N章双闭环直流调速系统

1、转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统和和调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 第第 3 章章2.1 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性及其静特性一。问题的提出一。问题的提出 采用转速负反馈和采用转速负反馈和PIPI调节器的单闭环调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前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。提下实现转速无静差。 如果对系统的动态性能要求较高，单如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。闭环系统就难以满足需要。如何控制动态性能如何控制动态性能？电力拖动系统的运动方程：电力拖动系统

2、的运动方程：结论：结论：要得到好的动态性能，必须控制好要得到好的动态性能，必须控制好转矩，即控制好电流。转矩，即控制好电流。dtdnGDTTLe3752dtdnCGDIImLd37521. 1. 单闭环系统的主要问题单闭环系统的主要问题 单闭环系统不能控制电流和转矩的动态单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。过程。 电流截止负反馈环节只是用来限制电流电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。波形。a) 理想的快速起动过程IdLntIdOIdmb) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形n

3、2. 2. 理想的起动过程理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcrn3. 3. 解决思路解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键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是要获得一段使电流保持为最大值I Idmdm的恒流过的恒流过程。程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 现在的问题希望能实现控制：现在的问题希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。起动过程

4、，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。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负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？用呢？-转速电流双闭环系统转速电流双闭环系统+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图2-2 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外 环ni二。二。 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、

5、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 把转速调节器的输出当作电流调节器的输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入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器换器UPEUPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流双闭环调速系统。 系统电路结构系统电路结构图3-2 双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R

6、0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-限幅的作用：限幅的作用： 转速调节器转速调节器ASR的输出限幅电压的输出限幅电压U*im电流给定电压的最大值，即电流给定电压的最大值，即限制了最大电流；限制了最大电流； 电流调节器电流调节器ACR的输出限幅电压的输出限幅电压Ucm Uc的最大值，即限制了电力的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压电子变换器的最大输出电压Udm。限幅电路（外限幅，输出限幅）限幅电路（外限幅，输出限幅）二极管钳位的外限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD2限幅电路（内限幅，输出和积分限幅）限幅电路（内

7、限幅，输出和积分限幅）图3-3(a) 双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE三。三。 双闭环系统稳态结构图和静特性双闭环系统稳态结构图和静特性1. 稳态结构图：稳态结构图：图图3-3(b) ASR3-3(b) ASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 Ks 1/CeUcIdEnUd0+U*i-IdR R ACR-UiUPEASRASR饱和，相当于电流闭环系统饱和，相当于电流闭环系统 2. 2. 系统静特性系统静特性 设计时，设计时，ACR不不会达到饱和

8、状态。会达到饱和状态。 AB段段ASR未饱和，未饱和，BC段段ASR饱和。饱和。 图3-4 双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnBCA（1 1）ASRASR不饱和转速无静差不饱和转速无静差di*i0n*nIUUnnUU即即 0*nnUnU*i U*im， Id Idm。（2 2） ASRASR饱和电流无静差饱和电流无静差U*i = U*im，稳态时稳态时 dm*imdIUI最大电流最大电流- - I Idmdm 取决于容许过载取决于容许过载能力和拖动系统允许的最大加速能力和拖动系统允许的最大加速度。度。n nnn* *。 ASRASR输入偏差电压变负，开始退出饱和，输入偏差电压

9、变负，开始退出饱和， U U* *i i 和和 I Id d 很快下降。但是，只要很快下降。但是，只要 I Id d 仍大于负载电流仍大于负载电流 I IdL dL ，转速就继续上升。，转速就继续上升。 直到直到I Id d = = I IdLdL时，转矩时，转矩T Te e= = T TL L ，则，则d dn/n/d dt t = 0= 0，转，转速速n n才到达峰值（才到达峰值（t t = = t t3 3时）。时）。第第 阶段阶段 转速调节阶段（续）转速调节阶段（续） 此后，电动机在负载的阻此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间力下减速，在一小段时间内（内（ t3 t4 ），），

10、 Id IdL ，直到稳定直到稳定Id = IdL ， n =n* 。 如果调节器参数整定得不如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。够好，会有振荡过程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt特点：特点：ASR不饱和，起主要调节作用；不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；起跟随作用；转速有超调。转速有超调。2. 2. 起动过程的特点：起动过程的特点：双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：双闭环直流调速系统的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）转速超调）转速超调 （3 3）准时间最优控制）准时间最优控制(

11、 (有限制条件的最短时间控制有限制条件的最短时间控制) ) 三。双闭环调速系统动态抗扰性能分析三。双闭环调速系统动态抗扰性能分析 主要扰动源：主要扰动源： 负载变化；负载变化； 电源电压变化。电源电压变化。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EId1. 1. 抗负载扰动抗负载扰动IdL直流调速系统的抗负载扰动作用直流调速系统的抗负载扰动作用抗负载扰动（续）抗负载扰动（续）扰动作用位置：扰动作用位置：电流环之外电流环之外抗扰作用调节器：抗扰作用调节器：转速调节器转速调节器ASR对对ASR的设计要求：的设计要求：应要求有较好的应要求

12、有较好的抗扰性能指标。抗扰性能指标。2. 抗电网电压扰动抗电网电压扰动-IdLUd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 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/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E抗电网电压扰动抗电网电压扰动 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电双闭环系统中，由于增设了电流内环，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

13、能大有改善。 扰动作用位置：扰动作用位置：电流环内的前向通道电流环内的前向通道抗扰作用的调节器：抗扰作用的调节器：电流调节器电流调节器ACR1. 转速调节器的作用转速调节器的作用 （1）速度调节）速度调节它使转速它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实调节器，则可实现无静差。现无静差。（2）抗扰作用）抗扰作用对负载变化起抗扰作用。对负载变化起抗扰作用。（3）限制电机最大电流）限制电机最大电流其输出限幅值决定电机允许其输出限幅值决定电机允许的最大电流。的最大电流。四。四。 转速、电流调节器的作用转

14、速、电流调节器的作用 2. 2. 电流调节器的作用电流调节器的作用（1）跟随作用）跟随作用作为内环的调节器，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其给定电压调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（即外环调节器的输出量）变化。（2）抗扰作用）抗扰作用对电网电压的波动起及时抗扰的作对电网电压的波动起及时抗扰的作用。用。（3）加快动态过程加快动态过程在转速动态过程中，保证获得在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）过流自动保护作用过流自动保护作用当电机过载

15、甚至堵转时，当电机过载甚至堵转时，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，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。可靠运行来说是十分重要的。2.3 2.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法必要性必要性: 设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等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。各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。可能性可能性: 电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事事先研

16、究低阶典型系统的特性，将实际系统校正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。成典型系统，设计过程就简便多了。设计方法的原则设计方法的原则 （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）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；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。一。一。 工程设计方法的基本思

17、路工程设计方法的基本思路 1. 选择典型系统选择典型系统根据系统性能要求选择合适的典型系统根据系统性能要求选择合适的典型系统2. 选择调节器结构选择调节器结构使系统典型化并满足稳定和稳态精度使系统典型化并满足稳定和稳态精度。3. 设计调节器的参数设计调节器的参数满足动态性能指标的要求满足动态性能指标的要求。二。二。 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 动态性能指标：动态性能指标： 跟随性能指标跟随性能指标抗扰性能指标抗扰性能指标调速系统的动态指标调速系统的动态指标以抗扰性能以抗扰性能随动系统的动态指标随动系统的动态指标以跟随性能为主。以跟随性能为主。 系统典型的阶跃响应曲线系统典型的

18、阶跃响应曲线5%（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts图2-11 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标跟随性能指标跟随性能指标 阶跃响应跟随性能指标：阶跃响应跟随性能指标：tr 上升时间：第一次到达给定值的时间上升时间：第一次到达给定值的时间 超调量超调量: ts 调节时间调节时间:进入误差带的时间进入误差带的时间%100*CCCmax 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图2-12 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maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标：抗扰性能

19、指标： Cmax 最大动态降落最大动态降落 tv 恢复时间：恢复时间： 三。典型系统三。典型系统 一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为为 n11) 1() 1()(iirmjjsTssKsW)(sWR(s)C(s)典型系统典型系统 分母中的分母中的 sr 项表示该系统在原点处有项表示该系统在原点处有 r 重极点，重极点， r=0，1，2，时，分别称作时，分别称作0型、型、I型、型、型、型、系统。系统。 0型系统稳态精度低，而型系统稳态精度低，而型和型和型以上的系统很难稳定。型以上的系统很难稳定。 为了保证稳定性和较好的稳态精度，为了保证稳定

20、性和较好的稳态精度，多选用多选用I型和型和II型型系统。系统。1. 典型典型I型系统型系统（1）结构图与传递函数）结构图与传递函数 ) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)(sC式中 T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。（2-9） K 与截止频率与截止频率 c 的关系的关系 当当 c 1 / T时，特时，特性以性以20dB/dec斜率斜率穿越零分贝线，系统穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。由有较好的稳定性。由图中的特性可知：图中的特性可知：cclg20) 1lg(lg20lg20K所以所以 K = c （当（当 c 时）时） T1(2-12) 1OdB/decdB/dec典

21、型典型I型系统型系统开环对数开环对数频率频率特性特性 系统结构简单，对数幅频特性系统结构简单，对数幅频特性20 dB/dec 的斜率穿越的斜率穿越 0dB 线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系线，只要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，且有足够的稳定裕量，当统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，当 T1c1cT或或相角稳定裕度相角稳定裕度 45arctg90arctg90180ccTT典型典型I I型系统性能特性型系统性能特性四。四。 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型系统中，型系统中，时间常数时间常数 T 在实在实际系统中往

22、往是控制对象本身固有际系统中往往是控制对象本身固有的，能够改变的只有开环增益的，能够改变的只有开环增益 K 。 设计时，需要按照性能指标选择设计时，需要按照性能指标选择参数参数 K 。 ) 1()(TssKsW 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 不同不同 K 值时典型值时典型 I 型系统的开环对数频率特性，箭头型系统的开环对数频率特性，箭头表示表示K值增大时特性变化的方向。值增大时特性变化的方向。 快速性与稳定性之间的矛盾快速性与稳定性之间的矛盾 K值越大，截止频率值越大，截止频率 c 也越大，系统响应越也越大，系统响应越快，相角稳定裕度快，相角稳定裕度 = 90 arct

23、g cT越小越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。 在选择参数在选择参数 K时，须在二者之间取折衷。时，须在二者之间取折衷。 1. 典型典型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)(sR) 1(TssK)(sC)( e)() 1() 1(0lim)()(0lim)(SRKTSSTSSSSSRSSESee不同输入信号作用下的稳态误差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 0v0 / K 0)(RtRtvtR0)(2)(20

24、tatR稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标 在阶跃输入下的在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的；型系统稳态时是无差的； 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 值值成反比；成反比； 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型系统不能用于具有加速度输入的随动型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。系统。TKnKT121T21nK、T与标准形式参数的换算与标准形式参数的换算s)(sR) 1(TssK)(sCTKTsTKTssKTssKsRsCsWcl1) 1(1) 1()()()(2（1）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标2nn2

25、2ncl2)()()(sssRsCsW（2-13） 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统，型系统是一种二阶系统，式中式中 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。2nn22ncl2)()()(sssRsCsW（2-13） 二阶系统的二阶系统的动态响应动态响应性质性质 1，欠阻尼的振荡特性，欠阻尼的振荡特性， 1，过阻尼的单调特性；，过阻尼的单调特性； = 1，临界阻尼。，临界阻尼。 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

26、 0 1KT121典型典型I型系统的阻尼比型系统的阻尼比 在典在典 I 系统中系统中 KT 0.5，应取应取 15 . 0(2-18) KT121二阶系统的二阶系统的动态响应动态响应性质性质KT121 1，欠阻尼的振荡特性，欠阻尼的振荡特性， 1，过阻尼的单调特性；，过阻尼的单调特性； = 1，临界阻尼。，临界阻尼。 过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即 0 T1） 仅考虑扰动作用仅考虑扰动作用R(s)=01TTs21TTl11/spKKK ssKsW11pACR1)(2KR)(sN)(11sW)(sW)(sC典型I型系统 )(sF扰动作

27、用下的典型扰动作用下的典型I型系统的传递函数型系统的传递函数:) 1()()()(21TssKsWsWsW(典型的典型的I型系统型系统) ) 1() 1()(211TsssTKsW) 1()(222sTKsW阶跃扰动阶跃扰动作用下的输出变化量作用下的输出变化量阶跃扰动：阶跃扰动：sFsF)()(1() 1()(222KsTssTTsFKsC输出变化量：输出变化量：TtmeTtememmmmFKtCTtTtTt2sin2cos)1 ()1(1222)()2/()2/(/2225 . 0KT当当) 1()()()(21TssKsWsWsW221TTTTm51101201301%100maxbCC2

28、7.8%16.6%9.3%6.5%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4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（KT=0.5,Cb=FK2)结果分析结果分析 当控制对象的两个时间常数相距较大时，当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，但恢复时间却拖得较长动态降落减小，但恢复时间却拖得较长。2. 典型典型型系统型系统结构图和传递函数结构图和传递函数 ) 1() 1()(2TsssKsW（3-22）)(sR)(sC) 1() 1(2TsssKOdB/decdB/decdB/decO1/1典型典型II型系统性

29、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，也是控制对象固有的，而待定的参数有两个：而待定的参数有两个： K 和和 。 定义定义中频宽中频宽：12Th(2-32) ) 1() 1()(2TsssKsWOdB/decdB/decdB/dec典型典型型系统型系统开环对数开环对数频率频率特性特性O1/1典型典型型系统系统性能特性型系统系统性能特性 典型的典型的II型系统也是以型系统也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。为保证的斜率穿越零分贝线。为保证系统稳定，系统稳定，选择参数应选择参数应满足满足 T11cT或或 比比 T

30、大得越多，系统的稳定裕度越大得越多，系统的稳定裕度越大。大。典型典型型系统的开环对数幅频特性型系统的开环对数幅频特性dB/L0 11T12hKlg20-20 40 -40 / s-1c=120dB/dec40dB/dec40dB/dec中频宽1111lg20lg20)lg(lg20) 1lg(lg4020cccKKlg参数之间的一种最佳配合参数之间的一种最佳配合采用采用“振荡指标法振荡指标法”中的闭环中的闭环幅频特性峰值最小幅频特性峰值最小准则，可准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合，以找到和两个参数之间的一种最佳配合， 122hhc211hc1cK 表表3-3 (P74)加大中频宽加大

31、中频宽h可以减小可以减小 ，从而降低，从而降低超调量，但同时超调量，但同时 也将减小，使系统也将减小，使系统的快速性减弱的快速性减弱minrMc参数之间的一种最佳配合参数之间的一种最佳配合则 hT2222112121)1(21ThhhhThKc122hhc211hc1111lg20lg20)lg(lg20) 1lg(lg4020cccKKlgP74（1）动态跟随性能指标）动态跟随性能指标hT2212hKh T 2222111121KshhTsW ssTsh TsTs 2233221122111clW shTsWsW shhT sT shTshh 223322122111hTsC shhsT s

32、T shTshh clC sWsR s 1R sS开环开环闭环闭环 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 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1C（t/T）（单位阶跃响应函数）典型单位阶跃响应函数）典型II型系统阶跃输入跟随型系统阶跃输入跟随性能指标性能指标 （按（按Mrmin准则确定关系时）准则确定关系时）(P75)表表3-4

33、h越小超调量越大稳定性差越小超调量越大稳定性差转速环在负载扰动作用下的动态结构转速环在负载扰动作用下的动态结构:(2) 典型典型型系统型系统动态抗扰性能指标动态抗扰性能指标图图3-14 转速环在负载扰动作用下的动态结构图转速环在负载扰动作用下的动态结构图图图3-15 典型典型II型系统在一种扰动作用下的动态结构框图型系统在一种扰动作用下的动态结构框图一种扰动作用下的结构一种扰动作用下的结构等效结构图等效结构图12K KK 21221111K hTsK hTsKW sW s W ss Tsss Ts 222212111111FKWsFKTsFsC sK hTssW s WssTsK hTsss

34、Ts22bCFK T 22222332221122111hFK TTshC shhT sT shTshh /F sF s 111K hTsWss Ts 22KWssII型系统阶跃扰动下按最小的闭环幅频特性峰值Mrmin准则2212hKh T典型典型II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 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 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6

35、% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85 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 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1表表3-5表表3-4 跟随性能跟随性能5%（或2%）Cb )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts图2-11 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态

36、过程和抗扰性能指标图图2-12 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maxC1C2C5%（或2%） CNNO ttmtvCb 一般来说，一般来说， h 值越小，值越小， Cmax/Cb 也越小，也越小， tm 和和 tv 都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与标中超调量与 h 值的关系恰好相反，反映了快速性与稳值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾定性的矛盾。 但是，当但是，当 h 5 时，由于振荡次数的增加，时，由于振荡次数的增加， h 再小，恢复时间再小，恢复时间 tv 反而拖长了。反而拖长了。

37、 h = 5是较好的选择是较好的选择两种典型系统性能比较两种典型系统性能比较静态误差不同静态误差不同典型典型 I 只对只对阶跃阶跃输入无差，典型输入无差，典型对对斜坡斜坡输入也无差输入也无差动态跟随及抗扰性能动态跟随及抗扰性能典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，抗扰性能型系统在跟随性能上可以做到超调小，抗扰性能较差较差典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。 这是设计时选择典型系统的重要依据。这是设计时选择典型系统的重要依据。3. 控制对象的工程近似控制对象的工程近似处理方法处理方法（1）高频段小惯性环节的近似处理）高频段小惯性环

38、节的近似处理 小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段，形成一组小惯小时间常数所对应的频率都处于频率特性的高频段，形成一组小惯性群。性群。例如，系统的开环传递函数为例如，系统的开环传递函数为 ) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小惯性环节可以合并123TTTT 当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。中各时间常数之和。 1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT例如例如：32322322

39、2323232232321,11, 11)(1)()1 (1) 1)(1(1TTTTTTTTTTjTTjTTTjjTcc一般认为即，条件：一般工程上允许有一般工程上允许有10%的误差的误差,则则考虑到考虑到开环频率特性的截止频率与闭环频率的带宽一般比开环频率特性的截止频率与闭环频率的带宽一般比较接近较接近,则用截止频率作为闭环系统通频带的标志则用截止频率作为闭环系统通频带的标志.近似表示近似表示为为同理同理,如果三个小惯性环节如果三个小惯性环节,其近拟处理表达式为其近拟处理表达式为123123111111T sT sT sTTTs12233 1113cTTT TT T或*（2 2）高阶系统的降

40、阶近似处理）高阶系统的降阶近似处理三阶系统三阶系统a，b，c都是正数，且都是正数，且bc a，即系统是稳定的。，即系统是稳定的。降阶处理：降阶处理：忽略高次项，得近似的一阶系统忽略高次项，得近似的一阶系统近似条件近似条件 1)(23csbsasKsW(2-50) 1)(csKsW(2-51) ),1min(31cacb(2-52) （3）低频段大惯性环节的近似处理）低频段大惯性环节的近似处理 时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，时间常数特别大的惯性环节，可以近似为积分环节，即即 11TsTs1近似条件近似条件 T3c(2-53) c对频率特性的影响对频率特性的影响低频段大惯性环节近似

41、处理对频率特性的影响低频段大惯性环节近似处理对频率特性的影响 低频时把特性a近似地看成特性b 1. 调节器结构的选择调节器结构的选择基本思路基本思路: 将控制对象校正成为典型系统。将控制对象校正成为典型系统。系统校正控制对象 调节器 输入输出典型系统 输入输出3.3.3 3.3.3 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器按工程设计方法设计双闭环系统的调节器校正成典型校正成典型I型系统的几种调节器选择型系统的几种调节器选择控制控制对象对象调节调节器器参数参数配合配合) 1)(1)(1(3212sTsTsTK) 1)(1(212sTsTKT1、T2 T312TsK) 1(2TssK) 1)(1)(1

42、(3212sTsTsTK321,TTT ssK11pi) 1(sKipKsss) 1)(1(21ssK11pi) 1(11T2211,TT3211,TTTTT1 T2控制控制对象对象调节调节器器参数参数配合配合) 1(2TssK21212) 1)(1(TTsTsTK相近21212,) 1)(1(TTsTsTsK都很小21212,) 1)(1(TTsTsTsK3213212) 1)(1)(1(TTTsTsTsTK、认为： ssK11pi) 1(ssK11pi1sss) 1)(1(21hT1认为： 21hTsTsT11111）（或）（或122211 ThThThT)(211TTh)(321TThs

43、TsT11111ssK11pi1ssK11pi1校正成典型校正成典型II型系统的几种调节器选择型系统的几种调节器选择3.3.3 3.3.3 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 系统设计的一般原则：系统设计的一般原则： “先内环后外环先内环后外环”从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。系统中的一个环节，再设计转速调节器。-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU

44、*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环图图3-18 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的动态结构框图 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统E(s)增加了滤波环节增加了滤波环节 设计分为以下几个步骤：设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的电流环结构图的简化简化；2.电流调节器结构的电流调节器结构的选择选择；3.电流调节器的电流调节器的参数计算参数计算；4.电流调节器的电流调节器的实现实现；5. 检验检验近似条件近似条件。一。一。 电流调节器的设计电流调节器的设计1. 电流

45、环结构图的简化电流环结构图的简化简化内容简化内容 忽略忽略反电动势反电动势的动态影响的动态影响 等效成等效成单位单位负反馈系统负反馈系统 小惯性环节小惯性环节近似处理近似处理 Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) Tois+11 Tois+1（1）忽略反电动势的动态影响）忽略反电动势的动态影响 暂不考虑反电动势变化的动态影响，电流环如下图所示。暂不考虑反电动势变化的动态影响，电流环如下图所示。简化条件简化条件：cilmciTT13电流环截止频率电流环截止频率 给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时给定滤波和反馈滤波两

46、个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成把给定信号改成U*i(s) / ，则电流环便等效成单位负反馈，则电流环便等效成单位负反馈系统。系统。 +-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) Tois+1图2-23b等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)图2-23c电流环结构图电流环结构图+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) To

47、is+1 Ts 和和 T0i 一般都比一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi (2-55) 简化的近似条件为简化的近似条件为 oisci131TT(2-56) （2）小惯性环节近似处理）小惯性环节近似处理2.电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择典型系统的选择：典型系统的选择：采用采用 I 型系统型系统电流调节器选择：电流调节器选择：PI型的电流调节器，传递函数型的电流调节器，传递函数ssKsWiiiACR) 1()(（3-48） Ki 电流调节器的比例系数；电流调节器的比例系数； i电流调节器的超前

48、时间常数电流调节器的超前时间常数。+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)ssKiii13. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算 调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消 则电流环的动态结构图便成为典型则电流环的动态结构图便成为典型系统系统，其中，其中lTiRKKKisiI+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-Uc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)

49、ssKiii13. 电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算(续）续） 如希望电流超调量如希望电流超调量 i 5%，选选 =0.707，KI T i =0.5，则，则iciI21TK)(22isisiTTKRTKRTKll根据性能要求查典型根据性能要求查典型I型系统跟随性能指标与参数的关系表型系统跟随性能指标与参数的关系表,查出查出KT值，因值，因T已知，计算已知，计算K。RKKKisiIK I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)图2-24 校正成典型I型系统的电流环 a) 动态结构框图动态结构框图 b) 开环对数幅频特性开环对数幅频特性: 校正后电流环的结构和特性校正后电流环的结构

50、和特性1OL/dBci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi4. 电流调节器的实现电流调节器的实现 模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路图中图中:U*i 电流给定电压；电流给定电压； Id 电流负反馈电压；电流负反馈电压；Uc 电力电子变换器的电力电子变换器的控制电压。控制电压。图2-25 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 电流调节器电路参数的计算公式电流调节器电路参数的计算公式0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT (2-62) (2-63) 5。检验近似条件：。检验近似条件：计算电流环截止频率：计算电流环截止频率：（1）电力电子变换器纯滞后的近似处理：电力电子变

51、换器纯滞后的近似处理：（2）忽略反电动势变化对电流环的动态影响：忽略反电动势变化对电流环的动态影响：（3）电流环小惯性群的处理：电流环小惯性群的处理：sciT31lmciTT13oisci131TTIciK1. 电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数电流环闭环传递函数电流环闭环传递函数 111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW(2-65) K I s(Tis+1)Id (s)+-U*i(s)忽略高次项，上式可降阶近似为忽略高次项，上式可降阶近似为 111)(IclisKsW(2-66) iIcn31TK近似条件近似条件

52、可由式（可由式（2-52）求出）求出 (2-67) 式中式中 cn 转速环开环频率特性的截止频率转速环开环频率特性的截止频率。 电流环的传递函数简化电流环的传递函数简化:111)()()(Icli*idsKsWsUsI(3-59) 电流环等效传递函数电流环等效传递函数 原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 -IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+1

53、1 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环图图3-18 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的动态结构框图 E(s)增加了滤波环节增加了滤波环节 电流闭环控制的意义电流闭环控制的意义 电流闭环控制改造了控制对象，加快了电电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。制的一个重要功能。 111)()()(Icli*idsKsWsUsI例例3-1 ACR设计设计-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1

54、Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环图图3-18 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的动态结构框图 E(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) Tois+1Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) Tois+11 Tois+1+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tls+1)(Tis+1)Id (s)U*i(s)K I s(

55、Tis+1)Id (s)+-U*i(s)+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) Tois+10iiRRK iiiCRoi0oi41CRT (2-62) (2-63) 检验近似条件：检验近似条件：计算电流环截止频率：计算电流环截止频率：（1）电力电子变换器纯滞后的近似处理：电力电子变换器纯滞后的近似处理：（2）忽略反电动势变化对电流环的动态影响：忽略反电动势变化对电流环的动态影响：（3）电流环小惯性群的处理：电流环小惯性群的处理：sciT31lmciTT13oisci131TTIciK例例3-1设计步骤：设计步骤：1.电流环的等效闭环传递函数；电

56、流环的等效闭环传递函数；2.转速调节器结构的选择；转速调节器结构的选择；3.转速调节器参数的选择；转速调节器参数的选择；4.转速调节器的实现；转速调节器的实现；5. 校验近似条件。校验近似条件。二。二。 转速调节器的设计转速调节器的设计2. 转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择转速环的动态结构转速环的动态结构 -IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环图图3-18 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的动态结构

57、框图 E(s)-IdL(s)Ud0(s)Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*I(s)Uc(s)Ks Tss+1Id1Ce+E Tois+11 T0is+1ASR1 T0ns+1 Tons+1U*n(s)n(s)电流环E(s)n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) Tons+11 Tons+1U*i(s)111sKI+-IdL (s)图图3-22 转速环的动态结构框图及其简化转速环的动态结构框图及其简化 电流环 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时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将给定信号改成 U*n(s)/ ，再把时间

58、常数为，再把时间常数为 1 / KI 和和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为下式的惯性环节，时间常数为下式的惯性环节，onIn1TKT系统等效和小惯性的近似处理系统等效和小惯性的近似处理近似条件：近似条件：onIcnTK31转速调节器结构选择转速调节器结构选择ASRASR采用采用PIPI调节器调节器ssKsWnnnASR) 1()(（3-61） Kn 转速调节器的比例系数；转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数。转速调节器的超前时间常数。 转速环结构简化转速环结构简化转速开环传递函数选择转速开环传递函数选择 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环