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1、转速电流反馈控制的直流调速系统第1页，此课件共104页哦3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性成及其静特性n对于经常正、反转运行的调速系统（如刨床、轧钢机对于经常正、反转运行的调速系统（如刨床、轧钢机等），缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要等），缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。因素。n在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。加（减）速度运行。n当到达稳态转速时，最好使电
2、流立即降下来，使电当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。第2页，此课件共104页哦起动电流呈矩形波，转速按线性起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程快的起动（制动）过程。图3-1 时间最优的理想过渡过程第3页，此课件共104页哦3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成的组成n应该在起动过程中只有电流负反馈，没有应该在起动过程中只有电流负反
3、馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。作用。第4页，此课件共104页哦n方案设想：方案设想：在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，把转速调节器的输出当作电流调节器的负反馈以调节转速和电流，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR转速调节器 ACR电流调
4、节器 TG测速发电机 从闭环结构上看，电流从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统反馈控制直流调速系统（简称（简称双闭环系统双闭环系统）。）。第5页，此课件共104页哦图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数第6页，此课件共104页哦 1.稳态结构图和静特性n转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电的输出限幅电压限制了
5、电力电子变换器的最大输出电压；压；n当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；n当调节器不饱和时，当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。使输入偏差电压在稳态时为零。n对于静特性来说，为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流对于静特性来说，为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此只有转速调节器饱和与不饱和两种调节器不要进入饱和状态，因此只
6、有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态情况，电流调节器不进入饱和状态。第7页，此课件共104页哦（1）转速调节器不饱和n两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。n(3-1)第8页，此课件共104页哦（2）转速调节器饱和nASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。n双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 (3-2)第9页，此课件共104页哦nAB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。nBC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。图3-4 双闭环直流调速系统的静特性第10页，此课件
7、共104页哦n在负载电流小于在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。作用。n当负载电流达到当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。起主要调节作用，系统表现为电流无静差。n采用两个采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。调节器形成了内、外两个闭环的效果。n当当ASR处于饱和状态时，处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，若负载电流减小，Idn0，n0，即即ASR的输入的输入0,ASR反向积分，使反向积分，使ASR调节器退出
8、饱和。调节器退出饱和。又回到线性调节状态，使系统回到静态特性又回到线性调节状态，使系统回到静态特性AB段。段。第11页，此课件共104页哦2各变量的稳态工作点和稳态参数计算n双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 (3-3)(3-4)(3-5)(1)转速转速n是由给定电压是由给定电压Un*决定的决定的;(2)ASR的输出的输出Ui*是由负载电流是由负载电流IdL决定的决定的;(3)控制电压控制电压Uc的大小则同时取决于的大小则同时取决于n和和Id第12页，此课件共104页哦n根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：n转速反馈系数 (3-6)n电流反馈系数
9、 (3-7)n两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。第13页，此课件共104页哦3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图第14页，此课件共104页哦3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析n对调速系统而言，被控制的对象是转速。对调速系统而言，被控制的对象是转速。n跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。n能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最能否实现所期望的恒加速过
10、程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。环控制的一个重要的追求目标。第15页，此课件共104页哦1起动过程分析（1）电流）电流Id从零增长到从零增长到Idm，然后在一，然后在一段时间内维持其值等于段时间内维持其值等于Idm不变，以不变，以后又下降并经调节后到达稳态值后又下降并经调节后到达稳态值IdL。（2）转速波形先是缓慢升速，然后以）转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给恒加速上升，产生超调后，到达给定值定值n*。（3）起动过程分为电流上升、恒流升速）起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调
11、节三个阶段，和转速调节三个阶段，（4）转速调节器在此三个阶段中经历了）转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。不饱和、饱和以及退饱和三种情况。图图3-6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第16页，此课件共104页哦第阶段：电流上升阶段（0t1）电流从0到达最大允许值。第17页，此课件共104页哦第阶段:恒流升速阶段（t1t2）Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。第18页，此课件共104页哦第阶段：转速调节阶段（t2以后）起始时刻是n上升到了给定值n*。在第阶段中，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导转速调节作用
12、，而ACR力图使Id尽快地跟随给定值Ui*，电流内环是一个电流随动子系统。第19页，此课件共104页哦n双闭环直流调速系统的起动过程有以下三双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：个特点：（1）饱和非线性控制）饱和非线性控制（2）转速超调）转速超调（3）准时间最优控制）准时间最优控制 第20页，此课件共104页哦2动态抗扰性能分析n双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。反馈环和电流调节器。n调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能。抗电网电压扰动性能。第21页
13、，此课件共104页哦（1）抗负载扰动n负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。来产生抗负载扰动的作用。n在设计在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。时，要求有较好的抗扰性能指标。图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用负载扰动第22页，此课件共104页哦（2）抗电网电压扰动n电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。扰性能得到改善。n在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。会比单闭环
14、系统小得多。图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用电网电压扰动第23页，此课件共104页哦1.转速调节器的作用n转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化转速很快地跟随给定电压变化,如果采用如果采用PI调节器，则可实现无静差。调节器，则可实现无静差。n对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。n其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。第24页，此课件共104页哦2.电流调节器的作用n在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
15、给定电压（即外环调节器的输出量）变化。n对电网电压的波动起及时抗扰的作用。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。n在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。电流。n当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。系统立即自动恢复正常。第25页，此课件共104页哦3.3 转速、电流反馈控制直流调速系统的设计3.3.1 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标n控制系统的动态性能指标包括对给定输入控制系统的动态性能指标
16、包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。抗扰性能指标。第26页，此课件共104页哦1、跟随性能指标、跟随性能指标n通常以输出量的初始值为零，给定信号通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，此跟随过程的输出量动态响应称过程，此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。作阶跃响应。n常用的阶跃响应跟随性能指标：常用的阶跃响应跟随性能指标：(1)上升时间上升时间(2)超调量超调量(3)调节时间。调节时间。第27页，此课件共104页哦图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标上升
17、时间 峰值时间 调节时间 超调量 第28页，此课件共104页哦2抗扰性能指标n当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。一个抗扰过程。n常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。第29页，此课件共104页哦图3-9 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落 恢复时间 第30页，此课件共104页哦3.3.2 调节器的工程设计方法n工程设计方法：工程设计
18、方法：在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。多。n在典型系统设计的基础上，用在典型系统设计的基础上，用MATLAB/SIMULINK进行计进行计算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。第31页，此课件共104页哦调节器工程设计方法所遵循的原则（1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；）
19、不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。第32页，此课件共104页哦n控制系统的开环传递函数都可以表示成控制系统的开环传递函数都可以表示成（3-9）分母中的分母中的sr项表示该系统在项表示该系统在s=0处有处有r重极重极点，或者说，系统含有点，或者说，系统含有r个积分环节，称作个积分环节，称作r型系统。型系统。第33页，此课件共104页哦n为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能为了使
20、系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用使用0型系统（型系统（r=0），至少是），至少是型系统（型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是）；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统（型系统（r=2）才能实现稳态无差。）才能实现稳态无差。n选择调节器的结构，使系统能满足所需的选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于稳态精度。由于型（型（r=3）和）和型以上型以上的系统很难稳定，而的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。型系统的稳态精度低。因此常把因此常把型和型和型系统作为系统设计的型系统作为系统设计的目标。目标。第34页，此课件共104页哦1典型型系统n作为典型的作为典型的I型系统，其开环传
21、递函数选择为型系统，其开环传递函数选择为 （3-10）式中，式中，T系统的惯性时间常数；系统的惯性时间常数；K系统的开环增益系统的开环增益。只包含开环增益只包含开环增益K和时间常数和时间常数T两个参数，时间常数两个参数，时间常数T往往是往往是控制对象本身固有的，唯一可控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益变的只有开环增益K。设计时，。设计时，需要按照性能指标选择参数需要按照性能指标选择参数K的大小。的大小。(a)闭环系统结构图第35页，此课件共104页哦图3-10典型型系统开环对数频率特性对数幅频特性的中频段以对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越零的斜率穿越零分贝线，只要参数
22、的选择分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。系统就一定是稳定的。第36页，此课件共104页哦n典型型系统的对数幅频特性的幅值为 得到 (3-11)n相角裕度为nK值越大，系统响应越快，截止频率c 也越大，相角稳定裕度 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。n在选择参数 K时，须在快速性与稳定性之间取折衷。（当时）第37页，此课件共104页哦（1）动态跟随性能指标n典型典型型系统的闭环传递函数为型系统的闭环传递函数为 （3-12）式中，式中，自然振荡角频率；自然振荡角频率；阻尼比。阻尼比。n 1，欠阻尼的振荡特性，欠阻尼的振荡特性，n 1，过阻尼的
23、单调特性；，过阻尼的单调特性；n =1，临界阻尼。，临界阻尼。n过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即即 0 1。第38页，此课件共104页哦n超调量 （3-13）n上升时间 （3-14）n峰值时间 （3-15）n当调节时间在 、误差带为 的条件下可近似计算得（3-16）n截止频率（按准确关系计算）（3-17）n相角稳定裕度 （3-18）第39页，此课件共104页哦参数关系参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比阻尼比 超调量超调量 上升时间上升时间 tr峰值时间峰值时间 tp 相角稳定裕度相角稳定裕度 截止频率截止频率 c
24、 1.0 0%76.30.243/T 0.8 1.5%6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3%4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5%3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3%2.4T3.2T 51.8 0.786/T表3-1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系当系统的时间常数当系统的时间常数T为已知时，随着为已知时，随着K的增大，的增大，系统的快速性提高，但稳定性变差系统的快速性提高，但稳定性变差当要求动态响应快时，可取当要求动态响应快时，可取=0.5-0.6，把把K选大些选大些；当要求超调量小时，可取当要求超调量小时，可
25、取=0.8-1.0，把把K选小些；若要求无超调，则取选小些；若要求无超调，则取=1;第40页，此课件共104页哦 一般可取折中值，即一般可取折中值，即=0.707，K=0.5/T，此时略，此时略有超调有超调（%=4.3%）该参数关系就是西门子该参数关系就是西门子“最佳整定最佳整定”方法的方法的 “模最佳系统模最佳系统”或称或称“二阶最佳系统二阶最佳系统”。其实这只是折中参数的选择，无所谓最佳，真正的其实这只是折中参数的选择，无所谓最佳，真正的最佳应依据工艺要求性能指标而定最佳应依据工艺要求性能指标而定 即最适合的就是最好的即最适合的就是最好的!第41页，此课件共104页哦（2）动态抗扰性能指标
26、）动态抗扰性能指标n影响到参数影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系，扰性能指标之间的关系，n典型典型型系统已经规定了系统的结构，分型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，用点，n某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。定的扰动作用点。第42页，此课件共104页哦图3-11 电流环的在电压扰动作用下的动态结构图n电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节，电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节，n 采用采用PI调节器调节器 Tl为电枢回路
27、电磁为电枢回路电磁时间常数时间常数第43页，此课件共104页哦n在只讨论抗扰性能时，令输入变量R=0，n将输出量写成C图3-12 电流环校正成一类典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图(a)一种扰动作用下的结构 (b)等效结构图第44页，此课件共104页哦n在阶跃扰动下，得到n在选定KT=0.5时，（3-19）n阶跃扰动后输出变化量的动态过程函数为 （3-20）n式中 为控制对象中小时间常数与大时间常数 的比值。取不同m值，可计算出相应的动态过程曲线。式中式中m为小时间常数与大时间常为小时间常数与大时间常数之间的比值数之间的比值第45页，此课件共104页哦27.8%12.6%9.3%6.5%t
28、m/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4表3-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落较小，但恢复时间却拖得很长当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落较小，但恢复时间却拖得很长最大动态降最大动态降落落动态降落动态降落时间时间恢复时间恢复时间第46页，此课件共104页哦2.典型型系统n典型典型型系统的开环传函：型系统的开环传函：（3-22）n典型典型II型系统的时间常数型系统的时间常数T也是控制对象固有的，而待也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：定的参数有两个：K 和和 。定义中频宽：定义中频宽：(3-23)
29、n中频宽表示了斜率为中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。与性能指标紧密相关的参数。第47页，此课件共104页哦n=1点处在点处在-40dB/dec特性段，可以看出特性段，可以看出n20lgK=40(lg 1lg1)+20(lg c-lg 1)=20lg 1 c(3-24)n系统相角稳定裕度为系统相角稳定裕度为n比比T大得越多，系统的稳定裕度就越大大得越多，系统的稳定裕度就越大。第48页，此课件共104页哦n采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。(3-25)(3-26)n在确定了h之后
30、，可求得 (3-29)(3-30)1+2=2 c第49页，此课件共104页哦（1）动态跟随性能指标n按按Mr最小准则选择调节器参数，典型最小准则选择调节器参数，典型型系统的开环传递函数型系统的开环传递函数为为n系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数 n当当R(t)为单位阶跃函数时，为单位阶跃函数时，则，则(3-31)第50页，此课件共104页哦 h 3 4 56 7 8 9 10 tr/Tts/T k 52.6%2.412.15 3 43.6%2.65 11.65 237.6%2.85 9.55 2 33.2%3.0 10.45 129.8%3.1 11.30 127.2%3.2 12.25 1
31、25.0%3.3 13.25 1 23.3%3.35 14.20 1表3-4 典型型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mrmin准则确定参数关系)h=5的调节时间最短，此外，的调节时间最短，此外，h减小时，上升时间快，减小时，上升时间快，h增大时，超调量小，把各项增大时，超调量小，把各项指标综合起来看，以指标综合起来看，以h=5的动态跟随性能比较适中。的动态跟随性能比较适中。第51页，此课件共104页哦图3-14 转速环在负载扰动作用下的动态结构框图是电流环的闭环传递函数（2）动态抗扰性能指标第52页，此课件共104页哦图3-15 典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图 (a)一种扰动作用下的结构
32、将电流环等效为：将电流环等效为：第53页，此课件共104页哦n取 ，n于是 图3-15 典型型系统在一种扰动作用下的动态结构图等效框图 由于只考虑动态抗由于只考虑动态抗扰性指标，因此令扰性指标，因此令R(S)=0第54页，此课件共104页哦n在阶跃扰动下，,按Mrmin准则确定参数关系 （3-34）Cb=2FK2T （3-35）取2T时间内的累加值作为基准值 第55页，此课件共104页哦（控制结构和扰动作用点如图3-15所示，参数关系符合 准则）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
33、8.80 84.0%3.00 12.9586.3%3.15 16.8588.1%3.25 19.8089.6%3.30 22.80 90.8%3.40 25.85表3-5 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h值越小，值越小，也越小，也越小，tm和和tv都短，因而抗扰性能越好。都短，因而抗扰性能越好。但是，当但是，当hTi，选择，选择i=Tl，用调节器零点消去控制对，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，象中大的时间常数极点，电流环开环传递函数电流环开环传递函数图3-20 校正成典型I型系统的电流环(a)动态结构图 (b）开环对数幅频特性 第69页，此课件共104页哦n希望电流超调量希
34、望电流超调量 i 5%，选，选 =0.707，KI T i=0.5，则，则(3-51)(3-52)第70页，此课件共104页哦n模拟式电流调节器电路 U*i 电流给定电压；Id 电流负反馈电压；Uc 电力电子变换器的控制电压。图3-21 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器(3-53)(3-54)(3-55)第71页，此课件共104页哦n按典型型系统设计的电流环的闭环传递函数为 (3-56)n采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，可降阶近似为 (3-57)n降价近似条件为 (3-58)式中，cn转速环开环频率特性的截止频率。第72页，此课件共104页哦n电流环在转速环中等效为 (3-5
35、9)n电流的闭环控制把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，n加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。第73页，此课件共104页哦例题3-1 n 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：n直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；n晶闸管装置放大系数：Ks=40；n电枢回路总电阻：R=0.5 ；n时间常数：Ti=0.03s，Tm=0.18s；n电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5IN）。n设计要求设计要求 设计电流调节器，要求电流超调量
36、第74页，此课件共104页哦解 1）确定时间常数n整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。n电流滤波时间常数Toi=2ms=0.002s。n电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）选择电流调节器结构n要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节器。用PI型电流调节器。n检查对电源电压的抗扰性能：，参看表3-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。第75页，此课件共104页哦3）计算电流调节器参数n电流调节器超前时间常数：i=Ti=0.03s。n电流环开环增益：取KiTi=0.5，nACR的比例系数为第76页，此课件共1
37、04页哦4）校验近似条件n电流环截止频率ci=KI=135.1s-1（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （3）校验电流环小时间常数近似处理条件 第77页，此课件共104页哦5）计算调节器电阻和电容n取n 取40kn 取0.75Fn 取0.2F第78页，此课件共104页哦2转速调节器的设计图3-22 转速环的动态结构图及其简化(a)用等效环节代替电流环 第79页，此课件共104页哦图3-22 转速环的动态结构图及其简化(b)等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理n把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/，n
38、把时间常数为 1/KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并第80页，此课件共104页哦n转速环的控制对象是由一个积分环节和一个惯性环节组成，IdL(s)是负载扰动。n系统实现无静差的必要条件是：在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。n转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。nASR采用PI调节器（3-61）Kn 转速调节器的比例系数；n 转速调节器的超前时间常数。需求的关键参数为需求的关键参数为Kn和和 n 第81页，此课件共104页哦n调速系统的开环传递函数为n令转速环开环增益KN为 (3-62)n则 （3-63）第82页，此课件共104页哦图3-22 转速环的动态结构图及其简化(
39、c)校正后成为典型型系统其中 需求的关键参数为需求的关键参数为Kn和和 n 参见参见P74,公式公式3-30无特殊要求时，一般以选择h=5 为好。带入至带入至导出导出关键参数为关键参数为Kn和和 n 均被求出均被求出第83页，此课件共104页哦n模拟式转速调节器电路 U*n 转速给定电压；n 转速负反馈电压；U*i 电流调节器的给定电压。(3-67)(3-68)(3-69)图3-23 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器第84页，此课件共104页哦例题3-2 n在例题3-1中，除已给数据外，已知：转速反馈系数=0.07Vmin/r（10V/nN），n要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速
40、超调量n10%。n试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。第85页，此课件共104页哦解 1）确定时间常数n（1）电流环等效时间常数。由例题3-1，已取KITi=0.5，则 n（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。n（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取第86页，此课件共104页哦2）选择转速调节器结构n选用PI调节器，3）计算转速调节器参数n取h=5，则ASR的超前时间常数为n转速环开环增益：nASR的比例系数为第87页，此课件共104页哦4）检验近似条件n转速环截止频率为（1）电流环传递函数简化条件 满足简化条件（2
41、）转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件第88页，此课件共104页哦5）计算调节器电阻和电容n取n 取470kn 取0.2 F n 取1F6）校核转速超调量n当h=5时，由表3-4查得，n%=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。第89页，此课件共104页哦3转速调节器退饱和时转速超调量的计算转速调节器退饱和时转速超调量的计算n当转速超过给定值之后，转速调节器当转速超过给定值之后，转速调节器ASR由饱和限幅状态进入线性调节由饱和限幅状态进入线性调节状态，此时的转速环由
42、开环进入闭环控制，迫使电流由最大值状态，此时的转速环由开环进入闭环控制，迫使电流由最大值Idm降到负载电降到负载电流流Idl。nASR开始退饱和时，由于电动机电流开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大于负载电流仍大于负载电流Idl，电动机继续加速，直，电动机继续加速，直到到Id Idl时，转速才降低。时，转速才降低。n这不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，这不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作称作“退饱和超调退饱和超调”。实际系统为退饱和超调情况，要比按线性系统计算的超调小得多实际系统为退饱和超调情况，要比按线性系统计算的超调小得多若转速调
43、节器没有饱和限幅的约束，调速系统可在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动时的转若转速调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动时的转速过渡过程就会产生较大的超调量速过渡过程就会产生较大的超调量第90页，此课件共104页哦退饱和超调量应按计算出的较大超调量往小处校正退饱和超调量应按计算出的较大超调量往小处校正 电动机允许的过载倍数，z负载系数，第91页，此课件共104页哦例题3-3 试按退饱和超调量的计算方法计算例题3-2中调速系统空载起动到额定转速时的转速超调量，并校验它是否满足设计要求。n解解 当h=5时，由表2-7查得 第92页，此课件共104页哦从例题从例
44、题3-1，3-2，3-3的计算结果来看，有三个问题是的计算结果来看，有三个问题是值得注意的。值得注意的。（1）转速的退饱和超调量与稳态转速有关。）转速的退饱和超调量与稳态转速有关。n 按线性系统计算转速超调量时，当按线性系统计算转速超调量时，当h选定后，选定后，不论稳态转速不论稳态转速n*有多大，超调量有多大，超调量n%的百分数的百分数都是一样的。都是一样的。n 按照退饱和过程计算超调量，不仅需要校正，按照退饱和过程计算超调量，不仅需要校正，而且其具体数值与而且其具体数值与n*有关有关,若例题若例题3-3中，起动中，起动到额定转速时，到额定转速时，n=8.31%,若只起动到若只起动到0.25倍
45、倍额定转速时，由于额定转速时，由于第93页，此课件共104页哦（2）反电动势对转速环和转速超调量的影响）反电动势对转速环和转速超调量的影响 （a）反电动势的动态影响对于电流环来说）反电动势的动态影响对于电流环来说是可以忽略的。是可以忽略的。（b）对于转速环来说，忽略反电动势的条）对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。好在反电动势的影响只会件就不成立了。好在反电动势的影响只会使转速超调量更小，不考虑它并无大碍。使转速超调量更小，不考虑它并无大碍。第94页，此课件共104页哦n外环的响应比内环慢（通过比较截止频率），这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。n若使用PWM调速系统，转速
46、环截止频率cn 由（20-50）提升至（100-200），大大提升速度环响应速率。图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I电流内环 n转速外环（3）内、外环开环对数幅频特性的比较）内、外环开环对数幅频特性的比较第95页，此课件共104页哦3.4 转速、电流反馈控制转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真直流调速系统的仿真n采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，设计者要选择ASR和ACR两个调节器的PI参数，有效的方法是使用调节器的工程设计方法。n工程设计是在一定的近似条件下得到的，再用MATLAB仿真软件进行仿真，可以根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。第96页，此课件共1
47、04页哦1.1电流环的仿真图3-27电流环的仿真模型考虑到反电动势变化的动态影响 第97页，此课件共104页哦图3-28 Saturation模块对话框饱和非线性模块(Saturation)，来自于Discontinuities组 饱和上界,改为10。饱和下界,改为-10。第98页，此课件共104页哦图3-29 电流环的仿真结果PI参数是根据例题3-1计算的结果设定 在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。第99页，此课件共104页哦图3-30无超调的仿真结果PI调节器的传递函数为 无超调，但上升时间长无超调，但上升时间长第100页，此课件共104页哦图3-31 超调量较大的仿真结果 PI调节器的传递函数为 超调大，但上升时间短超调大，但上升时间短第101页，此课件共104页哦2转速环的系统仿真图3-32 转速环的仿真模型第102页，此课件共104页哦图3-33聚合模块对话框从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope 输入量的个数设置为2第103页，此课件共104页哦图3-34转速环空载高速起动波形图ASR调节器传递函数为 双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10 第104页，此课件共104页哦