(dòng)過(guò)程的超調(diào)是“退飽和超調(diào)”初始條件為n(0′)=n*Id(0′)=Idm∴表2-6不適用于退飽和超調(diào)的計(jì)算結(jié)論：

“退飽和超調(diào)”不同于線(xiàn)性系統(tǒng)的計(jì)算。0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ0′第55頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.4——1.超調(diào)量的計(jì)算初始條件抗擾Δn（0″）=0Id（0″）=IdL1（→IdL2導(dǎo)致速降）現(xiàn)在Δn（0″）=0Id（0″）=Idm（→IdL導(dǎo)致速升）結(jié)論：因?yàn)槌跏紬l件相同，分析典Ⅱ系統(tǒng)抗擾的結(jié)果可用于分析退飽和超調(diào)。進(jìn)一步地說(shuō)明：考慮飽和非線(xiàn)性作用，跟隨性能與抗擾性能是一致的而不矛盾的！0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢIdLId-+Δn0-Δn--+-IdL-Id0″坐標(biāo)變換后對(duì)比——計(jì)算的捷徑結(jié)構(gòu)圖第56頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4.4——1.超調(diào)量的計(jì)算結(jié)果2.過(guò)渡過(guò)程時(shí)間計(jì)算

ts=t2+tv不考慮0~t1段的非線(xiàn)性則由可求出：n=n*時(shí)，t=t2，忽略tv過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為0Idnn*IdmIdLtt1t2t3t4ⅠⅡⅢ注意：σ%與n*有關(guān)！第57頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙閉環(huán)設(shè)計(jì)例已知：電動(dòng)機(jī)：PN=3kW、UN=220V、IN=17.5A、Ra=1.5Ω、n