雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)課件

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第2章河南科技大學(xué)自動(dòng)化系卜文紹轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法電力拖動(dòng)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)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)方法，也是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。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)是應(yīng)用最廣轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析（從起動(dòng)和抗撓兩方面分析其性能，與“轉(zhuǎn)速”、“電流”兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用）一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器了解弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性內(nèi)容提要2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng):特性軟。比例調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)：有靜差,堵轉(zhuǎn)電流大;即使加電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié),運(yùn)行時(shí)仍有靜差。采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。問題的提出

如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性:2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要原因

在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只能在超過臨界電流值Idcr

以后，靠強(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。a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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IdLntIdOIdmIdcrn主要原因在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的如何提高快速性？看:速度控制與電流控制的關(guān)系.2.速度控制與電流控制的關(guān)系

所以:為提高快速性，需在充分利用電機(jī)過載能力（Id=Idm）的情況下,使電機(jī)以最大加速度，升速或減速。,所以:如何提高快速性？看:速度控制與電流控制的關(guān)系.2.速b)理想的快速起動(dòng)過程IdLnIdm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3.理想的起動(dòng)過程tIdOn在過渡過程中：始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后：立即讓電流降下來(lái)。使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)（龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等），盡量縮短起、制動(dòng)過程時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的重要因素?？稍谧畲笤试S電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的過載能力。b)理想的快速起動(dòng)過程IdLnIdm圖2-1直流調(diào)速系統(tǒng)4.解決思路

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持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變。那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。同時(shí)，希望能實(shí)現(xiàn)：起動(dòng)過程中:只有電流負(fù)反饋,沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后:轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主導(dǎo)作用;

電流負(fù)反饋僅為電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。

在原（轉(zhuǎn)速）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中再添加“電流”負(fù)反饋，就構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。4.解決思路為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)2.1.1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（或稱串級(jí)）聯(lián)接。2.1.1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)+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG1.系統(tǒng)的組成圖2-2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器內(nèi)環(huán)外環(huán)ni圖中：1）把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作電流調(diào)節(jié)器的輸入；

2）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(jié)構(gòu)上看：電流環(huán)為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。

——這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+2.系統(tǒng)電路原理結(jié)構(gòu)為獲得良好的靜、動(dòng)性能,轉(zhuǎn)速和電流用PI調(diào)節(jié)器。說明：圖中標(biāo)出的兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性,是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的,并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。2.系統(tǒng)電路原理結(jié)構(gòu)為獲得良好的靜、動(dòng)性能,轉(zhuǎn)速和電流用2.系統(tǒng)電路原理結(jié)構(gòu)（續(xù)）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；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。

兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都帶限幅給定電壓極性與單環(huán)系統(tǒng)不同

給定電壓極性與單環(huán)系統(tǒng)不同。2.系統(tǒng)電路原理結(jié)構(gòu)（續(xù)）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U

限幅電路限幅電路

電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路2.1.2

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，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖?？珊芊奖愕馗鶕?jù)原理圖畫出。注意：用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器。2.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電流反饋系數(shù)Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE

分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

限幅作用飽和——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,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的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。

分析靜特性的關(guān)鍵是掌握帶輸出限幅PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。存在兩種狀況：限幅作用飽和——輸出達(dá)到限幅值不飽和——輸出未達(dá)到限幅值3.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。?3.系統(tǒng)靜特性實(shí)際上,在正常運(yùn)行時(shí),電為什么電流調(diào)節(jié)器一般不飽和？Tm比Tl時(shí)常大很多,電流跟蹤性能快得多;起動(dòng)過程中,Id≤Idm;而轉(zhuǎn)速越低,E越小;Udo=E+Rid也較小且漸升,所需控制電壓Uc也是線性變化;（起動(dòng)后）運(yùn)行時(shí):Id下降到id=IdL(<Idm),ASR退飽和,U*i下降,Uc,Udo也會(huì)下降;飽和如發(fā)生也是在起動(dòng)過程的后期,當(dāng)轉(zhuǎn)速n升到nN,而id=Idm時(shí)（此時(shí)Udo較大）;不過一般UPE最大輸出電壓都留有余量。為什么電流調(diào)節(jié)器一般不飽和？3.系統(tǒng)靜特性

因?qū)嶋H中,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)。

因此,對(duì)于靜特性來(lái)說,只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。

圖:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

n0IdIdmIdNOnABC3.系統(tǒng)靜特性因?qū)嶋H中,在正常運(yùn)行時(shí),(1)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和由于ASR不飽和,U*i<U*im,可知:Id<Idm。就是說,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，具有水平特性。

式中:,—轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)關(guān)系式可得：從而得到上圖靜特性的CA段，運(yùn)行段。(2-1)

靜特性的水平特性(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和由于ASR不飽和,U*i<U*im(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)限幅值U*im;轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀,轉(zhuǎn)速變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一電流無(wú)靜差單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。式(2-2)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的情況。因?yàn)槿绻鹡>n0,則Un>U*n,ASR將退出飽和狀態(tài)。

式中:最大電流Idm

是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。(2-2)

穩(wěn)態(tài)時(shí):

靜特性的垂直特性(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)限幅值U*im;3.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)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,

表現(xiàn)為電流無(wú)靜差,得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE3.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm3.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。(運(yùn)行段)。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,電流無(wú)靜差。（起動(dòng)段）。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而實(shí)際上:

運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大;為了避免零點(diǎn)飄移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”。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。3.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,2.1.3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:(2-3)(2-5)(2-4)表明,用雙PI調(diào)節(jié)器時(shí)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,同時(shí)取決于n和IdL,或取決于U*n

和IdL。2.1.3各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)這些關(guān)系也反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn):P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量;而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。——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，而和無(wú)靜差系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似。(2-3)(2-5)(2-4)PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)這些關(guān)系也反映了PI調(diào)節(jié)器

反饋系數(shù)計(jì)算根據(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)（2-6）電流反饋系數(shù)（2-7）!反饋系數(shù)計(jì)算根據(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)：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)性能本節(jié)提要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型起動(dòng)過程分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用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)性能本節(jié)提要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

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)框圖。1.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E注:為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電流Id顯露出來(lái).

2.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)直流調(diào)2.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:圖2-6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E2.數(shù)學(xué)模型圖中WASR(s)和WACR(s)分別2.2.2起動(dòng)過程分析

設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過程。分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí),首先探討它的起動(dòng)過程。2.2.2起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的

在起動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)過程就分為對(duì)應(yīng)的三個(gè)階段。在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽圖2-7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

1.起動(dòng)過程

圖：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)過程。整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段：電流上升時(shí)間、轉(zhuǎn)速上升時(shí)間、轉(zhuǎn)速調(diào)整階段。圖2-7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nOO第I階段:電流上升的階段

突加給定電壓U*n后：Id上升。當(dāng)Id<IdL時(shí),電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id≥IdL后:

電機(jī)開始起動(dòng)。由于機(jī)電慣性,轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng),因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大,其輸出電壓保持限幅值U*im,強(qiáng)迫電流Id迅速上升。直到Id=Idm,Ui=U*im：電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長(zhǎng)。這一階段的結(jié)束。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt第I階段:電流上升的階段突加給定電壓U*n后：Id第II階段恒流升速階段

這階段,ASR始終飽和,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán);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),電流Id恒定,加速度恒定,轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt同時(shí),電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量,為了克服它的擾動(dòng),Ud0和Uc基本上按線性增長(zhǎng),保持Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí),要使其輸出量線性增長(zhǎng),其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值,既:Id應(yīng)略低于Idm。第II階段恒流升速階段這階段,ASR始終飽和,轉(zhuǎn)速環(huán)第II階段恒流升速階段

恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階段——電機(jī)在最大電流下以恒加速度升速。還要指出一點(diǎn):

為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也須留有余地。這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。第II階段恒流升速階段恒流升速階段是起第Ⅲ

階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(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,但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im,所以電機(jī)仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt直到Id=IdL時(shí),轉(zhuǎn)矩Te=TL,則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t=t3時(shí)）。轉(zhuǎn)速超調(diào)后:ASR輸入偏差電壓變負(fù),使它開始退出飽和狀態(tài),U*i和Id很快下降。但是,只要Id仍大于負(fù)載電流IdL,轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器A第Ⅲ

階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段此后,電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速,

相應(yīng)(t3~t4)小段時(shí)間內(nèi),Id<IdL,直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好,會(huì)有些振蕩過程。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt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,電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。第Ⅲ階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段此后,電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速2.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)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）飽和非線性控制（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

2.分析結(jié)果綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)（1）

飽和非線性控制

根據(jù)ASR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),不同狀態(tài)下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng):當(dāng)ASR飽和時(shí)：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)ASR不飽和時(shí):轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán),整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng),而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（1）

飽和非線性控制根據(jù)ASR的飽和與不飽和,（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)

由于ASR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)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un

為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，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。但由于在起動(dòng)過程Ⅰ、Ⅲ兩個(gè)階段中電流不能突變，導(dǎo)致實(shí)際起動(dòng)過程和理想過程相比有些差距，但這兩階段占的時(shí)間很短。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。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的最后，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,自由停車。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。最后，應(yīng)該指出：2.2.3動(dòng)態(tài)抗擾性能分析

一般來(lái)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。2.2.3動(dòng)態(tài)抗擾性能分析一般來(lái)說，雙閉環(huán)調(diào)速系

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+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

由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出:負(fù)載擾動(dòng)在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)內(nèi)、電流反饋環(huán)外。因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1圖2-8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)電壓擾動(dòng)±?UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/RTls+1RTmsIdKsTss+1-E在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中：電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，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。圖2-8直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾作用2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)±?2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）-IdL±?Udb)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/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E雙閉環(huán)系統(tǒng)中：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時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)（續(xù)）-IdL±?Udb)雙閉環(huán)系統(tǒng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中：電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯?？闺妷簲_動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中：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)（不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)）?？箶_性能大有改善。

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。單、雙環(huán)抗電網(wǎng)電壓撓動(dòng)性能對(duì)比分析總結(jié)：?jiǎn)伍]環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中：電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用2.2.4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)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,它使轉(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。對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用（抗負(fù)載撓動(dòng)）。其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2.2.4轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速2.電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,在外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中,其作用是“使電流緊緊跟隨其電流給定信號(hào)”(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。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（起動(dòng)、升降速）動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(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)說是十分重要的。2.2.4轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用（續(xù)）2.電流調(diào)節(jié)器的作用作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,在外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中2.3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法2.3.0問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?？赡苄袁F(xiàn)代電力拖動(dòng)自控系統(tǒng)大多可由低階系統(tǒng)近似。可歸結(jié)出幾種少數(shù)典型低階系統(tǒng)。事先：深入研究低階典型系統(tǒng)的特性，弄清參數(shù)與性能指標(biāo)間的關(guān)系，并寫成公式或制成圖表。設(shè)計(jì)時(shí)：將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式，就可用現(xiàn)成的公式和表格計(jì)算參數(shù)。設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便！

——這就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。2.3調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法2.3.0問題的提出可能性2.3.1

調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的原則與基本思路有必要性,有可能,各種工程設(shè)計(jì)方法相繼問世。德國(guó)西門子提出“調(diào)節(jié)器最佳整定”法:包括“模最佳”、“對(duì)稱最佳”兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法，慣稱“二階最佳”、“三階最佳”設(shè)計(jì)。——公式簡(jiǎn)明好記，國(guó)際上普遍應(yīng)用。存在問題：

1）沒有明確參數(shù)調(diào)整的方向;2）沒有考慮到調(diào)節(jié)器飽和這一關(guān)鍵問題。我國(guó)學(xué)者吸取動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用的“振蕩指標(biāo)法”和“模型系統(tǒng)法”的長(zhǎng)處，也歸納出了調(diào)節(jié)器的相關(guān)工程設(shè)計(jì)方法，實(shí)用有效的。2.3.1調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的原則與基本思路有必要性,有2.3.1

調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的原則與基本思路（續(xù)）

設(shè)計(jì)方法的原則:概念清楚、易懂；計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記；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；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；適用于各種可簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。2.3.1調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的原則與基本思路（續(xù)）設(shè)計(jì)方

工程設(shè)計(jì)方法的基本思路

選擇調(diào)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。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。這樣做，就可把“穩(wěn)、快、準(zhǔn)和抗干擾”之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來(lái)解決：1）第一步解決主要矛盾:動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度;2）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),只采用少量典型系統(tǒng),其參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系明確,可使參數(shù)設(shè)計(jì)方法規(guī)范化,減少設(shè)計(jì)工作量。作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分作兩步：

工程設(shè)計(jì)方法的基本思路選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿2.3.2

典型系統(tǒng)一般來(lái)說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可表示為：R(s)C(s)(2-8)上式中：分母中的sr項(xiàng)表示該系統(tǒng)在原點(diǎn)處有r重極點(diǎn)，或者說，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，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、…系統(tǒng)。自控理論已證明：1）0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低；2）而Ⅲ型和Ⅲ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)。2.3.2典型系統(tǒng)一般來(lái)說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可1.典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)式中:T—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù);

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。(2-9)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性dB/decdB/dec1.典型I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù)式中:T—系統(tǒng)的慣性典I型系統(tǒng)性能特性

或于是，相角穩(wěn)定裕度：

dB/decdB/dec

典I型系統(tǒng)，對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以–20dB/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。

要做到這點(diǎn)，應(yīng)選擇參數(shù)：典I型系統(tǒng)性能特性或于是，相角穩(wěn)定裕度：dB/d2.典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)（2-10）開環(huán)傳遞函數(shù):開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性O(shè)dB/decdB/decdB/decC(s)R(s)-2.典型Ⅱ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)（2-10）開環(huán)傳遞函數(shù):

典型的II型系統(tǒng)也是以–20dB/dec

的斜率穿越零分貝線。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?；蚯?/p>

比T大得越多,系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。

性能特性要實(shí)現(xiàn)圖示頻率特性,選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)滿足:

OdB/decdB/decdB/dec典型的II型系統(tǒng)也是以–20dB/dec的斜率穿越2.3.3控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),包括：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)的抗撓性能指標(biāo)。

生產(chǎn)工藝“對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求”，經(jīng)折算和量化后可表達(dá)為“動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)”。2.3.3控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),包括：

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)tr

—上升時(shí)間

—超調(diào)量ts

—調(diào)節(jié)時(shí)間1.跟隨性能指標(biāo)：±5%（或±2%）

0trts圖2-11典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)系統(tǒng)典型的階躍響應(yīng)曲線在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下，系統(tǒng)輸出量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

Cmax

—?jiǎng)討B(tài)降落—用占原穩(wěn)態(tài)值的百分比表示。

tv

—恢復(fù)時(shí)間突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(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)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:可逆軋鋼機(jī)，需要連續(xù)正反向軋制許多道次，對(duì)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗撓性能都有較高要求；一般生產(chǎn)用不可逆調(diào)速系統(tǒng)，主要要求一定的“轉(zhuǎn)速抗撓性能”，其跟隨性能如何關(guān)系不大；工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床位置隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)，對(duì)跟隨性能要求高；大型天線的隨動(dòng)系統(tǒng)，需要較高的跟隨性能，對(duì)抗撓性能也有一定要求?？傊话銇?lái)說：

1）調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗撓性能為主；

2）隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。2.抗擾性能指標(biāo)（續(xù)）!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:總之，一般來(lái)說：2.3.4

典型I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K和時(shí)間常數(shù)T

。時(shí)間常數(shù)T

往往是控制對(duì)象本身固有的；能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益K。既，K

是唯一的待定參數(shù)。

——設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參數(shù)K

的大小。開環(huán)傳遞函數(shù):2.3.4典型I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)：

K

與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系圖2-13:不同K值時(shí)典I型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。

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。由圖可知:所以:K=

c（當(dāng)時(shí)）(2-12)

K與開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的關(guān)系圖2-13:不同K值時(shí)典

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：γ=90°–arctg

cT，越小

這也說明快速性與穩(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。所以:K=

c（當(dāng)時(shí)）(2-12)

表明：K值越大，截止頻率c也越大，系統(tǒng)響表2-1I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/K

1.典型I型系統(tǒng)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)：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：在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)是無(wú)差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比;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)。表2-1I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（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)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

（2-13）

式中:

n—無(wú)阻尼時(shí)的自然振蕩角頻率,或稱固有角頻率;

—阻尼比,或稱衰減系數(shù)。1.典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系（續(xù)）

典型I型系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)（2-14）

K、T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)的換算關(guān)系:

(2-15)

(2-16)

(2-17)

且有

（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)閉環(huán)傳遞函數(shù)：典型I型系統(tǒng)是一種二當(dāng)

<1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，當(dāng)

1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是過阻尼的單調(diào)特性；當(dāng)

=1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是臨界阻尼。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)成欠阻尼狀態(tài)，即

0<

<1

二階系統(tǒng)的性質(zhì)

由于在典I系統(tǒng)中KT<1，代入式（2-16）得

>0.5。因此在典型I型系統(tǒng)中應(yīng)取：下面列出欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算公式(2-18)

(2-16)

當(dāng)<1時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性，二階系統(tǒng)性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系(2-19)(2-20)(2-21)超調(diào)量:上升時(shí)間:峰值時(shí)間:調(diào)節(jié)時(shí)間ts：（當(dāng)ξ<0.9時(shí)）（2-22）頻域指標(biāo)ωn和相角裕度γ：1)截止頻率：（2-23）2)相角穩(wěn)定裕度：（2-24）性能指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系(2-19)(2-20)(2表2-2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

（

與KT的關(guān)系服從于式2-16）

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

0.50.691.0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

1.00%

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/T

0.5

16.3%

2.4T3.2T

51.8°

0.786/T表2-2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

2.典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖:擾動(dòng)F

作用下的典型I型系統(tǒng)。W1(s)是擾動(dòng)作用點(diǎn)前面部分的傳遞函數(shù);后面部分是W2(s).(2-25)

只討論抗擾性能時(shí),令輸入作用R=0,得到等效結(jié)構(gòu)圖。（2-26）2.典型I型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖:擾動(dòng)F作虛框內(nèi)環(huán)節(jié)的輸出變化過程,就是閉環(huán)系統(tǒng)的跟隨過程。說明抗撓性能的優(yōu)劣與跟隨性能的優(yōu)劣有關(guān);

虛框前有“1/W1(s)”的作用,撓動(dòng)作用點(diǎn)前的傳遞函數(shù)W1(s)對(duì)抗撓性能也有很大的影響;

因此:僅靠典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)W(s)并不能像分析跟隨性能那樣唯一地決定抗撓性能指標(biāo),撓動(dòng)作用點(diǎn)的位置也是一個(gè)重要因素。某種定量的抗撓性能指標(biāo)只適用于一種特定的撓動(dòng)作用點(diǎn)?？箵戏治鰪?fù)雜！

根據(jù)圖b和式(2-26)可知：（2-26）虛框內(nèi)環(huán)節(jié)的輸出變化過程,就是閉環(huán)系統(tǒng)的跟隨過程。說明抗撓我們只針對(duì)常用的調(diào)速系統(tǒng)選擇圖2-15所示的一種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分析，其他結(jié)構(gòu)可類似處理。撓動(dòng)作用點(diǎn)前后各選擇一種特定的結(jié)構(gòu)：Kd/(T1s+1)和K2/(T2s+1)

在控制對(duì)象前面的調(diào)節(jié)器采用常用的PI調(diào)節(jié)器取:K1=KpiKd/τi

K1K2=K，取:τ1=T2>T1=T

即令:調(diào)節(jié)器中的比例微分環(huán)節(jié)(τ1s+1)對(duì)消掉控制對(duì)象中大時(shí)常慣性環(huán)節(jié)(T1s+1).

則圖a可改畫成圖b我們只針對(duì)常用的調(diào)速系統(tǒng)選擇圖2-15所示的一種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分撓動(dòng)點(diǎn)前

撓動(dòng)點(diǎn)后

在階躍撓動(dòng)F(s)=F/s下,輸出變化量為:如調(diào)節(jié)器參數(shù)已按跟隨性指標(biāo)選定為KT=0.5,則:

(2-29)—經(jīng)過拉氏反變換，可得到階躍撓動(dòng)后輸出變化量的動(dòng)態(tài)過程函數(shù)△C(t).取:為控制對(duì)象中小時(shí)間常數(shù)與大時(shí)間常數(shù)的比值。取不同m值，可計(jì)算出相應(yīng)的△C(t)動(dòng)態(tài)過程曲線，并算出抗撓指標(biāo)。撓動(dòng)點(diǎn)前撓動(dòng)點(diǎn)后在階躍撓動(dòng)F(s)=F/s下,輸出變化55.5%33.2%18.5%12.9%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4表2-3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(控制結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)作用點(diǎn)如圖2-15所示，已選定的參數(shù)關(guān)系KT=0.5)

不同m值時(shí)的計(jì)算結(jié)果可看出:當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相距較大時(shí)，動(dòng)態(tài)降落減小，但恢復(fù)時(shí)間卻拖得較長(zhǎng)。

55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.832.3.5典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

可選參數(shù):1）（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;2）（不同的是）待定的參數(shù)有兩個(gè):K和

。2.3.5典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系可選參數(shù):中頻寬h0-20

–40

-40

/s-1

c

=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec圖2-16典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬中頻寬度

由圖可見:h是斜率為–20dB/dec的中頻段的寬度，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此h值是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。(2-32)

為便于分析,引入一個(gè)新的變量h(中頻寬)。中頻寬h0-20–40-40/s-1c=1

調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計(jì)算

一般情況下:ω=1點(diǎn)對(duì)應(yīng)于低頻段“-40DB/dec”特性段。則有:

（2-33）

由圖2-16可看出：由于T一定,改變?chǔ)泳拖喈?dāng)于改變中頻寬h；在τ確定后,改變K相當(dāng)于使特性上下平移,改變截止頻率ωc

在工程設(shè)計(jì)中:如果兩個(gè)參數(shù)都任選,工作量大！如果能在兩個(gè)參數(shù)間找到“對(duì)動(dòng)態(tài)性能有利”的某種關(guān)系,選出一個(gè)參數(shù)就能推算出另一參數(shù),雙參數(shù)設(shè)計(jì)問題就變?yōu)閱螀?shù)設(shè)計(jì)問題,簡(jiǎn)！調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計(jì)算一般情況下:ω=1點(diǎn)對(duì)應(yīng)于低頻段尋找h與ωc兩參數(shù)間的最佳配合“振蕩指標(biāo)法”中“閉環(huán)幅頻特性的峰值Mr最小準(zhǔn)則”表明：對(duì)于一定的h值，只有一個(gè)確定的ωc(或K)可以得到最小閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin；這時(shí)ωc和ω1、ω2之間的關(guān)系是:

稱為:Mrmin準(zhǔn)則的“最佳頻比”對(duì)應(yīng)的最小閉環(huán)幅頻特性峰值是

調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計(jì)算(續(xù))尋找h與ωc兩參數(shù)間的最佳配合“振蕩指標(biāo)法”中“閉環(huán)加大中頻寬h，可減小Mrmin，降低超調(diào)量σ(穩(wěn)定性增強(qiáng));

但同時(shí)ωc也將減小(ω2不變),使系統(tǒng)的快速性減弱。經(jīng)驗(yàn)表明：

1）Mrmin在1.2-1.5之間時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好；

2）Mrmin有時(shí)也允許達(dá)到1.8-2.0。

從表2-4(見教材)可看出：

對(duì)應(yīng)的，h

值可在3-10之間選擇。h更大時(shí)，降低Mrmin的效果不明顯。h值一般取5。

尋找h與ωc兩參數(shù)間的最佳配合選定h后，可根據(jù)h查表得到“ω2/ωc=?”可求出ωc（因ω2=1/T是已知的)。加大中頻寬h，可減小Mrmin，降低超調(diào)量σ(穩(wěn)定性增強(qiáng));工程設(shè)計(jì)中計(jì)算典Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算公式。使用時(shí):只要按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求確定h值，就可以代入這兩個(gè)公式計(jì)算τ和K參數(shù)。再由此計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。

確定了h和ωc之后,可以很容易地計(jì)算出τ和K參數(shù),即：——τ和K都成為單一參數(shù)“h”的表達(dá)式。

調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算

調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇計(jì)算（續(xù)）工程設(shè)計(jì)中計(jì)算典Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算公式。確定了h表2-5

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（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

Ⅱ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2-5中。1.典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)均無(wú)差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。表2-5II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)（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)

當(dāng)按Mr最小準(zhǔn)則選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí),只要把用h表示的τ和K的表達(dá)式,代入相應(yīng)的傳遞函數(shù)式,就可求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。單位階躍輸出相函數(shù)（2）動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)當(dāng)按Mr最小準(zhǔn)則選擇調(diào)

以T為基準(zhǔn),當(dāng)h取不同值時(shí),可求出單位階躍響應(yīng),并求出超調(diào)量、上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間。表。1）由于過渡過程的振蕩性質(zhì),調(diào)節(jié)時(shí)間隨h的變化不是單調(diào)的,在h=5時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短；2）h減小時(shí),上升時(shí)間快;h增大時(shí),超調(diào)量小。3）綜合各項(xiàng)指標(biāo),h=5時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性能比較適中。大大小小以T為基準(zhǔn),當(dāng)h取不同值時(shí),可求出單位階躍比較典II和典型I系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能：典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量一般比典型I型系統(tǒng)大;典型II型系統(tǒng)的快速性比典型I型系統(tǒng)要好。Ts≈6T比較典II和典型I系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能：典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量抗擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.典型Ⅱ型系統(tǒng)“抗擾性能”指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系

注意擾動(dòng)作用點(diǎn):正好為轉(zhuǎn)速環(huán)中負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)的位置?？刂茖?duì)象撓動(dòng)作用點(diǎn)前后的傳函：

調(diào)節(jié)器PI型。和取：K1=KpiKd/τ1，K1K2=K，τ1=hT，圖a可改畫為圖b。于是：屬于典型Ⅱ型系統(tǒng)。抗擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.典型Ⅱ型系統(tǒng)“抗擾性能”指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系在階躍擾動(dòng)下：（2-43）

抗撓性能指標(biāo)按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系，即取

可計(jì)算出對(duì)應(yīng)不同h值的動(dòng)態(tài)抗撓曲線，求出各項(xiàng)動(dòng)態(tài)抗撓性能指標(biāo)，見表2-7。在階躍擾動(dòng)下：（2-43）抗撓性能指標(biāo)按Mrmin準(zhǔn)

可見：h=5是較好的選擇，這與跟隨性能指標(biāo)中調(diào)節(jié)時(shí)間最短的條件是一致的。表2-7中數(shù)據(jù)表明：但當(dāng)h<5時(shí),h再減小時(shí),

因振蕩次數(shù)增加恢復(fù)時(shí)間tv反而拖長(zhǎng).當(dāng)h再增加時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定性增加(K減小),系統(tǒng)抗撓性能變差.一般情況下,當(dāng)h值越小:

Cmax/Cb也越小;同時(shí),tm和tv也都短。因而抗擾性能越好。大大小大可見：h=5是較好的選擇，這與跟隨性能指標(biāo)中調(diào)節(jié)時(shí)間最短

綜合典型Ⅱ型系統(tǒng)“跟隨”和“抗撓”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。此時(shí)，系統(tǒng)快速跟隨性和抗撓性能可達(dá)到綜合最佳。結(jié)論：綜合典型Ⅱ型系統(tǒng)“跟隨”和“抗撓”各項(xiàng)性能指比較典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)抗撓性能：典型I型系統(tǒng)抗擾性能稍差；典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能較好。比較典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)抗撓性能：典型I型系統(tǒng)抗擾

通過比較分析,典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ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：

兩種系統(tǒng)比較典型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。

——這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。通過比較分析,典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)2.3.6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1.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)。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

(前已給出)典型系統(tǒng)的性能指標(biāo)和參數(shù)間關(guān)系；便于通過工程設(shè)計(jì)方法，選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)。2.3.6調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇和傳遞函數(shù)的近似處理

確定要校正為哪一類典型系統(tǒng)選擇依據(jù)（兩種系統(tǒng)各自的性能特點(diǎn)）如果系統(tǒng)主要要求跟隨性能強(qiáng),可按典型Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計(jì);如果主要要求良好的抗撓性能,則首選典型Ⅱ系統(tǒng)。如果既要求抗干能力強(qiáng),又要階躍響應(yīng)超調(diào)小,兩種典型都不滿足。根據(jù)輸入信號(hào)和穩(wěn)態(tài)誤差要求選擇。根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選擇：

實(shí)際上,突加階躍給定后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi),調(diào)節(jié)器的輸出可能是飽和的（輸出有限制）,就脫離了線性條件。實(shí)際系統(tǒng)的超調(diào)量并沒有按線性系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的那樣大。

注意一點(diǎn)：確定要校正為哪一類典型系統(tǒng)選擇依據(jù)（兩種系統(tǒng)各自的性能特

選擇規(guī)律確定了典型系統(tǒng)后，選擇調(diào)節(jié)器。選擇方法：1）把控制對(duì)象與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)相乘，匹配成典型系統(tǒng)。原傳函是雙慣性型的(T1>T2),要校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)。原傳函是積分-雙慣性型的,T1與T2大小相仿。校正為典型Ⅱ型系統(tǒng)。舉例：2）如匹配不成，可先對(duì)控制對(duì)象傳遞函數(shù)做近似處理，再與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)配成典型系統(tǒng)。選擇規(guī)律確定了典型系統(tǒng)后，選擇調(diào)節(jié)器。原傳函是雙慣性型的(表2-8和表2-9：幾種要校正成典型I,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)”;表中還給出了參數(shù)配合關(guān)系。表2-8和表2-9：有時(shí)僅靠P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求，就不得不作一些近似處理，或者采用更復(fù)雜的控制規(guī)律。

傳遞函數(shù)的近似化處理有時(shí)僅靠P、I、PI、PD及PID幾種調(diào)節(jié)器都不能滿足要求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)中往往有若干小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),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。處理方法：在一定的條件下,小慣性群近似看成是一個(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。

(2-47)

近似條件(2-46)

小慣性環(huán)節(jié)可以合并（T1>>T2,T1>>T3）2.傳遞函數(shù)近似處理1)高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理處理方2）高階系統(tǒng)的降階近似處理

把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性環(huán)節(jié)的近似處理，實(shí)為高階系統(tǒng)降階處理的一種特例。更一般的情況：如何能忽略特征方程的高次項(xiàng)。其中:a，b，c都是正系數(shù)，且bc

a，即系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2-50)

以三階系統(tǒng)為例,設(shè):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

(2-51)

(2-52)

2）高階系統(tǒng)的降階近似處理把多階小慣性環(huán)節(jié)降為一階小慣性

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：3）低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理近似條件:

(2-53)

例如：對(duì)頻率特性的影響

把慣性環(huán)節(jié)近似成積分環(huán)節(jié)后，相對(duì)實(shí)際系統(tǒng)相角滯后變大，相角裕度更小了。也就是說:按近似系統(tǒng)設(shè)計(jì)好調(diào)節(jié)器后，實(shí)際系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)該更強(qiáng)。因此該方法是可行的！而近似關(guān)系但,實(shí)際系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)！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(低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理)對(duì)頻率特性的影響舉例:開環(huán)傳遞函數(shù)其中：T1>τ>T2，且1/T1遠(yuǎn)低于截止頻率ωc，處于低頻段。

c圖2-21低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理對(duì)頻率特性的影響

低頻時(shí)把特性a近似地看成特性b

(低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理)對(duì)頻率特性的影響舉例:開環(huán)傳

從圖2-21開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性可：相當(dāng)于把特性a近似地看成特性b，其差別只在低頻段，這樣近似處理對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響不大。注意：從穩(wěn)態(tài)性能上看：這樣的近似處理相當(dāng)于把系統(tǒng)的類型認(rèn)為地提高了一級(jí)，如原來(lái)是Ⅰ型系統(tǒng)，近似處理后變?yōu)棰蛐拖到y(tǒng)（當(dāng)然是不真實(shí)的）。所以，這種近似處理只能用于分析動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)考慮穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，仍采用原來(lái)的傳遞函數(shù)即可。從圖2-21開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性可：相當(dāng)于把特性2.4按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(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。主要介紹內(nèi)容：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2.4按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器——轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)圖2-22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

E(s)電流環(huán)

與前述的圖2-6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：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)。思考:為何加濾波環(huán)節(jié)？——轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象-IdL(s加濾波環(huán)節(jié)的原因:檢測(cè)信號(hào)濾波：電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量。為不影響輸入，需要濾波。反饋不能抵抗檢測(cè)誤差。轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)中也會(huì)含有諧波分量。影響：濾波環(huán)節(jié)（一階慣性環(huán)節(jié)）,會(huì)造成反饋信號(hào)延遲。給定信號(hào)濾波，意義：讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延遲，使兩者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希豢蓭?lái)設(shè)計(jì)上的方便（便于結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化）。加濾波環(huán)節(jié)的原因:2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則

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（使能校正為典型系統(tǒng)）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)2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容: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1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化內(nèi)容:忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

Tois+11

Tois+1圖2-23a電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)

E(s)

電動(dòng)勢(shì)與n成正比(代表了轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響);慢變撓動(dòng)。即電流瞬變過程中,可認(rèn)為E基本不變。在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí),可暫不考慮E變化的動(dòng)態(tài)影響,即

E≈0。這時(shí),電流環(huán)如下圖。忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響Ud0(s)+-Ui工程設(shè)計(jì)法中，典型系統(tǒng)是單位負(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2-23b）。

等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法中，典型系統(tǒng)是單位負(fù)反饋系統(tǒng)。等效成單位負(fù)反饋系由于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:簡(jiǎn)化的近似條件:(2-56)

小慣性環(huán)節(jié)近似處理(2-55)

T∑i=Ts+Toi由于Ts和T0i一般都比Tl小得多,可以當(dāng)作小慣性群

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（使能校正為典型系統(tǒng)）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)2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（續(xù)）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:希望電流無(wú)靜差,以得到理想的堵轉(zhuǎn)或起動(dòng)特性。采用I型系統(tǒng)即可。從動(dòng)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)過程中不超過允許值；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。

所以,電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主,應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。

2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇所以,電流環(huán)應(yīng)2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇（續(xù)）電流調(diào)節(jié)器選擇電流環(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型電流調(diào)節(jié)器,其傳函:（2-57）

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:（2-58）則電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)成為典Ⅰ型形式:其中:2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇（續(xù)）電流調(diào)節(jié)器選擇（2-57）KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)

校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性

圖2-24校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性:

OL/dB

ci-20dB/dec

/s-1-40dB/decT∑i其中:KIs(Tis+1)Id(s)+-U*i(s)校正所用到的近似或假定條件電力電子變換器純滯后處理的條件：忽略反電動(dòng)勢(shì)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：

上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的，將用過的假定條件歸納如下：所用到的近似或假定條件電力電子變換器純滯后處理的條件：

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（使能校正為典型系統(tǒng)）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)2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算式(2-57)中的參數(shù):Ki

和

i。待定參數(shù):比例系數(shù)Ki,可根據(jù)所需動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。（2-57）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)其中

i已選定（2-58）3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算式(2-57)中的參數(shù):Ki和一般情況下,希望電流超調(diào)量

i≤5%,由表2-2,可選:

=0.707，

KI

T

i=0.5,

則:(2-60)

(2-61)

注意：如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同,式(2-60)和式(2-61)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。參數(shù)選擇其中

i已選定(2-58)其中:(2-59)一般情況下,希望電流超調(diào)量i≤5%,(2-60)(4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中:U*i

—電流給定電壓；

–Id

—電流負(fù)反饋電壓；

Uc

—電力電子變換器的控制電壓。圖2-25含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器

電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)的計(jì)算公式:(2-62)

(2-63)

(2-64)

4.電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路圖中:圖2-25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)2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)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)。(2-65)

傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)忽略高次項(xiàng),上式可降階近似為:(2-66)

近似條件可由式（2-52）求出:(2-67)

式中:

cn—轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)(2-65)傳遞

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:(2-68)

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)。1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)(續(xù))物理意義:

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。(2-66)

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*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)的計(jì)算4.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇

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(雙環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的)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，如圖所示。n

(s)+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s