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1、2023/3/2212.1 转速单闭环直流调速系统 开环系统的特点：系统结构简单，调速容易,可以实现一定范围内的无级调速。机械特性是线性的，nN对系统来说是固定的，即为固有参数。抗扰性差开环系统满足不了对静差率有较严格要求的系统。为提高系统性能，只有采用负反馈控制，构成闭环调速系统。第1页/共301页2023/3/222转速单闭环直流调速系统的控制规律将系统的被调节量作为反馈量引入系统中，使之与给定量进行比较，用比较后的差值对系统进行控制，可以有效地抑制直至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本思想。第2页/共301页2023/3/223基于负反馈（输入量与输出
2、量相减）基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，对于输出量反馈的传递途径有一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。第3页/共301页2023/3/224系统工作原理 图2-1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图第4页/共301页2023/3/225在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，Un与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un 。第5页/共301页2023/3/226 Un经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。闭环控制系统和开环控制系统的主要差
3、别就在于转速经过测量元件反馈到输入端参与控制。第6页/共301页2023/3/227闭环调速系统中各环节的稳态关系 电压比较环节比例调节器测速反馈环节 电力电子变换器 直流电动机 第7页/共301页2023/3/228以上各关系式中新出现的系数为：比例调节器的比例系数；转速反馈系数（Vmin/r）电力电子变换器理想空载输出电压（V）（变换器内阻已并入电枢回路总电阻R中）。第8页/共301页2023/3/229静特性方程式式中:-闭环系统的开环放大系数（2-1）第9页/共301页2023/3/2210只考虑给定作用时的闭环系统图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图第10页/共301页2
4、023/3/2211只考虑扰动作用时的闭环系统 图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图第11页/共301页2023/3/2212稳态结构图 图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图第12页/共301页2023/3/2213系统静特性分析 闭环系统的静特性方程式为它的开环机械特性为 （2-2）（2-3）第13页/共301页2023/3/2214式中，和 分别表示闭环和开环系统的理想空载转速；和 分别表示闭环和开环系统的稳态速降。第14页/共301页2023/3/2215稳态速降的比较（1）在相同的负载扰动下，闭环系统的负载降落仅为开环系统转速降落的 。它们的关系是（2-4）第1
5、5页/共301页2023/3/2216图2-3 闭环系统静特性与开环系统机械特性第16页/共301页2023/3/2217转速静差率的比较（2）在相同的理想空载转速条件下，闭环系统的转速静差率也仅为开环系统的 。因为条件是 ，所以（2-5）第17页/共301页2023/3/2218调速范围的比较（3）在相同的静差率约束下，闭环系统的调速范围为开环系统的（1+K）倍。当系统的最高转速是电动机额定转速 ，所要求的静差率为s时，由式（2-4）得到（2-6）第18页/共301页2023/3/2219从上述三点可见：闭环系统的静特性比开环系统的机械特性要硬得多。在保证一定静差率的要求下，闭环系统能够扩大
6、调速范围。第19页/共301页2023/3/2220 系统调节过程图2-4 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系第20页/共301页2023/3/2221开环系统 Id n 例如：在图2-4中工作点从A A 闭环系统 Id n Un Un-n Ud0 Uc 例如：在图2-4中工作点从A B第21页/共301页2023/3/2222最终从A A点所在的开环机械特性过渡到B B点所在的开环机械特性，电枢电压由 增加至 。闭环系统的静特性就是由多条开环机械特性上相应的工作点组成的一条特性曲线。闭环系统能减小稳态速降的实质：在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化，而相应的改变在于它的自动调节作
7、用，在于它能随着负载的变化，而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。第22页/共301页2023/3/2223反馈控制规律 1.1.只有比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。只有 K=，才能使 ncl=0，而这是不可能的。过大的K值也会导致系统的不稳定。第23页/共301页2023/3/22242.2.反馈控制系统的作用是：抵抗扰动 服从给定 一方面能够有效地抑制一切被包含在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面则能紧紧跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从。反馈控制规律 第24页/共301页2023/3/2225图2-5 闭环调速
8、系统的给定作用和扰动作用第25页/共301页2023/3/2226反馈控制规律 3.3.系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。反馈控制系统无法鉴别是给定信号的正常调节还是外界的电压波动。反馈通道上有一个测速反馈系数，它同样存在着因扰动而发生的波动，由于它不是在被反馈环包围的前向通道上，因此也不能被抑制。如：un un ucud0n第26页/共301页2023/3/2227例题在例题1-2中，龙门刨床要求 D=20，s R，因此（2-9）（2-10）第38页/共301页2023/3/2239参数设计堵转电流 应小于电动机允许的最大电流，一般可取 截止电流 可略大于电动机的额定电流 第39页/共3
9、01页2023/3/2240应用 适用于小容量系统缺点 不是最大电流起动第40页/共301页2023/3/2241思考题 2-1-2-14 习题 2.1 -2.5早起三光，晚起三慌！Beijing2008第41页/共301页2023/3/2242转速单闭环直流调速系统的动态数学模型任何一个带有储能环节的物理系统动态过程都应该用微分方程来描述，系统的响应（即微分方程的解）包括两部分：动态响应和稳态解。转速单闭环直流调速系统在动态过程中，输出响应不能立即达到给定的输入值，这就是系统的动态响应；只有当系统达到稳态后，才能用稳态解来描述系统的稳态特性。第42页/共301页2023/3/22431.单闭
10、环直流调速系统的动态数学模型分别对各个部分建模：第一个环节是比例放大器，其响应可以认为是瞬时的，所以它的传递函数就是它的放大系数，即（2-11）第43页/共301页2023/3/2244电力电子变换器第二个环节是电力电子变换器，晶闸管触发与整流装置的近似传递函数，与PWMPWM控制与变换装置的近似传递函数表达式是相同的，都是（2-12）第44页/共301页2023/3/2245直流电动机 式中 R主电路的总电阻（）L主电路的总电感（mH）n第三个环节是直流电动机，假定主电路电流连续，则主电路电压的微分方程为（2-13）第45页/共301页2023/3/2246直流电动机在额定励磁下，忽略摩擦力
11、及弹性变形，电力拖动系统运动的微分方程为 （2-142-14）式中 电磁转矩（N Nm m）;包括电动机空载转矩在内的负载 转矩（N Nm m）；电力拖动系统折算到电动机轴上 的飞轮惯量（N Nm m2 2）；第46页/共301页2023/3/2247直流电动机再定义 T TL L 电枢回路电磁时间常数(s)(s)，Tm电力拖动系统机电时间常数（s s）,n在额定励磁下，式中Cm电动机的转矩系数（Nm/A）第47页/共301页2023/3/2248直流电动机图2-10 2-10 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路第48页/共301页2023/3/2249直流电动机n根据R、Te、Tl 和 T
12、m 的定义对式（2-13）和（2-14）作整理后得n在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 第49页/共301页2023/3/2250（2-15）直流电动机电流与电压间的传递函数为第50页/共301页2023/3/2251直流电动机转速与电流之间的传递函数为 式中 负载电流（A）。Tm-电力拖动系统机电时间常数（s）第51页/共301页2023/3/2252直流电动机两边取拉氏变换（2-16）第52页/共301页2023/3/2253图2-11 2-11 额定励磁下的直流电动机的动态结构框图直流电动机由此可以得直流电动机的动态结构图如下第53页/共301页2023/3/
13、2254直流电动机直流电动机有两个输入量一个是控制输入量 Ud0另一个是扰动输入量 Idl电势E是根据直流电动机工作时电压平衡方程式而形成的内部反馈量第54页/共301页2023/3/2255直流电动机如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图第55页/共301页2023/3/2256进行等效变换，得到图2-122-12的形式。额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节，T Tm m 和 T Tl l 两个时间常数分别表示机电惯性和电磁惯性。图2-12直流电动机动态结构框图的变换直流电动机第56页/共301页2023/3/2257测速反馈 第四个环节是测速反馈
14、环节，认为它的响应时间是瞬时的，传递函数就是它的放大系数。（2-17）第57页/共301页2023/3/2258动态结构框图 图2-13 2-13 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图 第58页/共301页2023/3/2259开环传递函数 式中（2-18）第59页/共301页2023/3/2260闭环传递函数（2-19）设Idl=0,从给定输入作用上看，闭环传递为：第60页/共301页2023/3/2261单闭环直流调速系统的稳定性分析 n三阶系统的的特征方程为（2-20）n它的一般表达式为 根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，先列写劳斯阵列表第61页/共301页2023/3/2262单闭环
15、直流调速系统的稳定性分析 劳斯-古尔维茨判据：系统稳定的充分必要条件是 式（2-20）的各项系数显然都是大于零的，因 此稳定条件就只有 方程的各项系数全部为正劳斯表第一列都具有正号第62页/共301页2023/3/2263单闭环直流调速系统的稳定性分析（2-21）n稳定的充分必要条件即或第63页/共301页2023/3/2264单闭环直流调速系统的稳定性分析 式（2-21）右边称作系统的临界放大系数KcrKKcr 时，系统将不稳定，以致无法工作。由于Tl、Ts和Tm都是系统的固有参数，而闭环系统开环放大系数K中的Ks、Ce和也是系统的既有参数，唯有Kp是可以调节的指标。要使得要使得 KKK0，
16、积分调节器的输出Uc便一直增长；只有达到Un=0时，Uc才停止上升；只有到Un变负，Uc才会下降。n当Un=0时，Uc并不是零，而是某一个固定值Ucf 图2-14 积分调节器的输入和输出动态过程第72页/共301页2023/3/2273无静差调速系统负载突增时的动态过程 由于Idl的增加，转速n下降，导致Un变正，在积分调节器的作用下，Uc上升，电枢电压Ud上升，以克服Idl增加的压降，最终进入新的稳态。第73页/共301页2023/3/2274积分控制规律和比例控制规律的区别在于：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史。虽然当前的Un=0，只要历史
17、上有过Un，其积分输出就有一定数值，就能输出稳态运行所需要的控制电压Uc。第74页/共301页2023/3/2275对于1型系统能否实现扰动作用无静差的关键是：必须在扰动作用点前含有积分环节，当然此扰动是指阶跃扰动。第75页/共301页2023/3/2276比例积分控制规律在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出只能逐渐地变化，如图2-14所示。调速系统一般应具有快与准的性能，即系统既是静态无差又具有快速响应的性能。实现的方法是把比例和积分两种控制结合起来，组成比例积分调节器（PI）。第76页/共301页2023/3/2277PI调节器 PI调节器的表达式，（2-2
18、7）式中 Uex PI调节器的输出；Uin PI调节器的输入。其传递函数为 （2-28）式中 Kp PI调节器的比例放大系数；PI调节器的积分时间常数。第77页/共301页2023/3/2278传递函数 令1=Kp，则传递函数也可写成如下形式（2-29）1是微分项中的超前时间常数。PI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。第78页/共301页2023/3/2279输出特性 在t=0时就有Uex(t)=KpUin，实现了快速控制；随后Uex(t)按积分规律增长，。在t=t1时，Uin=0，图2-16 PI调节器的输
19、出特性第79页/共301页2023/3/2280输入和输出动态过程 在闭环调速系统中，采用PI调节器输出部分Uc由两部分组成。比例部分和Un成正比。积分部分表示了从t=0到此时刻对Un(t)的积分值。Uc是这两部分之和。图2-17 闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程第80页/共301页2023/3/2281PI调节器的设计在设计闭环调速系统时，对数频率特性图（伯德图）是较常用的方法。在伯德图中，用来衡量系统稳定裕度的指标是：相角裕度和以分贝表示的增益裕度GM。一般要求=3060，GM6dB。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程震荡弱、超调小。
20、第81页/共301页2023/3/2282图2-18 自动控制系统的典型伯德图伯德图第82页/共301页2023/3/2283伯德图与系统性能的关系中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。截止频率（或称剪切频率w wc）越高，则系统的快速性越好。低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。第83页/共301页2023/3/2284图2-18 2-18 自动控制系统的典型伯德图伯德图第84页/共301页2023/3/2285例题2-1 直流电动机：额定电压 ，额定
21、电流 ，额定转速 ，电动机电势系数 ，晶闸管装置放大系数 ，电枢回路总电阻时间常数 ，转速反馈系数第85页/共301页2023/3/2286（1）在采用比例调节器时，为了达到 ，的稳态性能指标，试计算比例调节器的放大系数。（2）用伯德图判别系统是否稳定。（3）利用伯德图设计PI调节器。能在保证 稳态性能要求下稳定运行。例题2-1 第86页/共301页2023/3/2287解:（1）额定负载时的稳态速降应为 开环系统额定速降为 闭环系统的开环放大系数应为例题2-1 第87页/共301页2023/3/2288（2）闭环系统的开环传递函数(式2-18)是例题2-1 第88页/共301页2023/3/
22、2289其中三个转折频率分别为:例题2-1 做出伯德图,可见:相角裕度和增益裕度GM都是负值，闭环系统不稳定。第89页/共301页2023/3/2290图2-19 采用比例调节器的调速系统的伯德图相角裕度和增益裕度GM都是负值，闭环系统不稳定。相角裕度=180+f f是开环传递函数在增益交接频率上的相角。为使最小相位系统稳定，相角余量必须为正值(在-180相线以上)。增益余量GM：在相位等于180的频率上，20lg|GM|=-20lg|G(j)|对于稳定系统，GM(dB)必在0dB线以下。第90页/共301页2023/3/2291（3）采用PI调节器的闭环系统的开环传递函数为按频段特征的要求（
23、1）和（3），希望-20dB/dec的频带宽度要宽，提高系统的稳定性。采用1=T1的方法，把-20dB/dec的频带往低频段延伸，同时改善了低频段的斜率。例题2-1 第91页/共301页2023/3/2292 按频段特性的要求（1）和（3）：选择Kp,使得c处的频率斜率是-20dB/dec，同时使该斜率的宽度足够宽；在本题中，要使 。现取 ，使得 。开环传递函数成为例题2-1 第92页/共301页2023/3/2293图2-20 闭环直流调速系统的PI调节器校正相角裕度和增益裕度GM都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度第93页/共301页2023/3/2294 PI调节器的传递函数为 这个设计
24、结果不是唯一的，截止频率已降到 ，相角裕度和增益裕度GM都已变成较大的正值，有足够的稳定裕度，但快速性被压低了许多。在工程设计中应根据稳态性能指标和动态性能指标来选择合适的PI参数。在本章的2.4节，将作深入的讨论。例题2-1 第94页/共301页2023/3/2295习题2-6，2-7，2-8第95页/共301页2023/3/22962.2 转速、电流双闭环直流调速系统问题的提出 第2.1节中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
25、第96页/共301页2023/3/22971.主要原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。第97页/共301页2023/3/2298b)理想的快速起动过程IdLntIdOIdma)带电流截止负反馈的单闭环调速系统直流调速系统起动过程的电流和转速波形2.理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcr第98页/共301页2023/3/22993.性能比较带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图
26、所示，起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。IdLntIdOIdmIdcra)带电流截止负反馈的单闭环调速系统第99页/共301页2023/3/22100性能比较（续）理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。IdLntIdOIdmb)理想的快速起动过程第100页/共301页2023/3/221014.解决思路为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本
27、不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。第101页/共301页2023/3/22102现在的问题是，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？第102页/共301页2023/3/22103双闭环系统的控制规律对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短起、制动过程的时间，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。第103页
28、/共301页2023/3/22104图2-21 时间最优的理想过渡过程第104页/共301页2023/3/22105双闭环调速系统 根据反馈控制原理，以某物理量作负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速反馈作为外环的双闭环调速系统。第105页/共301页2023/3/22106在起、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际
29、电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。双闭环调速系统 第106页/共301页2023/3/22107双闭环调速系统的结构图 图2-22 2-22 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TA-电流互感器 第107页/共301页2023/3/22108双闭环调速系统的原理图 双闭环直流调速系统电路原理图第108页/共301页2023/3/22109带限幅作用的输出ASR调节器的输出不再作为电力电子变换器的控制电压Uc，而是用来和电流反馈量作比较，故被称之为电流给定Ui*。ASR调节器和ACR调节器的输出都是带限幅作用的。ASR调节器的输出限幅电压决定
30、了电流给定的最大值Uim*。ACR调节器的输出电压Ucm限制了电子电力变换器的最大输出电压Udm。第109页/共301页2023/3/22110限幅电路二极管钳位的外限幅电路第110页/共301页2023/3/22111限幅电路稳压管钳位的外限幅电路第111页/共301页2023/3/22112电流检测电路 TA电流互感器电流检测电路第112页/共301页2023/3/22113稳态结构与稳态参数计算 图2-23 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 转速反馈系数 电流反馈系数第113页/共301页2023/3/22114稳态参数 双闭环系统所采用的是带限幅的PI调节器。在稳态时，PI调节器的作用
31、使得输入偏差电压U总为零。第114页/共301页2023/3/22115系统的静特性 AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nIdL，电动机仍处于加速过程，从而使转速超过了给定值，这个现象称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了Un0，ASR退出饱和状态，Ui*和Id很快下降。但是转速仍在上升，直到t=t3时，Id=Idl，即Te=TL,dn/dt=0,转速到达峰值。在t3t4时间内，Id Tcf0，M/T法测速具有较高的测量精度。第186页/共301页2023/3/22187数字PI调节器在微型计算机控制的直流调速系统
32、中，当采样频率足够高时，可以先根据模拟系统的分析方法进行设计和综合，求出速度调节器和电流调节器参数，得到它们的传递函数。根据传递函数写出调节器的时域表达式，再将此表达式离散化，最终得到相应的差分方程。第187页/共301页2023/3/22188模拟PI调节器的数字化 PI调节器 在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。比例积分（PI）调节器第188页/共301页2023/3/22189模拟PI调节器的数字化 PI输入输出关系：按照运算放大器的输入输出关系，可得式中 PI调节器比例部分的放大系数；PI调节器的积分时间常数。由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分
33、两部分相加而成。第189页/共301页2023/3/22190PI调节器的传递函数 当初始条件为零时，取上式两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数 若令 ，则传递函数也可以写成如下形式模拟PI调节器的数字化 第190页/共301页2023/3/22191模拟PI调节器的数字化 PI调节器的传递函数是 (2-51)输出的时域方程为 (2-53)输出的差分方程为 (2-54)式中 为采样周期。sample第191页/共301页2023/3/22192数字PI调节器的两种算式 位置式PI调节器 (2-54)增量式PI调节器 (2-56)在计算机的程序中，用 代替 (2-58)第192页/共3
34、01页2023/3/22193限幅控制 程序内设置输出限幅值um，当u(n)um时，便以限幅值um输出。对输出的增量u(n)进行限制，在程序内设置输出增量的限幅值 um，当 u(n)um时，便以限幅值 um输出。位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，否则在退出饱和时，积分项可能仍很大，将产生较大的退饱和超调。第193页/共301页2023/3/22194改进的数字PI算法 把P和I分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。这就是积分分离算法的基本思想。积分分离算法表达式为 （2-59）其中
35、为一常值。第194页/共301页2023/3/22195一个例子第195页/共301页2023/3/22196第196页/共301页2023/3/221972.4调节器的设计方法必要性:设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。可能性:电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。第197页/共301页2023/3/22198n跟随性能指标 系统的跟随性能指标是以零初始条件下，系统输出量对输入信号的动态特性来衡量的。通常是以单位阶跃给定信号下的过渡过程作为典型的跟随过程。常用的阶跃响应跟随性能指
36、标有上升时间、超调量和调节时间。控制系统的动态性能指标 第198页/共301页2023/3/22199系统典型的阶跃响应曲线图2-34 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标跟随性能指标:n上升时间trn超调量n调节时间ts 第199页/共301页2023/3/22200抗扰性能指标 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F之后，输出量由降低（或上升）到恢复的过渡过程就是一个抗扰过程。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。第200页/共301页2023/3/22201突加扰动的动态过程图2-35 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标第201页/共301页2023/3/22202
37、抗扰性能指标 动态降落 Cmax 突加一个约定的标准负载扰动量，所引起的输出量最大降落值 Cmax称作动态降落。恢复时间tv 由阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到稳态值某百分率（一般取稳态值的5%或 2%）范围内所需要的时间。第202页/共301页2023/3/22203典型系统性能指标与参数间的关系为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统，至少是型系统；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统才能实现无稳态误差。型和型以上的系统很难稳定。常把型和型系统作为系统设计的目标。许多控制系统的开环传递函数都可用下式表示：第203页/共301页2023/3/22204典型型系统 传递函数与结构典型型系
38、统开环传递函数表示为 （2-61）式中 T系统的惯性时间常数；K系统的开环增益。结构图2-36典型型系统 (a)闭环系统结构框第204页/共301页2023/3/22205典型型系统 图2-36典型型系统 (b)开环对数频率特性n开环对数频率特性第205页/共301页2023/3/22206典型I型系统性能特点当 时，对数幅频特性以 斜率穿越零分贝线，这是期望系统有良好的稳定性能的首要条件。在 处，典型型系统的对数幅频特性的幅值为 得到 (2-62)快速性好相角裕度为（2-63）稳定性变差。第206页/共301页2023/3/22207快速性与稳定性之间的矛盾K值越大，截止频率c 也越大，系统
39、响应越快，相角稳定裕度 越小。说明快速性与稳定性之间存在矛盾。典型型系统中，有两个参数K、T，其中，T 为固有参数，确定了K，系统性能也就确定了。在选择参数 K时，须在二者之间取折衷。第207页/共301页2023/3/22208典型型系统的闭环传递函数 典型型系统的闭环传递函数为 （2-64）式中，无阻尼时的自然振荡角频率；阻尼比。第208页/共301页2023/3/22209动态响应性质 1，欠阻尼的振荡特性；1，过阻尼的单调特性；=1，临界阻尼。过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即 0 Ti，所以要选择 （2-101）调节器零点与控制对象中大的时间常数极点对消，(2-102)第
40、259页/共301页2023/3/22260电流调节器的参数计算希望电流超调量 i 5%，选 =0.707，KI T i=0.5，则(2-103)(2-104)第260页/共301页2023/3/22261校正成典型I型系统的电流环 图2-46 2-46 校正成典型I I型系统的电流环开环对数幅频特性动态结构图第261页/共301页2023/3/22262电流调节器的实现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2-47 含给定滤波与反馈滤波 的PI型电流调节器 第262页/共301页2023/3/22263电流调节器电路参数的
41、计算公式(2-105)(2-106)(2-107)第263页/共301页2023/3/22264例题（作业）一个双闭环，电流环简化结构如图所示：Tl=0.03秒 Ts=0.0017秒T0i=0.002秒，KS=40,R=0.5要求按典型型系统设计电流环，令求：第264页/共301页2023/3/22265电流环的闭环传递函数电流环闭环传递函数(2-108)第265页/共301页2023/3/22266电流环的降阶近似处理 采用高阶系统的降阶近似处理的方法忽略高次项，可降阶近似为(2-109)降价近似条件1：(2-110)式中，转速环开环频率特性的截止频率。1 见P84的推导第266页/共301
42、页2023/3/22267(2-111)电流环的等效传递函数电流的闭环控制改造了控制对象，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，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267页/共301页2023/3/22268转速调节器的设计 图2-48 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268页/共301页2023/3/22269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)/，再把时间常数为 1/KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，（2-112）系统等效和小惯性
43、的近似处理第269页/共301页2023/3/22270转速环结构的简化图2-48 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第270页/共301页2023/3/22271转速调节器结构的选择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。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。转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。第271页/共301页2023/3/22272转速调节器选择ASR采用PI调节器（2-113）Kn 转速调节器的比例系数；n 转速调节器的超前时间常数。第272页/共301页2023/3
44、/22273n转速环开环增益为（2-115）则（2-114）转速系统的开环传递函数第273页/共301页2023/3/22274校正后的典型型系统 图2-48 转速环的动态结构图及其简化(c)校正后成为典型型系统第274页/共301页2023/3/22275转速调节器的参数计算 按照典型型系统的参数关系，（2-116）（2-117）（2-118）n因此 n中频宽h要看动态性能，一般可选择h=5。第275页/共301页2023/3/22276转速调节器的实现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；Ui*电流调节 器的给定电 压。图2-49 含给定滤波与反馈滤波 的PI
45、型转速调节器 第276页/共301页2023/3/22277(2-119)(2-120)(2-121)转速调节器参数计算第277页/共301页2023/3/22278转速调节器退饱和时转速超调量的计算 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降到负载电流Idl。ASR开始退饱和时，由于电动机电流Id仍大于负载电流Idl，电动机继续加速，直到Id Idl时，转速才降低。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“退饱和超调退饱和超调”。第278页/共301页2023/3/22279突减负
46、载的速升过程 假定调速系统原来是在Idm的条件下运行于转速n*，在点O 突然将负载由Idm降到Idl，转速会在突减负载的情况下，产生一个速升与恢复的过程，突减负载的速升过程与退饱和超调过程是完全相同的。第279页/共301页2023/3/22280调速系统起动过程 图2-50 ASR饱和时转速环按典型II型系统设计的 调速系统起动过程第280页/共301页2023/3/22281转速退饱和超调动态结构图只考虑稳态转速以上的超调部分n=n-n*。初始条件则转化为 图2-51 调速系统的等效动态结构图 (b）以转速超调值n为输出量第281页/共301页2023/3/22282转速退饱和超调动态结构
47、图把 n的负反馈作用反映到主通道第一个环节的输出量上来，得图2-51(c)，为了保持各量间的加减关系不变，符号作相应的变化。图2-51 调速系统的等效动态结构图 (c)等效变换的结构图第282页/共301页2023/3/22283退饱和转速超调 n n的基准值在典型II型系统抗扰性能指标中，C C的基准值是 (2-87)n的基准值是(2-122)第283页/共301页2023/3/22284退饱和超调量作为转速超调量n，其基准值应该是n*，退饱和超调量可以由表2-5列出的数据经基准值换算后求得，即 电动机允许的过载倍数，z负载系数，(2-124)第284页/共301页2023/3/22285设
48、计举例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：直流电动机：额定电压 ,额定电流 ,额定转速 ，电动机电势系数 ，允许过载倍数 ；晶闸管装置放大系数：；第285页/共301页2023/3/22286电枢回路总电阻：；时间常数：，；电流反馈系数：（）；转速反馈系数：()。设计要求：静态指标：无静差 动态指标：电流超调量 ；空载起动到额定转速时的转速超调量 。设计举例2第286页/共301页2023/3/222871.电流环的设计 确定时间常数整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数取：Toi=2ms=0.002s。电流
49、环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，T i=Ts+Toi=0.0037s。第287页/共301页2023/3/22288电流环的设计选择电流调节器结构n根据设计要求，n要保证稳态电流无差，可按典型I型系 统设计电流调节器。n电流环控制对象是双惯性型的，用PI 型电流调节器。第288页/共301页2023/3/22289电流环的设计ACR的比例系数：电流环开环增益：计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：要求：第289页/共301页2023/3/22290电流环的设计 满足晶闸管整流装置传递函数的近似条件：校验近似条件 电流环截止频率：第290页/共301页2023/3/22291电流环的
50、设计满足忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足电流环小时间常数近似处理条件：第291页/共301页2023/3/22292电流环的设计计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图2-47，取40k 取0.75F 取0.2F第292页/共301页2023/3/222932转速环的设计确定时间常数 电流环等效时间常数1/1/K KI I：已取K KI IT T i i=0.5=0.5，则 转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，第293页/共301页2023/3/22294转速环的设计选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，计算转速调节器参数 按抗扰性能都较好的原则，