电力拖动自动控制系统(陈伯时)第2章

1、11 转速、电流双闭环直流转速、电流双闭环直流 调速系统和调节器的工调速系统和调节器的工 程设计方法程设计方法 第第 2 2 章章 22 主要内容主要内容 1. 1.双闭环调速系统的组成及其静特性双闭环调速系统的组成及其静特性 2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析 3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计 * *5.5.转速超调的抑制转速超调的抑制 * *6.6.弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统 * 33 本节要点：本节要点： 1.介绍转速、电流双闭环调速系统的组成及介绍转速、电流双闭环调速系统的组成及

2、其静特性；其静特性； 2.2.稳态结构框图及其静特性；阐述动态数学稳态结构框图及其静特性；阐述动态数学 模型，并就起动和抗扰两个方面分析转速模型，并就起动和抗扰两个方面分析转速调调 节器节器ASRASR、电流、电流调节器调节器ACRACR的作用。的作用。 重点、难点重点、难点: : 双闭环调速系统的基本组成、稳态结构框双闭环调速系统的基本组成、稳态结构框 图及其参数计算。图及其参数计算。 44 2.1 2.1 转速、电流双闭环直流调速系转速、电流双闭环直流调速系 统及其静特性统及其静特性 转速转速单闭环系统不能随意控制电流和单闭环系统不能随意控制电流和 转矩的动态过程。转矩的动态过程。 采用电

3、流截止负反馈环节只能限制电采用电流截止负反馈环节只能限制电 流的冲击，并不能很好地控制电流的动态流的冲击，并不能很好地控制电流的动态 波形。波形。 55 起动性能起动性能 l带电流截止负反馈带电流截止负反馈 的单闭环直流调速的单闭环直流调速 系统起动过程如图系统起动过程如图 所示，起动电流达所示，起动电流达 到最大值到最大值 I Idm dm 后， 后， 受电流负反馈的作受电流负反馈的作 用降低下来，电机用降低下来，电机 的电磁转矩也随之的电磁转矩也随之 减小，加速过程延减小，加速过程延 长。长。 IdL n t Id O Idm Idcr 图图2-1 a) 带电流截止负反馈带电流截止负反馈

4、的单闭环调速系统的单闭环调速系统 66 起动性能起动性能（续）（续） l理想起动过程波形理想起动过程波形 如图，这时，起动如图，这时，起动 电流呈方形波，转电流呈方形波，转 速按线性增长。这速按线性增长。这 是在最大电流（转是在最大电流（转 矩）受限制时调速矩）受限制时调速 系统所能获得的最系统所能获得的最 快的起动过程。快的起动过程。 IdL n t Id O Idm 图图2-1 b) 理想的快速起动过程理想的快速起动过程 77 希望能实现的控制希望能实现的控制 l在起动过程的主要阶段，只有电流负在起动过程的主要阶段，只有电流负 反馈，没有转速负反馈。反馈，没有转速负反馈。 l达到稳态后，只

5、要转速负反馈，不让达到稳态后，只要转速负反馈，不让 电流负反馈发挥主要作用。电流负反馈发挥主要作用。 88 2.1.1 2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系转速、电流双闭环直流调速系 统的组成统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别为了实现转速和电流两种负反馈分别 起作用，可在系统中设置两个调节器，起作用，可在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，即分别引入分别调节转速和电流，即分别引入转速转速 负反馈负反馈和和电流负反馈电流负反馈。 二者之间实行嵌套（或称串级）联接二者之间实行嵌套（或称串级）联接 如下图所示。如下图所示。 99 TG n ASR ACR U*n + - Un Ui

6、 U*i + -Uc TA V M + - Ud Id UPE L - M TG + 图图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器 内环内环 外外 环环 1. 1. 系统的组成系统的组成 系统中设置两系统中设置两 个调节器，个调节器， 分别调节转分别调节转 速和电流速和电流 电流环在里面，称作电流环在里面，称作 内环；转速环在外内环；转速环在外 边，称作外环边，称作外环 1010 转速和电流两个调节器一般都采用带限幅作转速和电流两个调节器一般都采用带限幅作 用的用的PIPI

7、调节器。调节器。 1111 当当ASRASR不饱和时，不饱和时，ASRASR成为主导的调节器，成为主导的调节器， 转速负反馈起主要作用转速负反馈起主要作用。 Ks 1/Ce Uc Id E nUd0 + + -IdR R ACR - Ui UPE 当当ASRASR饱和时饱和时，相当于电流单闭环系统，相当于电流单闭环系统, , 实现实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈只有电流负反馈，没有转速负反馈” * im U 1212 2.2.调节器输出限幅的作用调节器输出限幅的作用 转速调节器转速调节器ASRASR的输出限幅电压的输出限幅电压U U* *im im决定 决定 电流给定电压的最大值；电流给定

8、电压的最大值； 电流调节器电流调节器ACRACR的输出限幅电压的输出限幅电压U Ucm cm限制 限制 了电力电子变换器的最大输出电压了电力电子变换器的最大输出电压U Udm dm。 。 1313 3. 限幅电路限幅电路 1414 限幅电路（续）限幅电路（续） 1515 4. 电流检测电路电流检测电路 电流检测电路 TA电流互感器 U U0 0 1616 1. 系统稳态结构图 2.1.2 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性 1717 2. 限幅作用限幅作用 存在两种状况：存在两种状况： l饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量当调节器饱和时，输出为恒值，输入

9、量 的变化不再影响输出，除非有反向的输入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；换句话说，饱和信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和 的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系， 相当于使该调节环开环。相当于使该调节环开环。 1818 l不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，正如当调节器不饱和时，正如1.61.6节中所阐明节中所阐明 的那样，的那样，PI PI 作用使输入偏差电压在稳态作用使输入偏差电压在稳态 时总是零。时总是零。 1919 3. 系统静特性系统静特性 实际上，在正常实际上，在正常 运行时，运行时，电流

10、调节电流调节 器是不会达到饱和器是不会达到饱和 状态的。状态的。 因此，对于静特因此，对于静特 性来说，性来说，只有转速只有转速 调节器饱和与不饱调节器饱和与不饱 和两种情况和两种情况。 双闭环直流调速双闭环直流调速 系统的静特性如图系统的静特性如图 所示，所示， 2020 （1）转速调节器不饱和）转速调节器不饱和 di * i 0n * n IUU nnUU 由第一个关系式可得由第一个关系式可得 0 * n n U n 从而得到上图静特性的从而得到上图静特性的CACA段段。 (2-1) 稳态时，两个稳态时，两个 调节器的输调节器的输 入偏差电压入偏差电压 都是都是0 0 2121 n 静特性

11、的水平特性静特性的水平特性 同时，由于同时，由于ASRASR不饱和，不饱和，U U* *i i U U* *im im， ， 从上述第二个关系式可知从上述第二个关系式可知: : I Id d I Idm dm。 。 这就是说，这就是说， CACA段静特性从理想空载状态段静特性从理想空载状态 的的 I Id d = 0 = 0 一直延续到一直延续到 I Id d = = I Idm dm ，而 ，而 I Idm dm 一 一 般都是大于额定电流般都是大于额定电流 I IdN dN 的。这就是静特 的。这就是静特 性的运行段，它是性的运行段，它是水平的特性水平的特性。 2222 （2 2） 转速调

12、节器饱和转速调节器饱和 这时，这时，ASRASR输出达到限幅值输出达到限幅值U U* *im im ，转 ，转 速外环呈开环状态，转速的变化对系统不速外环呈开环状态，转速的变化对系统不 再产生影响。双闭环系统变成一个电流无再产生影响。双闭环系统变成一个电流无 静差的单电流闭环调节系统。稳态时静差的单电流闭环调节系统。稳态时 dm * im d I U I 式中，最大电流式中，最大电流 I Idm dm 是由设计者选定的，取决于 是由设计者选定的，取决于 电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速 度。度。 (2-2) 2323 n 静特性的垂直特性静特

13、性的垂直特性 式（式（2-22-2）所描述的静特性是上图中）所描述的静特性是上图中 的的ABAB段，它是段，它是垂直的特性垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于这样的下垂特性只适合于 n n n n0 0 ，则，则U Un n U U* *n n ，ASRASR将将 退出饱和状态。退出饱和状态。 2424 4. 4. 两个调节器的作用两个调节器的作用 l双闭环调速系统的静特性在双闭环调速系统的静特性在负载电流小负载电流小 于于I Idm dm时表现为转速无静差 时表现为转速无静差，这时，这时，转速转速 负反馈起主要调节作用。负反馈起主要调节作用。 l当负载电流达到当负载电流达到 I Idm dm

14、 后，转速调节器饱 后，转速调节器饱 和，电流调节器起主要调节作用，系统和，电流调节器起主要调节作用，系统 表现为电流无静差，得到过电流的自动表现为电流无静差，得到过电流的自动 保护。保护。 2525 这就是采用了两个这就是采用了两个PIPI调节器分别形成调节器分别形成 内、外两个闭环的效果。这样的静特性显内、外两个闭环的效果。这样的静特性显 然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特 性好。性好。 实际上运算放大实际上运算放大 器的开环放大系器的开环放大系 数并不是无穷大，数并不是无穷大， 特别是为了避免特别是为了避免 零点飘移而采用零点飘移而采用 “准准PIP

15、I调节器调节器”时，时， 静特性的两段实静特性的两段实 际上都略有很小际上都略有很小 的静差，如图中的静差，如图中 虚线所示。虚线所示。 2626 2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数各变量的稳态工作点和稳态参数 计算计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两双闭环调速系统在稳态工作中，当两 个调节器都不饱和时，各变量之间有下列个调节器都不饱和时，各变量之间有下列 关系关系 0n * n nnUU dLdi * i IIUU s dL * ne s de s d0 c / K RIUC K RInC K U U (2-3) (2-5) (2-4) 2727 上述关系表明，在稳态工作点上，上述关

16、系表明，在稳态工作点上， 转速转速 n n 是由给定电压是由给定电压U U* *n n决定的；决定的； ASRASR的输出量的输出量U U* *i i是由负载电流是由负载电流 I IdL dL 决定的； 决定的； 控制电压控制电压 U Uc c 的大小则同时取决于的大小则同时取决于 n n 和和 I Id d， 或者说，同时取决于或者说，同时取决于U U* *n n 和和 I IdL dL。 。 2828 2929 这些关系反映了这些关系反映了PIPI调节器不同于调节器不同于P P调调 节器的特点节器的特点: : 比例环节的输出量总是正比于其输入量，比例环节的输出量总是正比于其输入量， PIP

17、I调节器则不然，调节器则不然，其输出量的稳态值与其输出量的稳态值与 输入无关输入无关，而是由它后面环节的需要决而是由它后面环节的需要决 定的定的。后面需要。后面需要PIPI调节器提供多么大的调节器提供多么大的 输出值，它就能提供多少，直到饱和为输出值，它就能提供多少，直到饱和为 止。止。 3030 n 反馈系数计算反馈系数计算 鉴于这一特点，鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳双闭环调速系统的稳 态参数计算与单闭环有静差系统完全不同态参数计算与单闭环有静差系统完全不同， 而是和无静差系统的稳态计算相似，即根而是和无静差系统的稳态计算相似，即根 据各调节器的给定与反馈值计算有关的反据各调节器的给定与

18、反馈值计算有关的反 馈系数：馈系数： 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数 max * nm n U dm * im I U (2-6) (2-7) 3131 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U U* *nm nm和 和U U* *im im由 由 设计者选定，设计原则如下：设计者选定，设计原则如下： lU U* *nm nm受运算放大器允许输入电压和稳压 受运算放大器允许输入电压和稳压 电源的限制；电源的限制； lU U* *im im 为 为ASRASR的输出限幅值。的输出限幅值。 3232 2.2 2.2 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析

19、和动态性能分析 本节提要本节提要 l双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型 l起动过程分析起动过程分析 l动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 l转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 3333 2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学双闭环直流调速系统的动态数学 模型模型 在单闭环直流调速系统动态数学在单闭环直流调速系统动态数学 模型的基础上，考虑双闭环控制的结模型的基础上，考虑双闭环控制的结 构，即可绘出双闭环直流调速系统的构，即可绘出双闭环直流调速系统的 动态结构图，如下图所示。动态结构图，如下图所示。 3434 1. 1. 系统动态结构系统动态结构

20、3535 2. 2. 数学模型数学模型 图中图中WWASR ASR(s) (s)和和WWACR ACR(s) (s)分别表示转速调分别表示转速调 节器和电流调节器的传递函数。如果采用节器和电流调节器的传递函数。如果采用PIPI 调节器，则有调节器，则有 s s KsW n n nASR 1 )( s s KsW i i iACR 1 )( 3636 2.2.2 2.2.2 起动过程分析起动过程分析 前已指出，设置双闭环控制的一前已指出，设置双闭环控制的一 个重要个重要目的目的就是就是要获得接近于图要获得接近于图2-1b2-1b 的理想起动过程的理想起动过程，因此在分析双闭环，因此在分析双闭环

21、调速系统的动态性能时，有必要首先调速系统的动态性能时，有必要首先 探讨它的起动过程。探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压双闭环直流调速系统突加给定电压 U U* *n n由静止状态起动时，转速和电流的由静止状态起动时，转速和电流的 动态过程示于下图。动态过程示于下图。 3737 图图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n O O t t Idm IdL Id n* III III t4 t3 t2 t1 1. 起动过程起动过程 转速调节转速调节 器器ASR经经 历了不饱历了不饱 和、饱和、和、饱和、 退饱和三退饱和三 种情况，

22、种情况， 整个动态整个动态 过程就分过程就分 成图中标成图中标 明的明的I、II、 III三个阶三个阶 段段 3838 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第第I I阶段电流上升的阶段（阶段电流上升的阶段（0 0 t t1 1） 突加给突加给 定电压定电压 U*n 后，后， Id 上升，上升， 当当 Id 小小 于负载于负载 电流电流 IdL 时，电时，电 机还不机还不 能转动能转动 当当 Id IdL 后，电机开后，电机开 始起动，由始起动，由 于机电惯性于机电惯性 作用，转速作用，转速 不会很快增不会很快增 长，因而转长，因而转 速调节器

23、速调节器 ASR的输入的输入 偏差电压的偏差电压的 数值仍较大，数值仍较大， 其输出电压其输出电压 保持限幅值保持限幅值 U*im，强迫，强迫 电流电流 Id 迅速迅速 上升上升 直到，直到，I Id d = = I Idm dm ， ， U Ui i = = U U* *im im 电流调节电流调节 器很快就器很快就 压制压制 I Id d 了的增长，了的增长， 标志着这标志着这 一阶段的一阶段的 结束结束 在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快进很快进 入并保持饱和状态，而入并保持饱和状态，而ACR 一般不饱和一般不饱和 3939 n IdL Id n* Idm O O III III t

24、4 t3 t2 t1 t t 第第 II II 阶段恒流升速阶段（阶段恒流升速阶段（t t1 1 t t2 2） ASR始终是始终是 饱和的，转饱和的，转 速环相当于速环相当于 开环，系统开环，系统 成为在恒值成为在恒值 电流电流U*im 给定下的电给定下的电 流调节系统，流调节系统， 基本上保持基本上保持 电流电流 Id 恒定，因而恒定，因而 系统的加速系统的加速 度恒定，转度恒定，转 速呈线性增速呈线性增 长长 同时，电机同时，电机 的反电动势的反电动势 E 也按线性也按线性 增长，对电增长，对电 流调节系统流调节系统 来说，来说，E 是是 一个线性渐一个线性渐 增的扰动量，增的扰动量，

25、为了克服它为了克服它 的扰动，的扰动， Ud0和和 Uc 也必须基本也必须基本 上按线性增上按线性增 长，才能保长，才能保 持持 Id 恒定恒定 当当ACR采采 用用PI调节调节 器时，要器时，要 使其输出使其输出 量按线性量按线性 增长，其增长，其 输入偏差输入偏差 电压必须电压必须 维持一定维持一定 的恒值，的恒值， 也就是说，也就是说， Id 应略低应略低 于于 Idm 4040 第第 II II 阶段（续）阶段（续） 恒流升速阶段是起动过程中的恒流升速阶段是起动过程中的 主要阶段。主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，为了保证电流环的主要调节作用， 在起动过程中在起动过程中 ACR

26、ACR是不应饱和的，是不应饱和的， 电力电子装置电力电子装置 UPE UPE 的最大输出电压的最大输出电压 也须留有余地，这些都是设计时必也须留有余地，这些都是设计时必 须注意的。须注意的。 4141 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第第 阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（ t2 以后）以后） 当转速上升当转速上升 到给定值时，到给定值时， 转速调节器转速调节器 ASR的输入的输入 偏差减少到偏差减少到 零，但其输零，但其输 出却由于积出却由于积 分作用还维分作用还维 持在限幅值持在限幅值 U*im ，所以，所以 电机仍在加电机仍在加

27、速，使转速速，使转速 超调超调 转速超调后，转速超调后， ASR输入偏差输入偏差 电压变负，使电压变负，使 它开始退出饱它开始退出饱 和状态，和状态， U*i 和和 Id 很快下很快下 降。但是，只降。但是，只 要要 Id 仍大于仍大于 负载电流负载电流 IdL ， 转速就继续上转速就继续上 升升 4242 第第 阶段（续）阶段（续） l直到直到I Id d = = I IdL dL时， 时， 转矩转矩T Te e= = T TL L ， 则则d dn/n/d dt t = 0= 0， 转速转速n n才到达才到达 峰值（峰值（t t = = t t3 3 时）。时）。 IdL Id n n*

28、Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 4343 第第 阶段（续）阶段（续） 此后，电动机此后，电动机 开始在负载的阻开始在负载的阻 力下减速，与此力下减速，与此 相应，在一小段相应，在一小段 时间内时间内( (t t3 3 t t4 4), ),I Id dI IdL dL，直到 ，直到 稳定。如果调节稳定。如果调节 器参数整定得不器参数整定得不 够好，也会有一够好，也会有一 些振荡过程。些振荡过程。 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 4444 第第 阶段（续）阶段（续） 在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调

29、节阶段内，ASRASR和和 ACRACR都不饱和，都不饱和，ASRASR起主导的转速调起主导的转速调 节作用节作用，而，而ACRACR则力图使则力图使 I Id d 尽快地跟尽快地跟 随其给定值随其给定值 U U* *i i ，或者说，电流内环，或者说，电流内环 是一个是一个电流随动子系统电流随动子系统。 4545 2. 2. 分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的综上所述，双闭环直流调速系统的 起动过程有以下三个特点：起动过程有以下三个特点： （1 1） 饱和非线性控制；饱和非线性控制； （2 2） 准时间最优控制；准时间最优控制； （3 3） 转速超调。转速超调。 4646 （1

30、 1） 饱和非线性控制饱和非线性控制 根据根据ASRASR的饱和与不饱和，整个系统的饱和与不饱和，整个系统 处于处于完全不同的两种状态完全不同的两种状态： l当当ASRASR饱和时，转速环开环，系统表现饱和时，转速环开环，系统表现 为恒值电流调节的单闭环系统；为恒值电流调节的单闭环系统； l当当ASRASR不饱和时，转速环闭环，整个系不饱和时，转速环闭环，整个系 统是一个无静差调速系统，而电流内环统是一个无静差调速系统，而电流内环 表现为电流随动系统。表现为电流随动系统。 4747 （2 2）准时间最优控制）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒阶段的恒

31、流升速，它的特征是电流保持恒定。一般流升速，它的特征是电流保持恒定。一般 选择为电动机允许的最大电流，以便充分选择为电动机允许的最大电流，以便充分 发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可 能最快。能最快。 这阶段属于有限制条件的最短时间控制。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。 因此，整个起动过程可看作为是一个准时因此，整个起动过程可看作为是一个准时 间最优控制。间最优控制。 4848 （3 3）转速超调）转速超调 由于由于ASRASR采用了饱和非线性控制，起动过采用了饱和非线性控制，起动过 程结束进入转速调节阶段后，程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超必须

32、使转速超 调，调， ASR ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 U Un n 为负值，才能为负值，才能 使使ASRASR退出饱和退出饱和。 这样，采用这样，采用PIPI调节器的双闭环调速系统的转调节器的双闭环调速系统的转 速响应必然有超调速响应必然有超调。 4949 最后，应该指出，对于不可逆的电最后，应该指出，对于不可逆的电 力电子变换器，双闭环控制只能保证良力电子变换器，双闭环控制只能保证良 好的起动性能，却不能产生回馈制动，好的起动性能，却不能产生回馈制动， 在制动时，当电流下降到零以后，只好在制动时，当电流下降到零以后，只好 自由停车。自由停车。 必须加快制动时，只能采用电阻能耗制必

33、须加快制动时，只能采用电阻能耗制 动或电磁抱闸。动或电磁抱闸。 5050 2.2.3 2.2.3 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有一般来说，双闭环调速系统具有 比较满意的动态性能。对于调速系统，比较满意的动态性能。对于调速系统， 最重要的动态性能是抗扰性能。最重要的动态性能是抗扰性能。 主主 要是要是抗负载扰动抗负载扰动和和抗电网电压扰动抗电网电压扰动的的 性能。性能。 5151 1. 1. 抗负载扰动抗负载扰动 直流调速系统的动态抗负载扰作用直流调速系统的动态抗负载扰作用 负载扰动作用在电流环之后，因此只负载扰动作用在电流环之后，因此只 能靠转速调节器能靠转速调

34、节器ASR来产生抗负载扰来产生抗负载扰 动的作用。在设计动的作用。在设计ASR时，应要求有时，应要求有 较好的抗扰性能指标较好的抗扰性能指标 5252 图图2-8 直流调速系统的动态抗扰作用直流调速系统的动态抗扰作用 a)单闭环系统单闭环系统 2. 2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动 Ud U*n -IdL Un + - ASR 1/Ce n Ud0 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 - E 5353 抗电网电压扰动（续）抗电网电压扰动（续） -IdL Ud b)双闭环系统双闭环系统 Ud电网电压波动在整流电压上的反映电网电压波动在整流电压上的反映 1/Ce U*n n

35、 Ud0 Un + - ASR 1/R Tl s+1 R Tms Id Ks Tss+1 ACR U*i Ui - E 5454 3. 3. 对比分析对比分析 l在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作 用点离被调量较远，调节作用受到多个环用点离被调量较远，调节作用受到多个环 节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压 扰动的性能要差一些。扰动的性能要差一些。 l双闭环系统中，由于增设了电流内环，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电电 压波动可以通过电流反馈得到比较及时的压波动可以通过电流反馈得到比较及时的 调节调节，不必等它影响到

36、转速以后才能反馈，不必等它影响到转速以后才能反馈 回来，抗扰性能大有改善。回来，抗扰性能大有改善。 5555 2.2.4 2.2.4 转速转速和电流两个调节器的作用和电流两个调节器的作用 1. 1. 转速调节器的作用转速调节器的作用 （1 1）转速调节器是调速系统的主导调节器，）转速调节器是调速系统的主导调节器， 它使转速它使转速 n n 很快地跟随给定电压变化，稳态很快地跟随给定电压变化，稳态 时可减小转速误差，如果采用时可减小转速误差，如果采用PIPI调节器，则可调节器，则可 实现无静差。实现无静差。 （2 2）对负载变化起抗扰作用）对负载变化起抗扰作用 （3 3）输出限幅值决定电机允许的

37、最大电流）输出限幅值决定电机允许的最大电流 5656 2. 2. 电流调节器的作用电流调节器的作用 （1 1）作为内环的调节器，在外环转速的）作为内环的调节器，在外环转速的 调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随 外环调节器的输出量变化。外环调节器的输出量变化。 （2 2）对电网电压波动起及时抗扰作用。）对电网电压波动起及时抗扰作用。 （3 3）在转速动态过程中，保证获得电机）在转速动态过程中，保证获得电机 允许的最大电流，从而加快动态过程。允许的最大电流，从而加快动态过程。 （4 4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢）当电机过载甚至堵转时，限制电枢 电流的最大

38、值，起快速的自动保护作用。电流的最大值，起快速的自动保护作用。 5757 本节小结本节小结 本节以转速、电流双闭环直流调速系统为本节以转速、电流双闭环直流调速系统为 重点介绍了多环控制系统的结构、控制规重点介绍了多环控制系统的结构、控制规 律和性能特点。律和性能特点。 采用模拟采用模拟PIPI调节器控制的转速、电流双闭调节器控制的转速、电流双闭 环直流调速系统是环直流调速系统是V-MV-M系统的经典控制结系统的经典控制结 构，曾经得到广泛的应用。构，曾经得到广泛的应用。 5858 作作 业业 2-2、2-4、2-7、2-8、2-9 5959 主要内容 1. 1.双闭环调速系统的组成及其静特性双

39、闭环调速系统的组成及其静特性 2.2.数学模型和动态性能分析数学模型和动态性能分析 3.3.调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 4.4.双闭环系统调节器的设计双闭环系统调节器的设计 * *5.5.转速超调的抑制转速超调的抑制 * *6.6.弱磁控制的直流调速系统弱磁控制的直流调速系统 * 6060 本节要点：本节要点： 1. 1. 介绍一般调节器的工程设计方法；介绍一般调节器的工程设计方法； 2. 2. 介绍典型环节介绍典型环节; ; 3. 3. 典型典型、系统的参数和性能指标的关系系统的参数和性能指标的关系; ; 4. 4. 小惯性环节近似处理；小惯性环节近似处理； 5. 5. 高阶系

40、统的降阶处理；高阶系统的降阶处理； 6. 6. 大惯性环节的近似处理。大惯性环节的近似处理。 重点、难点：重点、难点： 典型典型系统的参数和性能指标的关系；系统的参数和性能指标的关系； 非典型系统的近似。非典型系统的近似。 6161 2.3 2.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 2.3.0 2.3.0 问题的提出问题的提出 必要性：必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、用经典的动态校正方法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，需快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需 要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验。于

41、是便需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验。于是便需 要一种简单实用的方法要一种简单实用的方法工程设计方法。工程设计方法。 可能性：可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统 近似。近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表， 那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对 照，设计过程就简便多了照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方。这样，就有了建立工程设计方 法的可能性。法的可能性。 6262 l设计方法的原则设

42、计方法的原则 ： （1 1）概念清楚、易懂；）概念清楚、易懂； （2 2）计算公式简明、好记；）计算公式简明、好记； （3 3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数 调整的方向；调整的方向； （4 4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出 简单的计算公式；简单的计算公式； （5 5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控 制系统。制系统。 6363 2.3.1 2.3.1 工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 1. 1. 选择调节器结构选择调节器结构, ,使系统典型化并满足使

43、系统典型化并满足 稳定和稳态精度稳定和稳态精度。 2. 2. 设计调节器的参数，以满足动态性能设计调节器的参数，以满足动态性能 指标的要求指标的要求。 6464 3. 调节器结构的选择调节器结构的选择 l基本思路基本思路: :事先将事先将典型系统的各项性能指标典型系统的各项性能指标 列出图表。将控制对象校正成为典型列出图表。将控制对象校正成为典型I型系型系 统或统或 II型系统，根据图表选择调节器参数型系统，根据图表选择调节器参数。 系统校正系统校正 控制对象控制对象 调节器调节器 输入输入 输出输出 典型系统典型系统 输入输入输出输出 只采用少量只采用少量 典型系统典型系统 6565 2.3

44、.2 2.3.2 典型系统典型系统 一般来说，许多控制系统的开环传递函数都一般来说，许多控制系统的开环传递函数都 可表示可表示为为 (2-8) n 1i i r m 1j j ) 1( ) 1( )( sTs sK sW )(sW R(s)C(s) 分母中的分母中的 sr 项表示该系统在原点处项表示该系统在原点处 有有 r 重极点，或者说，系统含有重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据个积分环节。根据 r=0，1， 2，等不同数值，分别称作等不同数值，分别称作0型、型、 I型、型、型、型、系统系统 自动控制理论已经证明，自动控制理论已经证明，0型系型系 统稳态精度低，而统稳态精度低，而

45、型和型和型以上的型以上的 系统很难稳定。系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的因此，为了保证稳定性和较好的 稳态精度，多选用稳态精度，多选用I型和型和II型系统型系统 6666 1 1. . 典型典型I I型系统型系统 l结构图与传递函数结构图与传递函数 ) 1( )( Tss K sW )(sR ) 1(Tss K )(sC 式中式中 T T 系统的惯性时间常数；系统的惯性时间常数； K K 系统的开环增益。系统的开环增益。 （2-9） O 6767 l性能特性性能特性 典型的典型的I I型系统结构简单，其对数幅频特性的型系统结构简单，其对数幅频特性的 中频段以中频段以 20 dB/d

46、ec20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 0dB 线，线，只要只要 参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一 定是稳定的定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数，且有足够的稳定裕量，即选择参数 满足满足 T 1 c 1 c T或 于是，相角稳定裕度于是，相角稳定裕度 45arctg90arctg90180 cc TT 6868 2 2. . 典型典型型系统型系统 l结构图和传递函数结构图和传递函数 ) 1( ) 1( )( 2 Tss sK sW )(sR)(sC )1( )1( 2 Tss sK （2-10） O 6969 l 性能特

47、性性能特性 典型的典型的型系统也是以型系统也是以 20dB/dec 20dB/dec 的斜率穿的斜率穿 越零分贝线。由于分母中越零分贝线。由于分母中s s 2 2 项对应的相频特性是 项对应的相频特性是 180180，后面还有一个惯性环节，后面还有一个惯性环节，在分子添上一在分子添上一 个比例微分环节（个比例微分环节（ s s +1 +1），是为了把相频特性抬），是为了把相频特性抬 到到 180180线以上，以保证系统稳定线以上，以保证系统稳定，即应选择，即应选择 参数满足参数满足 T 11 c T 或 且且 比比 T T 大得越多，系统的稳定裕度越大大得越多，系统的稳定裕度越大。 7070

48、1. 1. 跟随性能指标：跟随性能指标： 在给定信号或参考输入信号的作用在给定信号或参考输入信号的作用 下，系统输出量的变化情况可用跟随性下，系统输出量的变化情况可用跟随性 能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性 能指标有能指标有: : lt tr r 上升时间上升时间 l 超调量超调量 lt ts s 调节时间调节时间 2.3.3 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 7171 5%（或2%） )(tC C CCmax max C C 0 tO trts 图2-12 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标 上升时间上升时间 超调量超调量 调节时间调节时间 727

49、2 2. 2. 抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动 的能力。常用的抗扰性能指标有的能力。常用的抗扰性能指标有 l C Cmax max 动态降落 动态降落 lt tv v 恢复时间恢复时间 一般来说，一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能调速系统的动态指标以抗扰性能 为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能 为主。为主。 7373 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 图2-13 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 max C 1 C 2 C 5%（或2%） C N N O

50、 ttm tv Cb 动态降落动态降落 恢复时间恢复时间 7474 2.3.4 2.3.4 典型典型I型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参数的关系 典型典型I型系统包含两个参数：开环增益型系统包含两个参数：开环增益 K K 和时和时 间常数间常数 T T 。 T T 是控制对象本身固有的是控制对象本身固有的； 能够由调节器改变的只有开环增益能够由调节器改变的只有开环增益 K K ，即，即，K K 是唯一的待定参数是唯一的待定参数。 设计时，需要设计时，需要按照性能指标选择参数按照性能指标选择参数 K K 的大小的大小。 7575 K K 与开环对数频率特性的关系与开环对数频率特性的关系

51、 图图2-132-13绘出了在不同绘出了在不同 K K 值时典型值时典型 I I 型系统的开型系统的开 环对数频率特性。环对数频率特性。 7676 K K 与截止频率与截止频率 c c 的关系的关系 当当 c c1/1/T T 时，特性以时，特性以20dB/dec20dB/dec斜率穿斜率穿 越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图中越零分贝线，系统有较好的稳定性。由图中 的特性可知的特性可知 cc lg20) 1lg(lg20lg20K 所以 K = c （当 c 时） T 1 (2-12) 7777 K K 值越大，截止频值越大，截止频 率率 c c 也越大，系统也越大，系统 响应越快，响应越

52、快， 但相角稳定裕度但相角稳定裕度 = = 9090arctgarctg c cT T 越小，越小， 这也说明快速性与稳定这也说明快速性与稳定 性之间的矛盾。性之间的矛盾。 7878 表2-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差 输入信号输入信号 阶跃输入阶跃输入斜坡输入斜坡输入加速度输入加速度输入 稳态误差稳态误差 0 0 v0 / K 0 )(RtRtvtR 0 )( 2 )( 2 0t a tR 1. 1. 典型典型I I型系统跟随性能指标与参数的关系型系统跟随性能指标与参数的关系 （1）稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指系统的稳态跟随性能指 标可用不同输入信号作

53、用下的稳态误差来表示标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。 7979 由表可见：由表可见： l在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无静差的；型系统稳态时是无静差的； l但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K K 值成反值成反 比；比； l在加速度输入下稳态误差为在加速度输入下稳态误差为 。 因此，因此，I I型系统不能用于具有加速度输入的随型系统不能用于具有加速度输入的随 动系统。动系统。 8080 （2 2）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标 l闭环传递函数：典型闭环传递函数：典型 I 型系统是一种二阶系型系统是一种二阶系 统，其闭环传递

54、函数的一般形式为统，其闭环传递函数的一般形式为 2 nn 2 2 n cl 2)( )( )( sssR sC sW （2-13） 式中式中 n n 无阻尼时的自然振荡角频率，或称无阻尼时的自然振荡角频率，或称 固有角频率；固有角频率； 阻尼比，或称衰减系数。阻尼比，或称衰减系数。 8181 lK K、T T与标准形式中的参数的换算关系与标准形式中的参数的换算关系 T K n KT 1 2 1 T2 1 n (2-15) (2-16) (2-17) 且有 8282 l二阶系统的性质二阶系统的性质 l当当 1 1时，系统动态响应是时，系统动态响应是欠阻尼欠阻尼的振荡特的振荡特 性；性； l当当

55、1 1时，系统动态响应是时，系统动态响应是过阻尼过阻尼的单调特的单调特 性；性； l当当 =1=1时，系统动态响应是时，系统动态响应是临界阻尼临界阻尼。 8383 由于在典型由于在典型 I 型系统中型系统中 KT 1KT 0.5 0.5。因此在典型。因此在典型 I 型系统中应取型系统中应取 15 . 0 (2-18) 由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一由于过阻尼特性动态响应较慢，所以一 般常把系统设计成欠阻尼状态，即般常把系统设计成欠阻尼状态，即 0 0 1 1 8484 l性能指标和系统参数之间的关系性能指标和系统参数之间的关系 %100e )1/( 2 )arccos( 1 2 2 r T

56、 t (2-19) (2-20) (2-21) 2 n p 1 t 超调量 上升时间 峰值时间 8585 表2-2 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系 （ 与KT的关系服从于式2-16） 具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参数 以满足性能指标。 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 1.0 0 % 76.3 0.243/T 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 69.9 0.367/T 0.707 4.3 % 4.7T 6.2T 6

57、5.5 0.455/T 0.6 9.5 % 3.3T 4.7T 59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T 3.2T 51.8 0.786/T 8686 2. 2. 典型典型 I 型系统抗扰性能指标与参数的关系型系统抗扰性能指标与参数的关系 图图2-14a2-14a是在扰动是在扰动 F F 作用下的典型作用下的典型 I 型系型系 统，其中，统，其中，WW1 1( (s s) )是扰动作用点前面部分的传是扰动作用点前面部分的传 递函数，后面部分是递函数，后面部分是WW2 2( (s s) ) ，于是，于是 只讨论抗扰性能时，令输入作用只讨论抗扰性能时，令输入作用 R R = 0=

58、0，得，得 到图到图2-14b2-14b所示的等效结构图。所示的等效结构图。 ) 1( )()()( 21 Tss K sWsWsW (2-25) 8787 图图2-14 2-14 扰动作用下的典型扰动作用下的典型 I 型系统型系统 )a )b 0)(sR )( 2 sW )( 1 sW )(sF )()(sCsC )(sN )( 1 1 sW )(sW )(sC 典型I型系统 )(sF 8888 图图2-15 2-15 典型典型 I 型系统在一种扰动作用下的等效框图型系统在一种扰动作用下的等效框图 )b )( 2 sW)( 1 sW )(sF )(sC ) 1( ) 1( 1 21 sTs

59、sTK 1 2 2 sT K 1 2 2 sT K 1 1 sT Kd s sKpi 1 1 ) 1( )(sF )(sC a)a) 8989 阶跃扰动作用下的输出变化量阶跃扰动作用下的输出变化量 阶跃扰动阶跃扰动： s F sF)( )(1( ) 1( )( 2 2 2 KsTssT TsFK sC 输出变化量：输出变化量： T t me T t em em mm mFK tC TtTt Tt 2 sin 2 cos)1 ( )1( 122 2 )( )2/()2/( / 2 2 2 5 . 0KT 当当 时时: : 9090 22 1 T T T T m 5 1 10 1 20 1 30

60、1 %100 max b C C55.5%33.2%18.5%12.9% tm / T2.83.43.84.0 tv / T14.721.728.730.4 表表2-3 典型典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 (控制结构和扰动作用点如图2-15所示，已选定的参数关系KT=0.5) 当控制对象的两个时间常当控制对象的两个时间常 数相距较大时，动态降落数相距较大时，动态降落 减小，但恢复时间却拖得减小，但恢复时间却拖得 较长较长 C Cb b=FK=FK2 2/2/2 9191 2.3.5 2.3.5 典型典型II型系统性能指标和参数的关系型系统性能指标和参