石油大学电力拖动第2章

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第第 2 2 章章 多环控制系统多环控制系统：一一、问题的提出问题的提出 1 1、单闭环的缺陷、单闭环的缺陷 采用转速负反馈和采用转速负反馈和PIPI调节器的单闭环直流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。但如果对系统的速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高动态性能要求较高，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。其不能随等等，单闭环系统就难以满足需要。其不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。心

2、所欲地控制电流和转矩的动态过程。 直流调速系统起动过程的电流和转速波形直流调速系统起动过程的电流和转速波形理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn性能比较性能比较：带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动过程如图所示，起动电流达到最大值起动电流达到最大值 I Idmdm后，受电流负反馈后，受电流负反馈的作用降低下来，电的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之机的电磁转矩也随之减小，减小，加速过程延长加速过程延长 带电流截止负反馈带

3、电流截止负反馈的单闭环调速系统的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn理想起动过程波形如理想起动过程波形如图所示，起动电流呈图所示，起动电流呈方形波方形波，转速按线性，转速按线性增长。这是在最大电增长。这是在最大电流（转矩）受限制时流（转矩）受限制时调速系统所能获得的调速系统所能获得的最快的起动过程。最快的起动过程。理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn 为了实现在允许条件下的最快起动，为了实现在允许条件下的最快起动，关键关键是要获得一段是要获得一段使电流保持为最大值使电流保持为最大值Idm的恒流的恒流过程过程。 按照反馈控制规律，按照反馈控制规律，采用某个物理量

4、的负采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电，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。起动过程，只有电流负反馈，没有转速起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈反馈。希望能实现控制希望能实现控制：+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG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转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 TG测速发电机测速发电机TA电

5、流互感器电流互感器 UPE电力电子变换器电力电子变换器内环内环外外 环环ni二二、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双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流调速系统的稳态结构框图 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE三三、稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性饱和饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 调节器饱和

6、时，输出为恒值，输入调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的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；即输入信号使调节器退出饱和；即相当于相当于使该调节环开环使该调节环开环。不饱和不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值 调节器不饱和时，调节器不饱和时，PIPI作用使输入偏作用使输入偏差电压在差电压在稳态时总是零稳态时总是零。双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC转速调节器不饱和转速调节器不饱和 水平特性水平特性转速调节器饱和转速调节器饱和 垂直特性垂直特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于双闭环调速系统的

7、静特性在负载电流小于I Idmdm时时表现为转速无静差，表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作转速负反馈起主要调节作用用。当负载电流达到当负载电流达到I Idmdm 后，转速调节器饱和，后，转速调节器饱和，电电流调节器起主要调节作用流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。静差，得到过电流的自动保护。四四、各变量的稳态工作点和稳态参数计算各变量的稳态工作点和稳态参数计算 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU 转速转速 n n由由给定电压给定电压U U* *n n决定；决定； ASRASR的输出量的

8、输出量U U* *i i由由负载电流负载电流I IdLdL决定；决定； 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，或者说，同时取决于同时取决于U U* *n n和和I IdLdL。转速反馈系数转速反馈系数： 电流反馈系数电流反馈系数： max*nmnUdm*imIU 两个给定电压的最大值两个给定电压的最大值U U* *nmnm和和U U* *imim由设计者由设计者选定，设计原则如下：选定，设计原则如下： U U* *nmnm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；限制； U U* *imim 为为AS

9、RASR的输出限幅值。的输出限幅值。 本节提要本节提要双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的动态结构框图 U*n Uc-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E一一、动态数学模型动态数学模型 W WASRASR( (s s) )和和W WACRACR( (s s) )分别表示转速调节器和电分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用流调节器的传递函数。如果采用PIPI调节器，则调节器，则有：有：ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭

10、环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 返回返回二二、起动过程分析起动过程分析 IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第I I阶段：电流上升阶段阶段：电流上升阶段（0 t1）dtdnGDTTLe3752n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第IIII阶段：恒流升速阶段阶段：恒流升速阶段（t1 t2）dtdnGDTTLe3752 IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第阶段：转速调节阶段阶段：转速调节阶段

11、（ t2 以后）以后）dtdnGDTTLe3752 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，整个系统处于的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：完全不同的两种状态：nASRASR饱和时饱和时，转速环开环，系统表现为恒值，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统。电流调节的单闭环系统。nASRASR不饱和时不饱和时，转速环闭环，整个系统是一，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。流随动系统。 转速超调转速超调 由于由于ASR采用了采用了饱和非线性控制饱和非线性控制，起动过，起动过程结束进

12、入转速调节阶段后，必须使转速超调，程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压Un 为负值为负值，才能使，才能使ASR退出饱和退出饱和。因而采用。因而采用PI调节器的双闭环调调节器的双闭环调速系统的转速响应速系统的转速响应必然有超调必然有超调。 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阶段的恒流阶段的恒流升速，它的特征是升速，它的特征是电流保持恒定电流保持恒定。一般选择为。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段的过载能力，使起动

13、过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的属于有限制条件的最短时间控制最短时间控制。因此，整个。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。起动过程可看作为是一个准时间最优控制。三三、动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 对于调速系统，最重要的动态性能对于调速系统，最重要的动态性能是是抗扰性能抗扰性能。主要包括。主要包括抗负载扰动抗负载扰动和和抗抗电网电压扰动电网电压扰动的性能。的性能。 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EIdIdL直流调速系统的动态抗负载扰动作用直流调速系统的动态抗负载扰动作用直流调速系统的动态抗扰作用直流调速系

14、统的动态抗扰作用单闭环系统单闭环系统UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E-IdLUd双闭环系统双闭环系统 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACR U*iUi-E四四、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1 1、转速调节器的作用、转速调节器的作用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，它使转速转速n很快地很快地跟随给定电压变化跟随给定电压变化，稳态时可减，稳态时可减小转速误差，如果采用小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现调节器，

15、则可实现无静差无静差。对对负载负载变化起变化起抗扰抗扰作用。作用。其输出限幅值其输出限幅值决定决定电机允许的电机允许的最大电流最大电流。在外环转速调节过程中，使电流紧紧在外环转速调节过程中，使电流紧紧跟随其跟随其给定电压给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（即外环调节器的输出量）变化。对对电网电压电网电压的波动起及时的波动起及时抗扰抗扰的作用。的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而大电流，从而加快动态过程加快动态过程。当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大大值，起快速的值，起快速的自动保护作用自

16、动保护作用。一旦故障消。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。失，系统立即自动恢复正常。先设计内环、后设计外环先设计内环、后设计外环五五、调节器的设计问题调节器的设计问题一一、问题的提出问题的提出 用经典的动态校正方法设计调节器须同时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，需要设计者有扎实的理的静、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，而初学者则不易掌论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。握，于是有必要建立实用的设计方法。 大多数现代的电力拖动自

17、动控制系统均可由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。若事先深入研究低阶典型系统的低阶系统近似。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照，设计过程就简便典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 概念清楚、易懂；概念清楚、易懂；计算公式简明、好记；计算公式简明、好记；给出参数计算公式，指明参数调整方向；给出参数计算公式，指明参数调整方向；考虑饱和非线性控制的情况，给出简单的计算考虑饱和非线性控制的

18、情况，给出简单的计算公式；公式；适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。统。二二、工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路1、选择调节器的结构选择调节器的结构，使系统典型化并，使系统典型化并满足稳定和稳态精度满足稳定和稳态精度。2、设计调节器的参数设计调节器的参数，以满足动态性能，以满足动态性能指标的要求指标的要求。典型跟随过程典型跟随过程：输出量：输出量初始值为零初始值为零时给定信号时给定信号阶跃变化阶跃变化下的过渡过程。下的过渡过程。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：三三、控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标5%（

19、或（或2%） )(tCCCCmaxmaxCC0 tOtrts典型阶跃响应曲线和跟随性能指标典型阶跃响应曲线和跟随性能指标%100maxCCC典型抗扰过程典型抗扰过程：系统稳定运行中突加一个使输出：系统稳定运行中突加一个使输出量降低的量降低的负扰动负扰动N以后的过渡过程。以后的过渡过程。常用的抗扰性能指标常用的抗扰性能指标： 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标突加扰动的动态过程和抗扰性能指标maxC1C2C5%（或（或2%） CNNO ttmtvCb 四四、典型系统典型系统)(sWR(s)C(s)n11) 1() 1()(iirmjjsTssKsW) 1()(TssKsW)(sR) 1(TssK)

20、(sCdB/decdB/decT1c1cT或或45arctan90arctan90180ccTT ) 1() 1()(2TsssKsW)(sR)(sC) 1() 1(2TsssKOdB/decdB/decdB/dec1T11cT或或 TTccccarctanarctanarctanarctan18018000五五、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型系统的开环传递函数包含两个参数：型系统的开环传递函数包含两个参数：开环增益开环增益K和和时间常数时间常数T。其中，时间常数。其中，时间常数 T 在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能在实际系统中往往是控制对

21、象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益够由调节器改变的只有开环增益K，也就是说，也就是说，K是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数指标选择参数K的大小。的大小。 cclg20) 1lg(lg20lg20K所以所以 K = c （当（当 c 时）时） T1 K值越大，截止频率值越大，截止频率 c也越大，系统响应也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度越快，但相角稳定裕度 = 90 arctan cT越越小，这也说明小，这也说明快速性快速性与与稳定性稳定性之间的矛盾。之间的矛盾。0)(RtRtvtR0)(2)(20tatR3 3、典型典型I I型

22、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 稳态跟随性能指标稳态跟随性能指标2nn22ncl2)()()(sssRsCsW TKnKT121T21nTKsTsTKTssKTssKsWsWsW1) 1(1) 1()(1)()(2cl2nn22ncl2)()()(sssRsCsW典型典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系221TTTTm51101201301%100maxbCC55.5%33.2%18.5%12.9%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

23、关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(KT=0.5) 4 4、典型典型I 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 控制对象的两个时间常数相距较大时，动态降落减小，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。但恢复时间却拖得较长。六六、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数的关系 待定参数：待定参数：K 和和 。引入一个新的变量引入一个新的变量12Th中频宽度中频宽度hT2221ThhK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/d

24、ec40dB/dec40dB/dec中频宽度中频宽度K= 1 c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00 0)(RtRtvtR0)(2)(20tatRKa /0 1 1、典型、典型IIII型系统跟随性能指标和参数的关系型系统跟随性能指标和参数的关系典型典型II型系统阶跃输入跟随性能指标型系统阶跃输入跟随性能指标 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

25、127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1 振荡次数振荡次数 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% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85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 一般来说，一般来说，h值越小，值越小，Cmax/Cb也

26、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随性能指标中超调量与 h 值的关系恰好相反，值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。反映了快速性与稳定性的矛盾。综合起来看，综合起来看，h = 5应该是一个很好的选择。应该是一个很好的选择。 七七、两种系统比较两种系统比较八八、调节器结构的选择和传递函数的近似调节器结构的选择和传递函数的近似 处理处理非典型系统的典型化非典型系统的典型化1 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将控制对象校正成为典型系统典型系统。系统校正系统校正控制

27、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 输入输入输出输出例例1 1、设控制对象是双惯性型的，其传递函数为：、设控制对象是双惯性型的，其传递函数为：)1)(1()(212sTsTKsWobj(TlT2)校正成典型校正成典型I型系统型系统) 1()(TssKsW选择选择PI调节器，采用的传递函数形式：调节器，采用的传递函数形式：ssKsWpipi111)(11TKKKpi12/) 1)(1(1)()()(21211sTsTKssKsWsWsWpiobjpi) 1(2sTsK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

28、合配合) 1)(1)(1(3212sTsTsTK) 1)(1(212sTsTKT1、T2 T312TsK) 1(2TssK) 1)(1)(1(3212sTsTsTK321,TTT ssK11pi) 1(sKipKss) 1)(1(21ssK11pi) 1(11T2211,TT3211,TTTTT1 T2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(

29、TTTsTsTsTK、认为： ssK11pi) 1(ssK11pi1ss) 1)(1(21hT1认为： 21hTsTsT11111）（或）（或122211 ThThThT)(211TTh)(321TThsTsT11111ssK11pi1ssK11pi1) 1)(1)(1() 1()(321sTsTsTssKsW小惯性环节可以合并小惯性环节可以合并1)(1) 1)(1(13232sTTsTsT近似条件近似条件32c31TTs换成换成j 进行推导进行推导1)(csKsW1)(23csbsasKsW),1min(31cacb近似条件近似条件11TsTs1近似条件近似条件T3c) 1() 1()(22

30、1bsTsTsKsW) 1)(1() 1()(21asTsTssKsW例如例如c低频段大惯性环节近似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 低频时把特性低频时把特性a近似地看成特性近似地看成特性b 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统一一、系统设计对象系统设计对象-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)电流环电流环E(s)返回返回二二、 系统设计原则系统设计原则系统设计的一般原则系统设计的一

31、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，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。计转速调节器。n电流环结构图的简化电流环结构图的简化n电流调节器的结构选择电流调节器的结构选择n电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算n电流调节器的实现电流调节器的实现三三、系统设计步骤系统设计步骤n忽略反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响n等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统n小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理 忽略

32、反电动势的动态影响忽略反电动势的动态影响Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s) Tois+11 Tois+1 等效成单位负反馈系统等效成单位负反馈系统+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s) Tois+1 小惯性环节近似处理小惯性环节近似处理+-ACRUc (s) Ks /R (Tls+1)(T is+1)Id (s)U*i(s) +-ACRUc (s) Ks /R (Tls+1)(T is+1)Id (s)U*i(s) 返回返回 典型系统的选择典型系统的选择l从稳态要求上看，希望

33、电流无静差，以得到理从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用想的堵转特性，采用 I I 型系统足够型系统足够。l从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流电流环应以跟随性能为主，应选用典型环应以跟随性能为主，应选用典型I I型系统型系统。 K I s(T is+1)Id (s)+-U*i(s) a) a)

34、动态结构框图动态结构框图 RKKKisiI 电流调节器选择电流调节器选择ssKsWiiiACR) 1()(liT校正成典型校正成典型I型系统的电流环型系统的电流环 b) 开环对数幅频特性开环对数幅频特性 1OL/dB ci-20dB/dec /s-1-40dB/decTi 电流调节器的参数有：电流调节器的参数有：Ki 和和 i， 其中其中 i 已选定，已选定， ，剩下的只有比例系数，剩下的只有比例系数 Ki， 可根据所需要的动态性能指标选取。可根据所需要的动态性能指标选取。lTi 在一般情况下，希望电流超调量在一般情况下，希望电流超调量 i 5%，可选可选 =0.707，KI T i =0.5

35、，iciI21TK)(22isisiTTKRTKRTKllRKKKisiIlTi 模拟式电流调节器电路模拟式电流调节器电路含给定滤波与反馈滤波的含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器型电流调节器 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ssKsUsTsIsTsUiiictoidoii1)(1)(1)(*0iiRRK iiiCRoi0oi41CRT 式中式中n电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数n转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择n转速调节器参数的选择转速调节器参数的选择n转速调节器的实现转速调节器的实现2 2、转速调节器的设计、转速调节器的设计 电流环闭环传递

36、函数电流环闭环传递函数111) 1(1) 1(/ )()()(I2IiiIiI*idclisKsKTsTsKsTsKsUsIsW 传递函数化简传递函数化简111)(IclisKsWiIcn31TK近似条件近似条件： 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。 电流环等效传递函数电流环等效传递函数111)()()(Icli*idsKsWsUsI 原来是双惯性环节的电流环控制对象，经原来是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闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的常数的一阶惯性环节一阶惯性环节。 / )()()(*idclisUsIs

37、W 物理意义物理意义111)()()(Icli*idsKsWsUsI 转速环的动态结构转速环的动态结构n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s) Tons+11 Tons+1U*i(s)111sKI+-IdL (s)电流环电流环 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onIn1TKT 转速环结构简化转速环结构简化 n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s) Id (s) / T ns+1+-IdL (s) 转速调节器选择转速调节器选择ssKsWnnnASR) 1()( 调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数) 1() 1() 1() 1()(n2

38、mennnnmennnnsTsTCsRKsTsTCRssKsW令转速环开环增益为令转速环开环增益为mennNTCRKK) 1() 1()(n2nNnsTssKsW则则 校正后的系统结构校正后的系统结构n (s)+-U*n(s) 1() 1(n2nNsTssK转速调节器的参数包括转速调节器的参数包括 Kn 和和 n。nn hT2n2N21ThhKnmen2) 1(RThTChK参数选择参数选择 至于中频宽至于中频宽 h 应选择多少，要看动态应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择选择 h=5 模拟式转速调节器电路模拟式转速调节器电路含给定滤

39、波与反馈滤波的含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器型转速调节器 转速调节器参数计算转速调节器参数计算0nnRRK nnnCRon0on41CRT 转速环与电流环的关系转速环与电流环的关系 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。的，对系统的组成和调试工作非常有利。 多环系统设计思想：以稳为主，稳中求快多环系统设计思想：以稳为主，稳中求快。 双闭环调速系统具有良好的稳态

40、和动态性双闭环调速系统具有良好的稳态和动态性能，结构简单，工作可靠，设计也很方便。然能，结构简单，工作可靠，设计也很方便。然而其动态性能的不足之处就是而其动态性能的不足之处就是转速必然超调转速必然超调，而且抗扰性能的提高也受到一定限制。而且抗扰性能的提高也受到一定限制。 在转速调节器上引入转速微分负反馈，在转速调节器上引入转速微分负反馈，可以可以抑制转速超调抑制转速超调，直到消除超调，同时也，直到消除超调，同时也能大大能大大降低动态速降降低动态速降。 带转速微分负反馈的双闭环系统与普通带转速微分负反馈的双闭环系统与普通双环系统的区别仅在于双环系统的区别仅在于转速调节器转速调节器上。和普上。和普

41、通转速调节器相比，增加了电容通转速调节器相比，增加了电容C Cdndn和电阻和电阻R Rdndn，即在，即在转速负反馈的基础上叠加上一个转速负反馈的基础上叠加上一个转速微分负反馈信号转速微分负反馈信号。1 1、带微分负反馈的转速调节器、带微分负反馈的转速调节器一、带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理一、带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理CdnRdn内环的作用内环的作用： 对本环的被调量实行限制和保护。对本环的被调量实行限制和保护。 对环内的扰动实行及时的调节。对环内的扰动实行及时的调节。 改造本环所包围的控制对象，使它更有利于改造本环所包围的控制对象，使它更有利于外环控制。外环控制。

42、 在双闭环调速系统中，为了提高系统的快在双闭环调速系统中，为了提高系统的快速性，希望电流环具有尽量快的响应特性，除速性，希望电流环具有尽量快的响应特性，除了在起动过程的第了在起动过程的第阶段保持恒流控制以外，阶段保持恒流控制以外，在第在第和第和第段都希望电流尽快地上升或下降，段都希望电流尽快地上升或下降，也就是说，希望电流变化率较大，使整个系统也就是说，希望电流变化率较大，使整个系统更接近理想的动态波形。更接近理想的动态波形。 问题引入问题引入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 OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2

43、t1 理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn 电压反馈信号中所含谐波分量往往较大，然而电压反馈信号中所含谐波分量往往较大，然而为了保证系统的动态性能，电压反馈滤波时间常数为了保证系统的动态性能，电压反馈滤波时间常数又不能太大。这样，常常给调节系统带来谐波干扰，又不能太大。这样，常常给调节系统带来谐波干扰，严重时甚至造成严重时甚至造成，只有用选频滤波的方法，只有用选频滤波的方法才能解决。才能解决。 因为因为对电网电压波动来说，电压环比电流环的调节更为对电网电压波动来说，电压环比电流环的调节更为及时。及时。 一一、调压与弱磁的配合控制调压与弱磁的配合控制 在他励直流电动机的调

44、速方法中，前面在他励直流电动机的调速方法中，前面讨论的调电压方法是从讨论的调电压方法是从基速（即额定转速基速（即额定转速 n nN N ）向下调速。向下调速。 如果需要从基速向上调速，则要采用如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁弱磁调速调速的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速来提高转速。n恒转矩调速方式恒转矩调速方式 按照电力拖动原理，在不同转速下长期运按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达到其额定值到其额定值 IN。由于电磁转矩。由于电磁转矩Te = Km I，在调，在

45、调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作矩也不变，称作“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。n恒功率调速方式恒功率调速方式 在弱磁调速范围内，转速越高，磁在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为是为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。n两者内涵两者内涵 “恒转矩恒转矩”和和“恒功率恒功率”调速方式，是指调速方式，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值值 IN 时，所容许

46、的时，所容许的转矩或功率不变转矩或功率不变，是电机，是电机能长期承受的限度。实际的转矩和功率究竟能长期承受的限度。实际的转矩和功率究竟有多少，还要由其有多少，还要由其具体的负载具体的负载来决定。来决定。n适用范围适用范围 恒转矩类型的负载恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调适合于采用恒转矩调速方式，而速方式，而恒功率类型的负载恒功率类型的负载更适合于恒功更适合于恒功率的调速方式。但是，直流电机允许的弱磁率的调速方式。但是，直流电机允许的弱磁调速范围有限，一般电机不超过调速范围有限，一般电机不超过 1:2 ，专用，专用的的“调速电机调速电机”也不过是也不过是 1:3 或或 1:4 。Te N nN

47、nmax变电压调速变电压调速弱磁调速弱磁调速UNUP PTeUnOP二二、非独立控制励磁的调速系统非独立控制励磁的调速系统n在基速以下调压调速时，保持磁通为额定在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变；值不变；n在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变；值不变；n弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈电压也随着升高电压也随着升高U Un n，因此必须同时提高转，因此必须同时提高转速给定电压速给定电压U Un n* *，否则转速不能上升。，否则转速不能上升。-AFR+GTFCUif-VFCU*ifRP2MTGnASRACR

48、U*nRP1-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE+TGM 系统结构图系统结构图 工作原理工作原理n在基速以下调压调速时，在基速以下调压调速时， RPRP2 2不变保持磁通为不变保持磁通为额定值，用额定值，用RPRP1 1调节转速，此时，转速、电流调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用。双闭环系统起控制作用。n在基速以上弱磁升速时，在基速以上弱磁升速时， 通过通过RPRP2 2减少励磁电减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节要调节RPRP1 1 ，以提高电压。，以提高电压。 在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。从上图可以看出，要互相关联的。从上图可以看出，在基速以下，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁应该